BG67160B1

BG67160B1 - Magnetoresistive semiconductor sensor

Info

Publication number: BG67160B1
Application number: BG112639A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2020-10-15
Also published as: BG112639A

Abstract

The magnetoresistive semiconductor sensor contains two semiconductor wafers of hopping conduction type - first (1) and second (2). On the one side of the wafer (1) are formed sequentially and at equal distances from each other three rectangular ohmic contacts, parallel to their long sides - the first (3), second (4) and third (5). On the one side of the wafer (2) there is a central rectangular base contact (6), and parallel to its long sides and symmetrically thereon are located a rectangular collector (7 and 8), and a rectangular emitter - the first (9) and second (10). The contact (3) of the wafer (1) is cross-connected to the emitter (10) of the wafer (2), and the contact (5) is cross-connected to the emitter (9). The contact (4) of the substrate (1) through the first current source (11) is connected to the contact (6) so that the emitters (9 and 10) are included in the right direction. The collectors (7 and 8) through load resistors (12 and 13) and a second current source (14) are connected in the opposite direction to the contact (6). The measured magnetic field (15) is applied in parallel to the long sides of the contacts (3, 4 and 5), the emitters (9 and 10), the collectors (7 and 8) and the contact (6), as the collectors (7 and 8) are the output (16) of the sensor.

Description

(54) МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН ПОЛУПРОВОДНИКОВ СЕНЗОР(54) MAGNETIC SENSOR SEMICONDUCTOR SENSOR

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до магниточувствителен полупроводников сензор, приложимо в областта на мехатрониката и роботиката, слабополевата магнитометрия, безконтактната автоматика, микро- и наноелектрониката, контролно-измервателните технологии, позиционирането на обекти в равнината и пространството, навигацията, биомедицинските изследвания, енергетиката, автомобилната промишленост включително хибридните превозни средства, военното дело и сигурността, в това число контратероризъм, и др.The invention relates to a magnetically sensitive semiconductor sensor applicable in the field of mechatronics and robotics, low-field magnetometry, contactless automation, micro- and nanoelectronics, control and measurement technologies, positioning of objects in the plane and space, navigation, biomedical research, energy hybrid vehicles, military and security, including counterterrorism, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е магниточувствителен полупроводников сензор, съдържащ полупроводникова (силициева) подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани един централен правоъгълен емитер, успоредно на дългите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор и по един правоъгълен базов контакт. Двата базови контакта са свързани и през първи токоизточник са съединени с емитера така, че той да е включен в права посока. Двата колектора през високоомни товарни резистори и втори токоизточник са свързани с базовите контакти така, че колекторите да са включени в обратна посока. Измерваното магнитно поле е приложено успоредно на дългите страни на емитера, колекторите и базовите контакти като двата колектора са изходът на сензора [1-3].A magnetically sensitive semiconductor sensor is known, comprising a semiconductor (silicon) substrate with an impurity type of conductivity, on one side of which a central rectangular emitter is formed, parallel to its long sides and symmetrically on them are arranged one rectangular collector and one rectangular base. contact. The two base contacts are connected and are connected to the emitter through a first current source so that it is connected in a straight line. The two collectors are connected to the base contacts through high-resistance load resistors and a second current source so that the collectors are connected in the opposite direction. The measured magnetic field is applied in parallel to the long sides of the emitter, the collectors and the base contacts, both collectors being the output of the sensor [1-3].

Недостатък на този магниточувствителен полупроводников сензор е ниската чувствителност (преобразувателна ефективност) поради доминиращата дифузия на инжектираните токоносители с ниска скорост, водеща до незначителната им Лоренцова дефлекция в колекторните области, и като следствие несъществено изменение на изходното напрежение в магнитно поле.The disadvantage of this magnetically sensitive semiconductor sensor is the low sensitivity (conversion efficiency) due to the dominant diffusion of the injected low velocity current carriers, leading to their insignificant Lorentz deflection in the collector regions, and as a consequence insignificant change of the output voltage in magnetic field.

Недостатък е също редуцираната измервателна точност поради хаотични и неконтролируеми флуктуации в резултат на дифузионните процеси на изходното напрежение, допълнително усилени от транзисторното действие посредством високоомните товарни резистори.Another disadvantage is the reduced measurement accuracy due to chaotic and uncontrollable fluctuations as a result of the diffusion processes of the output voltage, further amplified by the transistor action by means of the high-resistance load resistors.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен полупроводников сензор с висока чувствителност и висока измервателна точност.It is an object of the invention to provide a magnetically sensitive semiconductor sensor with high sensitivity and high measurement accuracy.

Тази задача се решава с магниточувствителен полупроводников сензор, съдържащ две полупроводникови подложки с примесен тип проводимост - първа и втора. Върху едната страна на първата подложка са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори и трети. Върху едната страна на втората подложка има един централен правоъгълен базов контакт, успоредно на дългите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор и по един правоъгълен емитер първи и втори. Първият омичен контакт от първата подложка е съединен накръстно с втория емитер от втората, а третият омичен контакт е свързан накръстно с първия емитер. Вторият омичен контакт от първата подложка през първи токоизточник е свързан с базовия контакт от втората подложка така, че двата емитера да са включени в права посока. Двата колектора през товарни резистори и втори токоизточник са включени в обратна посока към централния базов контакт. Измерваното магнитно поле е приложено успоредно на дългите страни на омичните контакти, емитерите, колекторите и базовия контакт като двата колектора са изходът на сензора.This problem is solved with a magnetically sensitive semiconductor sensor containing two semiconductor pads with an impurity type of conductivity - first and second. On one side of the first pad, three rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at equal distances from each other, parallel to their long sides - first, second and third. On one side of the second pad there is a central rectangular base contact, parallel to its long sides and symmetrically on them are arranged successively one rectangular collector and one rectangular emitter first and second. The first ohmic contact of the first substrate is cross-connected to the second emitter of the second, and the third ohmic contact is cross-connected to the first emitter. The second ohmic contact from the first substrate through the first current source is connected to the base contact from the second substrate so that the two emitters are connected in a straight line. The two collectors through load resistors and a second current source are connected in the opposite direction to the central base contact. The measured magnetic field is applied in parallel to the long sides of the ohmic contacts, the emitters, the collectors and the base contact, both collectors being the output of the sensor.

Предимство на изобретението е високата чувствителност поради използване на високоефективен преобразувателен механизъм - модулация на емитерната инжекция на реализирания биполярен магнитотранзистор във втората подложка чрез напрежение и ток на Хол, генерирани в първата подложка.An advantage of the invention is the high sensitivity due to the use of a highly efficient converter mechanism - modulation of the emitter injection of the realized bipolar magnetotransistor in the second substrate by voltage and Hall current generated in the first substrate.

Предимство е също минималната метрологична грешка в резултат на драстично компенсираните хаотични неконтролируеми флуктуации на изходното напрежение на сензора, тъй като преобразувателната ефективност не се постига чрез високоомни товарни резистори в колекторите, а чрез ефекта на Хол.Another advantage is the minimal metrological error as a result of the drastically compensated chaotic uncontrollable fluctuations of the sensor output voltage, as the conversion efficiency is not achieved by high-resistance load resistors in the collectors, but by the Hall effect.

Предимство е още повишената пространствена разделителна способност (резолюция), порадиAnother advantage is the increased spatial resolution (resolution), due to

67160 Bl значително редуцираните разстояния емитер-базов контакт на магнитотранзистора по причина, че неговото действие не използва Лоренцово управление на дифузията на носители, което изисква дълги базови области, а директно въздействие върху емитерните инжекции чрез ефект на Хол, а размерът на триконтактния елемент на Хол от първата подложка е около два пъти по-малък от този на магнитотранзистора.67160 Bl significantly reduced emitter-base contact distances of the magnetotransistor due to the fact that its action does not use Lorentz control of diffusion of carriers, which requires long base areas, but direct impact on emitter injections through Hall effect, and the size of the three-contact Hall element from the first pad is about twice smaller than that of the magnetotransistor.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one of its embodiments given in the attached figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

Магниточувствителният полупроводников сензор съдържа две полупроводникови подложки с примесен тип проводимост - първа 1 и втора 2. Върху едната страна на подложка 1 са формирани последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, успоредно на дългите си страни - първи 3, втори 4 и трети 5. Върху едната страна на подложка 2 има един централен правоъгълен базов контакт 6, успоредно на дългите му страни и симетрично на тях са разположени последователно по един правоъгълен колектор 7 и 8, и по един правоъгълен емитер - първи 9 и втори 10. Първият омичен контакт 3 от първата подложка 1 е съединен накръстно с втория емитер 10 от втората подложка 2, а третият омичен контакт 5 е свързан накръстно с първия емитер 9. Вторият омичен контакт 4 от първата подложка 1 през първи токоизточник 11 е свързан с базовия контакт 6 от втората подложка 2 така, че двата емитера 9 и 10 да са включени в права посока. Колектори 7 и 8 през товарни резистори 12 и 13, и втори токоизточник 14 са включени в обратна посока към базов контакт 6. Измерваното магнитно поле 15 е приложено успоредно на дългите страни на контакти 3, 4 и 5, емитери 9 и 10, колектори 7 и 8 и базов контакт 6, като колекторите 7 и 8 са изходът 16 на сензора.The magnetosensitive semiconductor sensor contains two semiconductor pads with impurity conductivity type - first 1 and second 2. On one side of pad 1 are formed sequentially and at equal distances from each other three rectangular ohmic contacts, parallel to their long sides - first 3, second 4 and a third 5. On one side of the pad 2 there is a central rectangular base contact 6, parallel to its long sides and symmetrically on them are arranged in series one rectangular collector 7 and 8, and one rectangular emitter - first 9 and second 10. The first ohmic contact 3 of the first substrate 1 is cross-connected to the second emitter 10 of the second substrate 2, and the third ohmic contact 5 is cross-connected to the first emitter 9. The second ohmic contact 4 of the first substrate 1 is connected to the base contact via a first current source 11. 6 of the second pad 2 so that the two emitters 9 and 10 are connected in the forward direction. Collectors 7 and 8 through load resistors 12 and 13, and a second current source 14 are connected in the opposite direction to base contact 6. The measured magnetic field 15 is applied parallel to the long sides of contacts 3, 4 and 5, emitters 9 and 10, collectors 7 and 8 and a base contact 6, the collectors 7 and 8 being the output 16 of the sensor.

Действието на магниточувствителния полупроводников сензор, съгласно изобретението, е следното.The operation of the magnetically sensitive semiconductor sensor according to the invention is as follows.

При включване на първия източник 11 между контакти 4 и 6, в първата подложка 1 протичат два еднакви и срещуположно насочени тока 1₃₄ и -1_{4 5}, състоящи се от основни носители - например електрони. Същевременно емитерите 9 и 10 са включени в права посока спрямо контакт 6. Накръстното свързване на контакти 3 и 5 с емитерните преходи 10 и 9 обуславя във втората подложка 2 две противоположно насочени инжекции от неосновни токоносители, например от дупки, към базовия контакт 6. Движейки се към контакт 6, дупките достигат до включените чрез втория токоизточник 14 в обратна посока колекторни преходи 7 и 8. Така чрез екстракция на неосновни носители от обратно поляризираните колектори 7 и 8, през двата товарни резистора протичат начални (стартови) обратни токове 1₇(0) и 1₈(0) в отсъствие на магнитно поле В 15. Поради симетрията на триконтактния елемент на Хол с равнинна чувствителност от подложка 1 и на магнитотранзистора с равнинна чувствителност от подложка 2, обратните колекторни токове са равни, Ι₇(0) = Ι₈(θ)· Ето защо на диференциалния изход V 16 отсъства напрежение V (В = 0) = 0. При евентуални технологични и геометрични несъвършенства в структурите от първата 1 и втората 2 подложка, на изхода V_Qut 16 е възможно поява на паразитно начално напрежение - офсет. Неговото пълно компенсиране лесно се осъществява, например с тример, включен към двата еднакви по стойност колекторни резистори 12 и 13.When the first source 11 is connected between contacts 4 and 6, two identical and oppositely directed currents 1 ₃₄ and -1 _{4 5} flow in the first substrate 1, consisting of main carriers - for example electrons. At the same time, the emitters 9 and 10 are connected in a forward direction to contact 6. The cross-connection of contacts 3 and 5 with the emitter junctions 10 and 9 determines in the second pad 2 two oppositely directed injections from non-main current carriers, for example from holes, to the base contact. to contact 6, the holes reach the collector transitions 7 and 8 connected in the opposite direction by the second current source 14. Thus, by extraction of non-basic carriers from the back-polarized collectors 7 and 8, initial (starting) reverse currents 1 _{7 flow through the two load resistors.} 0) and 1 ₈ (0) in the absence of magnetic field B 15. Due to the symmetry of the three-contact Hall element with plane sensitivity from substrate 1 and of the magnetotransistor with plane sensitivity from substrate 2, the reverse collector currents are equal, Ι ₇ (0) = Ι ₈ (θ) · Therefore, the differential output V 16 lacks voltage V (B = 0) = 0. In case of possible technological and geometric imperfections in the structures of the first 1 and the second 2 pad, at the output V _Qut 16 possible occurrence of parasitic initial voltage - offset. Its full compensation is easily accomplished, for example, with a trimmer connected to the two equal-value collector resistors 12 and 13.

Прилагането на магнитно поле В 15 се съпровожда с Лоренцова дефлекция на тока 1₄(В) през централния контакт 4 на елемента на Хол. В резултат възниква изменение на протичащите токове ΔΙ₃(Β) и -ΔΙ (В) през крайните контакти 3 и 5 на подложка 1. Единият, например ΔΙ₃(Β) нараства, а другият ΔΙ₅(Β) пропорционално намалява. Понеже контакти 3 и 5 са накръстно свързани с емитери 10 и 9, промяната на тези два тока води до директно изменение на инжекцията през емитерите 9 и 10 - през единия от тях тя нараства, а през другия тя намалява. Тази директна модулация на емитерните инжекции води до значително изменение на двата обратни колекторни тока ΔΙ₇(Β) и -ΔΙ₈(Β). Така чрез механизма на транзисторното усилване на изхода 16 на сензора се генерира значително по стойност напрежение V (В), което е мярка за силата и посоката на измерваното магнитно поле В 15. При функционирането наконфигурациятаот Фигура 1 участва и магнитно управляемият повърхностен ток в полупроводниковите структури, открит от Руменин, Лозанова и Нойков [4].The application of magnetic field B 15 is accompanied by Lorentz deflection of the current 1 ₄ (B) through the central contact 4 of the Hall element. As a result, there is a change in the currents ΔΙ ₃ (Β) and-В (B) through the terminals 3 and 5 of substrate 1. One, for example ΔΙ ₃ (Β) increases and the other ΔΙ ₅ (Β) decreases proportionally. Because contacts 3 and 5 are cross-connected to emitters 10 and 9, the change of these two currents leads to a direct change of the injection through emitters 9 and 10 - through one of them it increases and through the other it decreases. This direct modulation of the emitter injections leads to a significant change in the two reverse collector currents ΔΙ ₇ (Β) and -ΔΙ ₈ (Β). Thus, through the mechanism of transistor amplification of the output 16 of the sensor, a significant voltage V (B) is generated, which is a measure of the strength and direction of the measured magnetic field B 15. The magnetically controlled surface current in the semiconductor structures also participates in the configuration of Figure 1. , discovered by Rumenin, Lozanova and Noykov [4].

67160 Bl67160 Bl

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в магнитометрията се комбинира действието на два типа равнинно-магниточувствителни преобразуватели - триконтактен елемент на Хол и биполярен магнитотранзистор. Ключова особеност е, че транзисторната конфигурация от подложка 2 съдържа два емитера 9 и 10, и един базов контакт 6, противно на конструкцията от известното решение - един емитер и два базови контакта. Иновативна част от решението също е накръстното свързване на крайните контакти: 3 с емитер 10 и 5 с емитер 9. В резултат е постигната директна модулация на емитерните инжекции, предоставяща рекордно висока чувствителност.The unexpected positive effect of the new technical solution is that for the first time in magnetometry the action of two types of plane-magnetosensitive transducers is combined - a three-contact Hall element and a bipolar magnetotransistor. A key feature is that the transistor configuration of the substrate 2 contains two emitters 9 and 10, and one base contact 6, contrary to the construction of the known solution - one emitter and two base contacts. An innovative part of the solution is also the cross-connection of the end contacts: 3 with emitter 10 and 5 with emitter 9. As a result, direct modulation of the emitter injections is achieved, providing a record high sensitivity.

Минималната метрологична грешка се постига с невисоките стойности на товарните колекторни резистори от порядъка 4-5kΩ, а не високоомни резистори с номинал 15-20kΩ, подсилващи хаотичните и неконтролируеми флуктуации на изходното напрежение на сензора, както е в известното решение. Повишената пространствена резолюция е следствие от замяна на Лоренцовата дефлекция с високоефективната модулация на емитерната инжекция. Първият механизъм изисква дълга базова област за въздействие на силата на Лоренц F_L върху неосновните носители, докато вторият преобразувателен ефект не се нуждае от базова зона с големи размери. Това води до значително редуциране на геометричните размери на магнитотранзисторната конфигурация. От своя страна големината на триконтактния елемент на Хол от подложка 1 е около два пъти по-малка от тази на магнитотранзистора.The minimum metrological error is achieved with low values of load collector resistors of the order of 4-5kΩ, not high-resistance resistors with a nominal value of 15-20kΩ, amplifying the chaotic and uncontrollable fluctuations of the output voltage of the sensor, as in the known solution. The increased spatial resolution is a consequence of the replacement of the Lorentz deflection with the highly efficient modulation of the emitter injection. The first mechanism requires a long base area for the effect of the Lorentz force F _L on the non-basic carriers, while the second conversion effect does not require a large base area. This leads to a significant reduction in the geometric dimensions of the magnetotransistor configuration. In turn, the size of the three-contact Hall element from pad 1 is about twice smaller than that of the magnetotransistor.

Новият полупроводников сензор се реализира на основата на силициевите технологии. За целта особено удачни са CMOS и BiCMOS процесите, които позволяват едновременното формиране върху обща силициева подложка на елемента на Хол и магнитотранзистора. Предвид неколкократно по-високата подвижност на електроните по отношение на дупките в Si, е необходимо активните преобразувателни области в елемента на Хол и транзистора да са с п-тип проводимост. Сензорът може да функционира в твърде широки температурни граници, включително в криогенна среда. Това допълнително повишава магниточувствителността, например, за целите на контратероризма, навигацията и слабополевата магнитометрия.The new semiconductor sensor is based on silicon technology. For this purpose, CMOS and BiCMOS processes are particularly suitable, which allow the simultaneous formation on a common silicon substrate of the Hall element and the magnetotransistor. Given the several times higher mobility of electrons with respect to the holes in Si, it is necessary that the active conversion regions in the Hall element and the transistor have a p-type conductivity. The sensor can operate in too wide temperature ranges, including in a cryogenic environment. This further increases magnetosensitivity, for example, for counterterrorism, navigation and low-field magnetometry purposes.

Claims

Patent claims

1. Magnetically sensitive semiconductor sensor comprising a semiconductor substrate with an impurity-type conductivity, on one side of which a central rectangular contact is formed, parallel to its long sides and symmetrically on them are arranged one rectangular collector and one end rectangular contact - first and second, there are two current sources - the first and second, as the collectors through load resistors, and the second current source are included in the opposite direction, the measured magnetic field is parallel to the long sides of the pad contacts, the collectors are the output of the sensor. that there is another semiconductor substrate (1) with impurity type of conductivity, on one side of which three rectangular ohmic contacts are formed in series and at equal distances from each other, parallel to their long sides - first (3), second (4) and third (5), the central contact (6) and the end contacts (9 and 10) of the pad (2) are respectively base and emitter - n (9) and a second (10), the first contact (3) of the pad (1) being cross-connected to the second emitter (10) of the pad (2) and the third contact (5) of the pad (1) being cross-connected with the first emitter (9), the second contact (4) of the substrate (1) through the first current source (11) is connected to the base contact (6) of the substrate (2) so that the two emitters (9 and 10) are included in straight direction, and the two collectors (7 and 8) are connected in the opposite direction to the base contact (6).