JPH0126182B2 - - Google Patents

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JPH0126182B2
JPH0126182B2 JP56050681A JP5068181A JPH0126182B2 JP H0126182 B2 JPH0126182 B2 JP H0126182B2 JP 56050681 A JP56050681 A JP 56050681A JP 5068181 A JP5068181 A JP 5068181A JP H0126182 B2 JPH0126182 B2 JP H0126182B2
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Watoson Bainaru Arubaato
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International Business Machines Corp
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Publication of JPH0126182B2 publication Critical patent/JPH0126182B2/ja
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/868—PIN diodes
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

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  • Bipolar Transistors (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に磁場感知装置に関し、さらに
具体的には磁気感知性のトランジスタもしくは半
導体構造に関する。
約100年の間、固体磁気センサ技法は基本的な
ホール効果もしくは非線形磁気抵抗型のセンサに
制限されていた。これ等の技法は共にこの分野で
かなり周知の基本的制限を有する。例えばホール
効果技術は半導体に適用される場合ですら感度に
おいて、略20マイクロボルト／ガウスに制限され
ている。磁気抵抗素子はホール効果装置よりも良
好な感度を示すが、一般に非線形であり、或る場
合は応答が単方向である事が特徴とされている。
これ等の技術は共にその比較的小さい出力信号を
有用な振幅に変換するための広帯域線形高利得増
幅器を必要とする。不幸にして、利用可能な信号
は熱もしくは機械的歪によつて導入されるランダ
ム雑音及び他の悪い効果を含む事なくしては有用
な範囲に増幅されない。この様な結果はこの様な
センサを特定の応用に使用する多くの試みを挫折
させた。
特願昭第54−81581号に示された如く、多くの
半導体磁気センサが存在する事が知られている
が、線形差動磁気抵抗センサを形成するためにア
バランシエもしくはインパクト・イオン化過程を
利用したものは知られていない。
周知の従来技法中の欠点に鑑み、本発明の目的
は安定な静止アバランシエ電圧点のまわりにアバ
ランシエ電圧を変化させるために磁場に応答する
改良されたクラスの磁気的に可変な制御アバラン
シエ電圧トランジスタを与える事にある。
本発明の他の目的は上述の如き特許出願明細書
に示される如きスナツプ・バツク電圧特性を示さ
ないアバランシエ・トランジスタ型の改良半導体
磁気センサ装置を与える事にある。
本明細書に提示された基本的半導体装置は上述
の特願昭第54−81581号に示された如き装置の改
良版である。本発明の改良センサは基本的にはア
バランシエ領域で動作する別の２重コレクタ横方
向双極性トランジスタである。トランジスタは上
述の特許出願の如きスナツプ・バツク効果のない
垂直なVI特性を提示する如く安定化される。ア
バランシエ領域中において動作する双極性トラン
ジスタに含まれる動作モードの詳細な研究はこの
領域におけるトランジスタの振舞に対する説明を
与える２つの同時に生じる機構を同定している。
２つの異なるコレクタ空間電荷抵抗機構が同定さ
れており、その１つは正の抵抗に導くものであ
り、他方は負の抵抗成分に導くものである。負性
抵抗成分はコレクタの前における空間電荷領域内
において適切なアバランシエ・キヤリアの減速が
生じ、過剰キヤリア再結合がその領域の外部で生
じる時に生じる。最適磁気センサの振舞は負抵抗
機構が空間電荷領域内の正抵抗機構によつて平衡
する時に達成される事が示されている。垂直VI
特性は安定な結果を生じる。これはアバランシエ
電圧VCEApにおいて生ずる。差動出力信号は降伏
電圧のまわりにVI特性を効果的に回転させる事
によつて入力磁場の結果として生ずるものであ
る。
本発明におけるこれらの装置の通常でない特性
は分離したエミツタ・コンタクト領域及び少数キ
ヤリアのためのインジエクタとして働く遠隔エミ
ツタ拡散領域より成る。これ等の領域は半導体材
料の本体と接触する抵抗領域によつて接続されて
いる。エミツタ及びインジエクタ間の距離はベー
ス材料中の過剰多数キヤリアの拡散長よりも長い
事が好ましい。エミツタからインジエクタへの拡
張領域は注意深く制御された内部抵抗を有する。
インジエクタの注入効果は抵抗領域の端に存在す
る。インジエクタは従つてエミツタから離れて位
置付けられ、コレクタに最も接近して位置付けら
れる。その注入効率はエミツタをインジエクタに
接続する拡張領域の制御抵抗によつて調節され
る。この方法によつて、装置の動的コレクタ・イ
ンピーダンスはアバランシエ・コレクタ電流と独
立して０値近くに保持される。この様な構造にお
いて、ミリボルト／ガウス単位で測定される磁気
感度は殆んど正確に基板の固有抵抗に比例する事
が知られている。出力信号は２重コレクタ間で測
定され、差動的なものである。装置は磁場入力に
線型に応答し、両極性の入力磁場に応答する点に
おいて双極性である。２／ガウス／メガヘルツな
る信号／雑音比が測定され、バンド幅は５メガヘ
ルツを十分越えて延びている。基本的周波数機構
は空乏及び漂遊容量及び遷移時間効果によつて制
限されるものと信じられている。これ等の効果の
予備的な検査は109Hzの能力を示唆している。
第１図及び第２図は夫々本発明の好ましい形の
平面図及び長手方向断面図である。上述の如く、
装置はアバランシエ領域で安定に動作する開放ベ
ース横方向双極性トランジスタである。装置の安
定性を達成し、高磁性出力を達成する際に、７つ
の基本的構造素子が使用される。
２つのコレクタ１はベース材料中互いにスリツ
トＳと呼ばれる狭い距離だけ互いに離れて図示さ
れている。スリツト幅Ｓは代表的には2.5ミクロ
ンである。コレクタ領域の高さ及び深さ（高さは
第１図の垂直方向において長手方向で測定され、
深さは第１図中において紙の平面の内外にある）
はコレクタ１領域の先端が略1.25ミクロンの曲率
の半径で互いに面する様に設計されている。
少数キヤリア・インジエクタ領域２がコレクタ
１及びエミツタ接続領域３間に配向されている。
インジエクタ領域２の深さは略２ミクロンで夫々
エミツタ及びコレクタ拡張部３及び１と深さ及び
添加濃度が類似している。
安定アバランシエ条件を保持するのに高度に重
要な特徴はエミツタ・コレクタ領域３がインジエ
クタ２に接続される点にある。このインジエクタ
からエミツタへの接続は制御された抵抗を有し、
領域３を領域２に接続し、基板材料９の表面内に
存在するコネクタ４として示されている。領域４
は比較的に浅く（代表的には１ミクロン）通常イ
オン・インプラントされ、次いでドライブ・イン
拡散加熱が行われその抵抗に対して正確な制御が
与えられる。
金属シールドもしくはキヤリア・アクセレレー
タがコレクタ１の部分、インジエクタ２及び抵抗
コネクタ４の上に存在するものとして示されてい
る。これはエミツタ・コンタクト３に接続され、
集積部分を形成している。この金属化領域は第１
図及び第２図中の番号５によつて同定されてい
る。この領域５は第１図において上述の素子の上
の位置に示されている。この事から第２図と関連
して金属層５は酸化物領域８によつて半導体基板
９の表面から絶縁されている事を理解されたい。
酸化物領域８はより薄い領域を除いて略6000オン
グストローム単位の厚さを有する。このより薄い
領域はインジエクタ２に面するコレクタ１の端面
近くの領域６上に重畳するものとして示されてい
る。この領域において、酸化物領域は略1000オン
グストローム厚さを有する。上述の特許出願に説
明された如く、この薄い酸化物の窓はなだれのイ
ンパクト・イオン化を促進するためにコレクタの
各々に面するベース−コレクタ接合の領域の電場
強度を増大する。金属電極即ちシールド５は大地
に接続され、コレクタ１は抵抗器RLを介して適
切な電圧に接続され、図中領域６として示された
如く酸化物層８が薄くなつている領域中に狭い電
場を形成する。
キヤリア輸送兼再結合領域７はインジエクタ２
の端面とコレクタ１から延びる空間電荷領域の接
近端間に横たわるものとして示されている。領域
７の長さは選択された基板材料の型に対して過剰
多数キヤリアの拡散長（代表的には正孔に対して
22ミクロン）に略等しくなる様に作成される。
通常のLSIの製造過程及び技法が図中に示され
た安定アバランシエ・トランジスタを製造するた
めに使用される。代表的には出発ケイ素ウエハは
（100）配向を有するＰ型ケイ素である。ウエハが
清浄にされた後、200ナノｍの酸化物層がマスキ
ングの目的で表面上に成長される。これはこの分
野で周知の高温流中に酸化過程を使用して成長さ
れる。標準ホト・レジスト材料が次いで適用さ
れ、露光及び食刻段階が適切なマスクを使用して
行われコレクタ・エミツタ及びインジエクタの３
つの別個の拡散部が望まれる領域が発生される。
装置の種々の領域の添加はイオン・インプラント
もしくは拡散によつて遂行される。通常のイオ
ン・インプランテーシヨンとこれに続く拡散のた
めの加熱段階が推賞される。エミツタ領域３、イ
ンジエクタ２及びコレクタ１の先端を除くコレク
タ１が第１及び第２図に示された好ましい実施例
では、先ずＮ＋添加領域を形成するためにリンを
拡散する事によつて形成された。その後、ドライ
ブ・イン及び酸化組合せ段階が流れとして遂行さ
れ、基板９上に700乃至800ナノメータの厚さの酸
化物層が形成され、領域が平等に拡散され、拡散
領域上に酸化物層が成長された。結果の拡散部分
の固有抵抗は略100オーム／□である。同一マス
キング及び食刻技法が抵抗性接続部４及びコレク
タ１の先端を発生するための使用される第２及び
第３の拡散領域を定義するために使用される。
適切なホト・レジスト及び露光段階が適切なマ
スクで行われた後、基板９の表面を再露出するた
めに食刻され、リンが接続抵抗器４として図示さ
れた領域において適切な深さにインプラントされ
る。これにドライブ・イン及び再酸化段階が続
く。他のレジスト及び露光段階とこれに続くコレ
クタ１の先端を露出するための食刻が続く。次い
でコレクタの先端がイオン・インプランテーシヨ
ン過程によつて画定される。この最終イオン・イ
ンプランテーシヨンの後に、イオンをドライブ・
インし最終拡散部分を形成する再酸化段階が遂行
され、次いで清浄な熱酸化物がイオン化プロモー
タ領域６上に所望の深さ（略1000オングストロー
ム）に再成長される。
最終的に、エミツタ・コンタクト及び２つのコ
レクタのためのコンタクト領域が食刻によつて開
けられる。従つて金属、代表的にはアルミニウム
が酸化物層８の表面上に蒸着され、エミツタ領域
３及びコレクタ領域１に互いにコンタクトを電気
的に絶縁する適切な形状をなしてコンタクトが形
成される。相互接続がウエハ上の他の装置になさ
れ、もしくはリードが結果のチツプに対する外部
接続のためにコンタクト領域に対して結合され得
る。
2000以上のこれ等の安定のアバランシエ・トラ
ンジスタの２重のコレクタ磁気センサ構造が製造
され検査された。検査された装置の多くは第３Ｃ
図に示された如き好ましい静的なボルト・アンペ
ア特性を有する様に形成された。代表的なＶ−Ｉ
特性が第３Ｃ図に示され、これは両コレクタ１が
互いに短絡され、エミツタ・コンタクト３が接地
された装置に接続されたカーブ・トレーサから得
られた。この好ましいＶ−Ｉ特性はアバランシエ
降服領域中で動作している際に略０の動的インピ
ーダンスを示した。装置が本明細書に説明された
抵抗性コネクタ領域４及びインジエクタ２を含む
様に適切に設計される時はこれ等の条件の下で安
定であり、負性抵抗もしくはスナツプ・バツク効
果を示さない。略1000オングストローム単位の厚
さのイオン化促進領域６を有する代表的な５オー
ムcmのＰ型基板に対し、アバランシエ降服電圧は
略28ボルトで生ずる。
第３Ａ図及び第３Ｂ図は代表的テスト装置から
得られた信号及び雑音測定のグラフである。第３
Ａ図に示された応答を誘起するために400sm
（120πτ）ガウスの印加磁場信号が使用された。
装置の時間変動出力は２つのコレクタ１間の差動
電圧として測定された。ガウス当り略３ミリボル
トの感度が５オームcmＰ型材料に対して代表的な
ものである。
本発明の代表的テスト装置に対して測定された
信号対雑音比は基板の固有抵抗が５オームcmとし
て略２／ガウス／メガヘルツである。１メガヘル
ツの帯域幅が標準化の目的のために使用され、促
進領域に薄い酸化物層を使用した装置の信号対雑
音比が観察された。雑音のこのスペクトル特性が
測定された。０ヘルツから35メガヘルツ迄の逆周
波数特性が観察された。高周波数成分はテスト固
定分子内の漂遊キヤパシタンスによつて制限され
るので、この雑音スペクトルの35メガヘルツ以上
は研究されなかつた。代表的装置の周波数応答が
同様に検査され、低レベルのパルス磁場に対する
応答が測定された。0.65cmの直径のフエライト・
コア上に巻かれた30回コイルが200ナノ秒の立上
り時間の500ミリアンペア電流パルスによつて付
勢された。測定されたすべての装置は駆動入力源
の電流パルス特性を再生する。この結果は装置が
このテストによつて判明した如く５メガヘルツを
過ぎて著しい周波数能力を有する事を示唆してい
る。
上述の如く、正及び負の空間電荷抵抗現象はこ
の装置で作用しているものとして発見された。安
定なアバランシエ動作にとつては、正及び負の空
間電荷抵抗特性は互いに平衡し、第３Ｃ図に示さ
れた如き垂直VI特性を保持する如く補償される
事が最も望ましく必要である事が発見された。
正の空間電荷抵抗機構の性質を調べるためには
第５Ｂ図に断面で示された横方向P+PN+構造を
考慮する。この簡単な例においてエミツタ３はＰ
型基板材料内に拡散されたP+領域に形成される
オーミツク・コンタクトより成る。この構造のア
バランシエ部分は第５Ａ図中の曲線ｂによつて図
示された如き特性の正のスロープを示す。このダ
イオード構造からは磁気的応答は観察されなかつ
た。これは本発明のアバランシエ・トランジスタ
ではなく、正の空間電荷抵抗現象を論議するため
の説明に使用されるものである。第５Ｃ図は第５
Ｂ図のベースからコレクタ接合における統計学的
境界のまわりに一般に生ずる電荷分布を示す。第
５Ｄ図は構造体のこの型の空間電荷領域特性内で
生ずる電場を示す。
エミツタ及びコレクタ間に一度適切な電圧レベ
ルが印加されると、インパクト・イオン化による
過剰正孔が形成される。これ等の余分の正孔は
qΔpの電荷密度を有し、正孔は空間電荷領域を横
切り、第５Ｄ図に曲線ａとして図示された三角形
の輪郭の電場の成分プロツトを示す。この電場の
成分は基板材料中のイオン化アクセプタ原子によ
つて発生された電場の成分から差引される。この
結果として、空間電荷領域の長さＷはベース及び
コレクタ間のPN接合における電場がイオン化電
場の強さを保持される如く曲線ａの下の面積に比
例して成長する。長さＷの成長はΔWとして与え
られ、第５Ａ図中の曲線ｂによつて示された如き
装置のVI特性中の正の勾配を与える空間電荷領
域の成長を説明している。この構造に対する等価
空間電荷抵抗RSC及び空乏層長の成長ΔWは次の
式によつて与えられる。
RSC＝（Wp−Za）2／2AAεSVS （1A） Ｗ＝Wp（ΔP／NA−ΔP） （1B） ここで Na＝基板材料のアクセプタ濃度 Wp＝イオン化の閾値における空間電荷領域の
長さ Za＝エミツタ３の方向におけるコレクタ１の面
前における横方向に測られるアバランシエ領域の
長さ VS＝飽和キヤリア速度 εS＝ケイ素のための誘電定数 AA＝ベース−コレクタ接合の面におけるアバ
ランシエ領域の断面積 ΔP＝イオン化によつて発生される多数キヤリ
アの濃度 アバランシエ間隔Zaが以下式(2)によつて与えら
れる空間電荷領域の長さWpよりもはるかに短い
ものと仮定すると、空乏幅Ｗは次の如く与えられ
る。
Wp＝〔2εS／ｑ（ψp−Ｖ）NAND／NAND〕１／２ (2) Wpに対する式を式（1A）に代入すると次式が
得られる。
RSC＝VCEAp／qNAAAVS (3) 上述の式(3)から、実効正の空間電荷抵抗は初期
降服電圧に正比例し、とりわけＰ型基板領域中に
現われるアクセプタ濃度及びアバランシエ面積
AAに反比例する事は明らかである。電圧VCEApは
アバランシエされたコレクタ−エミツタ・アバラ
ンシエ電圧である。
負の空間電荷抵抗効果が同様に存在する。第５
Ｂ図に示された如きP+PN+構造に対しては静的
負性抵抗特性は測定され得ないが、この現象はこ
れにもかかわらず特性を示す。第５Ｂ図に示され
た如き構成に対して静的負性抵抗特性が測定され
得ない理由はP+領域が実質上すべての過剰少数
キヤリアを第１図に示された如き誘送兼再結合領
域７に逃さしめるからである。この領域は第５Ｂ
図中の領域Ｌ−Ｗによつて示される。この結果大
部分の再結合は過剰正孔がコレクタの空間電荷領
域から出る時に過剰正孔との間に生ずる。これ等
の状況の下では空間電荷領域の終端においてはほ
とんど過剰キヤリア累積は生じ得ない。ここで生
ずる再結合過程は電流の連続性を支持する主因子
を構成する。
以下説明される異なる状況の下では、多数キヤ
リアの減速は空乏層内で生じ得る。この事はアバ
ランシエ電流密度の連続性を保持するために対応
するキヤリア密度の増大を必要とする。この型の
電荷累積は第６Ｂ図に示されており、第６Ｃ図の
図によつて示された如き空乏層の終端における電
場成分を生ずる。この電場成分はイオン化アクセ
プタによる空間電場成分の部分と反対である。し
かしながら、コレクタ−ベースPN接合におい
て、この累積電場成分の値は小さく、イオン化を
支持するためにここに必要とされる電場に対して
ほとんど効果を有さない。
コレクタ空乏領域の終端における過剰キヤリア
密度の増大は再結合機構領域がコレクタに対する
よりもエミツタにより近くシフトする結果として
生ずる。この条件は第５Ｂ図のP+領域がN+領域
によつて置換され、従つてPN接合が構造体のエ
ミツタ端において、PN接合を形成するならば創
生される。この構造はこれ等の論議のベースに対
して第６Ａ図中に示された如く横方向トランジス
タが形成される。
第６Ａ図中において、実験的装置中において使
用される輸送兼再結合領域Ｌ−Ｗの長さは過剰多
数キヤリア拡散長に略等しく使用される。第６Ａ
図に示されるトランジスタ構造体の双極性は貧弱
である事が示される。ここで貧弱とはアバランシ
エ電位以下で動作される時に１以下である双極性
利得βとして定義される。
第６Ｂ図乃至第６Ｄ図は第６Ａ図に示された横
方向性トランジスタ構造体において生ずる事象を
示す。第６Ｂ図はアバランシエを形成するキヤリ
アが空間電荷領域内で減速される時の多数キヤリ
ア累積を示す。累積が生ずる空間電荷領域の終端
においてインクレメンタルな距離は拡散長Ldと
比較して全く短い。ピークの密度集積点を越える
コレクタからの或る距離において、多数キヤリア
は注入された過剰少数キヤリアと再結合する。こ
の接合を順方向にバイアスするためにはエミツタ
接合に隣接して有限の多数キヤリア密度（Ｐ型材
料に対する正孔）が必要とされる。
第６Ｃ図は飽和速度で移動する多数キヤリア
（曲線ａ）及び領域の終りにおいて累積された多
数キヤリア（曲線ｂ）によるコレクタ空間電荷領
域内の電場成分を示す。曲線ａ中の電場成分によ
る空乏領域の長さの増大ΔWは第５Ｂ図及び第５
Ｄ図を参照して既に論議されたものである。第６
Ｃ図の電場成分Ｅはコレクタ・ベースPN接合に
おいて全く小さく、イオン化を支持するためPN
接合において必要とされる電場をほとんど修正し
ない。しかしながら、第６Ｃ図において曲線ｂの
下に含まれる面積A3は代表的に面積A2より大き
く、イオン化を支持するのに必要とされる正味の
コレクタ電位が与えられた電流において初期破壊
電圧VCEApよりも少ない様に面積和A1＋A2から減
算される。この負性抵抗効果は第６Ｄ図に示され
ている。第６Ｄ図の実線Ｃは空間電荷領域内のす
べての電場成分の正味の効果を示す。
エミツタ注入効率が変化する時にコレクタ空間
電荷領域に終端において再結合率において増加が
生ずる。この効率は第６Ｄ図において電流の増加
と共にVI曲線Ｃの勾配が変化するものとして示
されている。注入効率はエミツタ及び基板（ベー
ス）間に接続される抵抗器の値を調節する任意の
電流レベルにおいて装置の外部から制御されてい
る。しかしながらすべての電流に対して垂直VI
特性を生ずる様な抵抗シヤントの単一値は存在し
ない。非線形注入効果は望ましくなく、本発明に
おいては第１図及び第２図に示された周知の制御
される内部抵抗の抵抗領域によつてエミツタ・コ
ンタクトに結合されるベース領域中の別個のイン
ジエクタ領域を使用する事によつて最小にされ
る。制御されるインジエクタ抵抗の目的は２重に
存在する。
先ずインジエクタ−エミツタ・コネクタはコレ
クタ電流の広い範囲にわたつて積Ｍ・αを線形に
増大させるために領域４に制御された抵抗を有す
る。第２に領域４中の抵抗の大きさを調節する事
はコレクタ空間電荷領域の端から過剰なキヤリア
再結合領域をシフトする手段を与える。このシフ
トはキヤリア減速効果の使用を可能とし、第６Ｄ
図の曲線Ｄによつて適切に示された正味の垂直
VIアバランシエ特性を得るのに必要とされる所
望の負のコレクタ抵抗を達成する事が可能とされ
た。
この様にしてエミツタとインジエクタを接続す
る抵抗を調節する事によつて装置はかなりの電流
範囲にわたつて垂直VI特性を有する安定なアバ
ランシエ・トランジスタを形成する様に補償され
得る。第２図に示された如き横方向トランジスタ
構成を補償するのに必要とされる抵抗は基板の固
有抵抗及び輸送兼再結合領域の長さＬ−Ｗの関数
として変化する。第１図及び第２図に示された如
き領域Ｐに対するこの制御抵抗は広範囲の基板固
有抵抗及び装置に対して実験的に測定された。結
果は第７図中のチヤートもしくは曲線として与え
られているが、ここでエミツタ及びインダクタ間
の接続部４の抵抗はドリフト長を略２×10-3cmと
してＰ型基板固有抵抗の関数として横方向NPN
構成を補償する目的のために測定された。
第７図において示された如く、第１図及び第２
図中に示された領域４において必要とされる補償
抵抗は基板固有抵抗と共に増加する。
空間電荷領域の終端に生ずる上述の多数キヤリ
ア減速及び累積機構は負性抵抗効果を生ずる。電
場の関数の多数キヤリア速度プロフイルの振舞は
負性空間電荷抵抗特性の効果を決定する際に顕著
な役割を果す。第１３Ａ図はケイ素内の正孔及び
電子並びにヒ化ガリウム内の電子に対するキヤリ
ア速度対電場強度の代表的な図である。ケイ素中
の正孔の飽和速度を保持するのに必要とされる電
場はケイ素もしくはヒ化ガリウム内の電子に対す
る飽和速度電場と比較して極めて高い。この結
果、正孔減速はコレクタ・ベースPN接合に相対
的に近い距離において空間電荷領域内で開始す
る。第１３Ｂ図中の面積A3aは電場成分がケイ素
中の正孔は減速される事によるものである。これ
と対比して、ケイ素内の電子の減速効果による電
場A3bは著しく小さい。なんとなれば減速は空間
電荷領域の端にはるかにより近く生ずるからであ
る。さらに対比すると、ヒ化ガリウム内の電子は
この材料の直接バンド・ギヤツプ性質の結果とし
て空間電荷領域内の実質的距離に対して実際に加
速される。ヒ化ガリウム内の電子の減速は空間電
荷領域の終りに極めて近く生じ、この結果、任意
の著しい減速電場効果を生ずる事なく、輸送兼再
結合領域に導入され得る。
第１図及び第２図に示された型のNPN2重コレ
クタの磁気感度はケイ素PNP装置より少なく共
１桁大きい事が実験的に発見された。NPN構成
に対して検べられた物理的パラメータの範囲を使
用した横方向PNP構成中には発見されなかつた。
結果はケイ素中の電子キヤリアの減速磁場効果は
式(1)中の正の空間電荷抵抗を全面的に克服する事
は出来ない事を暗示している。実験的結果はケイ
素中の正孔対電子の減速プロフイールを比較する
事によつてなされる予測と一致する。
本発明の実施例の２重のコレクタ構造の論議に
戻り２重コレクタ・ベース接合の近傍中において
生ずる事象に解析の焦点が与えられる。
第８Ｃ図及び第８Ｄ図は上記の単一のPN接合
の解析に関連して説明された代表的状態を図示し
ている。しかしながら、本発明の２つのコレクタ
領域が互いに近接する場合を示している。この事
について以下説明する。
第１図を簡単に参照するに、インジエクタ２の
電位Vjは個々のインジエクタからコレクタ電流
の和及び領域４中の基板中において形成されたエ
ミツタからインジエクタへの接続部の抵抗Reに
比例する。この結果は次の式(4)によつて与えられ
る。
Vj＝Ｋ（IC1＋IC2）Re (4) 互いに接近した間隔を有する２重コレクタの特
異な構造は別個のインジエクタ２並びにエミツ
タ・コンタクト３及びインジエクタ２間の制御さ
れた抵抗接続体と組合わされて一定のエミツタ注
入を保持している。この注入は誘起される差動電
流とは独立して保持される。インジエクタからエ
ミツタ接続抵抗Reは２重コレクタ構成を補償す
るのに必要とされ、単一のコレクタ装置に対して
必要とされている値に対し同一値であり、２つの
コレクタと同一の総アバランシエ面積を禁止して
いる。
従つて第８Ａ図に示された如き構造を補償する
ために適切な値は基板固体抵抗の関数として第７
図にプロツトされたものと同一である。続く論議
では適切な装置補償、即ち垂直VI特性に対して
選択され、第８Ｂ図中に与えられた中央のVI曲
線が静的Ｏ磁場状態に対応している。
キヤリア減速フイールドによる対応電場成分が
第８Ｃ図及び第８Ｄ図に斜めのハツチで示されて
いる。もし磁場が各コレクタ・ベース接合におけ
るイオン化材料に導入され、方向が半導体表面に
垂直であるならば、ローレンツ力がイオン化領域
の深さを横切るキヤリアに作用する。この作用は
各コレクタにおいてイオン化領域中のシフトを生
ずる。
単位磁場当りのローレンツ力はこの領域中のキ
ヤリアが最大の許容可能な平均速度もしくはこれ
に近い速度で移動するので最大である。これは代
表的には毎秒略107cmの散乱制限飽和速度である。
半導体の表面に垂直に配向されたもしくは第８Ａ
図の半導体表面から上方に向う磁場Ｂの場合に
は、ローレンツ力は第８Ａ図の左方のコレクタの
イオン化領域を増大し、右方コレクタのイオン領
域を減少する。従つて左方のコレクタの電位面積
A1が増大し、他方右方のコレクタの対応する電
位面積A2が減少する。インジエクタ電位が一定
ならば、左方のコレクタの電位は接地に関して減
少し、他方右方コレクタの電位が増大する。もし
磁場の極性が反転されると、丁度説明されたもの
と反対の状況がこれ等の領域内で生ずる。従つて
以下詳細に説明される如く、ベース・コレクタ接
合領域において生ずるアバランシエ領域の磁気的
変調は本発明の型の装置に対する基本的磁気的変
換機構である。これ等の事については一般的観察
の後に第９図を参照してさらに説明される。最終
的分析において各コレクタにおける変調イオン化
領域は線型及び差動磁気抵抗効果が生ずる。
コレクタ１間で形成される電位差は第１図に示
されたスリツトＳの近傍において電場を生ずる。
生ずるスリツト電場の極性は磁場中のローレンツ
力を増幅する。スリツトＳの幅はこれ等の理由に
よつて磁気感度に影響を与える。与えられた印加
磁場に対して、出力信号はスリツト幅の減少に伴
なつて増大する。スリツト幅に対する出力信号に
対する依存性はこの型の種々の装置に対して実験
的に測定され、決定された。一般的スリツト磁場
出力信号利得は第４図に示されている。第４図に
おいて、スリツト電場対スリツト幅（ミクロン）
のプロツトは装置の出力に対するスリツト幅の効
果を調べる様にもくろまれた一連の実験から得ら
れた。
磁気変換機構 以下の解析が２重コレクタ・アバランシエ・ト
ランジスタ磁気センサに対する基本的磁気変換機
構を決定するために与えられた。特に種々のクリ
テイカルな装置パラメータに対して印加磁場の振
幅で差動磁場応答信号電圧を定義する式が発生さ
れた。
第８Ａ図はベースとインジエクタ２（第８Ａ図
には図示されていない）に面するコレクタ拡散領
域間のコレクタ−ベース接合にまたがるコレクタ
拡散領域１の断面図である。
面積A1及びA2はインパクト・イオン化が生ず
る様に強制される領域を示す。これ等の領域はコ
レクタ拡散領域とベース領域間のストカステイツ
ク境界にある。イオン化がコレクタの前の領域へ
進行する長さはＺ軸及びZaとして定義される。
材料のイオン化体積内のＡの方向電場のエネル
ギ定着Weaは次の如く与えられる。
Wea＝１／2εSEz 2（ｘ、ｙ、ｚ） (5) ここでEz（ｘ、ｙ、ｚ）はイオン化体積内での
ｚ方向電場である。インパクト・イオン化が生ず
る体積内で発生される総エネルギは式(5)の体積積
分を取る事によつて得る。これは以下の式(6)とし
て示されている。
WeA＝１／2εS∫y p o∫y p・∫z p aEz 2（ｘ、ｙ、ｚ）
dxdydz (6) イオン化間隔に対する長さZaは100オングスト
ローム単位の程度であり、ベース領域内の空乏層
の長さＷよりもはるかに小さい。この環境が与え
られたとして、式(6)中の体積積分は次の式(7)に示
された如く簡単化される。
WeA＝１／2εSZa∫x p o∫y p oEz 2（ｘ、ｙ）dxdy (7) 一般に、Ｚ方向電場は薄い酸化物領域６中の金
属化部分５及びコレクタ拡散領域間に保持される
イオン化プロモータ磁場によつて形成されるＹ方
向電場の関数である。これは薄い酸化物領域６の
幅Wp内のＸ方向の関数ではない。
材料のイオン化体積への磁気成分Ｂの導入はキ
ヤリアの速度とイオン化領域を横切るキヤリアの
ための磁気ベクトルのベクトル積によつて与えら
れる方向とローレンツ力を形成する。例えば、も
し磁場が第８Ａ図に示されたＹ座標に平行に導入
されると、Ｘ方向のローレンツ力が実現される。
もし磁場が第８Ａ図中においてＸ方向に平行なら
ばＹ方向のローレンツ力が実現される。これ等の
両実施例において、キヤリア速度及び電流はＺ座
標と平行であるものと仮定される。磁気変換機能
はイオン化領域内の適切な発生力成分をイオン化
領域内の総ローレンツ抑制力成分に等しくする事
によつて決定される。抑制力が存在しなければな
らない事は明らかであり、さもないとキヤリアが
Ｘ方向に無限に移動する。従つて存在しなければ
ならないＸ及びＹ方向の力成分は磁場がない場合
においてコレクタの面に生ずるインパクト・イオ
ン化領域のＸ及びＹ方向に夫々対応するXp及び
Yp条件に関連して式(7)を徴分して得る。これ等
のものは以下の式(8)及び(9)によつて与えられる。
FX＝dWeA／dXp＝１／2εSZa∫y p oEz 2（Xp、ｙ）dy (8) FY＝dWeA／dYp＝１／2εSZa∫x p oEz 2（Ｘ、yp）dx (9) Ｙ方向磁場に対する装置の感度について次に考
察される。先ずイオン化条件を生ずるＺ方向電場
に対する式を得る事が必要である。イオン化電場
を形成する２つの主電場成分が存在する。１つの
電場成分はベース及びコレクタ間のPN接合によ
つて発生されるものである。第２の電場成分はコ
レクタ拡散領域１と薄い酸化物領域６にまたがる
接地された重畳加速電極５間の電位差によるコレ
クタ接合の電場である。総電場はこれ等の２つの
電場の和によつて発生され、以下の式(10)によつて
与えられる。
εZ（ｘ、ｙ、ｚ）＝εZj（ｘ、ｙ、ｚ）＋εzpx（ｘ、
ｙ、
ｚ） (10) 接合磁場Ezjは次の如く与えられている。
Ezj＝2q／εxVCEANA（１−Ｚ／Ｗ） (11) 式(11)はNDがNAよりもはるかに大きく、Ｚがｏ
及びＷによつて囲まれた範囲内に存在する場合に
成立つ。ここでＷはベース材料内の空乏領域の長
さである。
イオン化間隔Zaの長さはベース領域中の空乏領
域Ｗよりはるかに小さいので式(11)は次の様に簡単
化される。
Ezj＝2q／εSVCEANA (12) コレクタ・ベース接合における薄い酸化物電場
は次の如く分析され得る。これは複雑な機能であ
る。正確な解は知られていないが空間電荷領域を
通して過剰多数キヤリアを輸送させる効果を含む
べきである。第８Ａ図の薄い酸化物の範囲Wp内
のＺ方向磁場は高々Ｙの関数である。この薄い酸
化物電場成分は次の式によつて表わされる。
Ezpx（ｙ）＝VCEAｆ（ｙ／tox）／KTpx （13） ここでＫ＝εSi／εSiO2３ （14） である。
２つの電場成分の和は問題にしているアバラン
シエ領域中においてイオン化に導く総電場を表わ
す。これは次の如く与えられる。
式（15）から薄い酸化物領域６の範囲Wp内の
Ｚ方向電場は形状を一定とし、酸化物の厚さを一
定として高々Ｙの関数である事は明らかである。
式(8)を再び考察するに、Ｘ方向抑制力は次の如
くになる。
第２及び第３の項に対する貢献は分析を簡単化
するためにここでは考察から除かれているので第
１項のみについて考察する。
同様に解は破壊電圧VCEAがVCEA＝Ｙ／YpVCEAp
の如く、アバランシエ領域の深さの関数であるも
のと仮定される。この仮定の依存性は条件から証
明され得る。
dVCEA／dB＝VCEA／Ｙ（dy／dB） 薄い酸化物層６の厚さが略1000オングストロー
ム単位以上であり、ベース材料の固有抵抗は５オ
ームcm以下であるとすると式（16）の第２及び第
３項の貢献は最小の重要性の２次的効果を導入す
るだけである。
従つて式（16）中の第１項のみを考察するに、
Ｘ方向中のイオン化力は次の如くなる。
FXqVCEANAYZa／２ （17） イオン化体積に作用するローレンツ力は同様に
第１原理から誘導され得る。
電流Ｉを流す導体の簡単な状況が第８Ｅ図中に
示されている。第８Ｅ図において、差分ローレン
ツ力は式（17）によつて与えられている。
dF＝IdＺ→×Ｂ （18） 第８Ｅ図に示された導体が長さZaのアバランシ
エ体積中を流れる電流に類比していると考える事
が出来る。
長さZaのイオン化体積内において指向される総
Ｘ方向ローレンツ力は次の如く与えられている。
FLX＝∫Z p aIazBydZ＝IazByZa （19） 式（19）は一意的に簡単である。ローレンツ力
の総磁気成分は総アバランシエ電流Iazによつて
特定される。電子及びホールのイオン化率に依存
してエクスポーネンシヤル電場によつて形成され
るイオン化領域中を流れる不均一な電流密度の詳
細を知る事は必要ではない。
イオン化領域に作用する差動力は磁気的平衡に
貢献する。このバランス条件は式（19）を式
（17）の全徴分と等しくする事によつて得られる
式（17）の全徴分は次の如く与えられる。
dFx＝∂Fx／∂VCEAdVCEA＋∂Fx／∂Ya＋∂Fx／∂ZadZ
a（20） 偏徴分を計算し、同類項を簡約すると、 dFx＝ｑNAYpZadVCEA／２ 〔１＋VCEA／Yp dYp／dVCEA＋VCEA／Za dZa／dVCEA
〕（21） 次の差分式は（21）を満足して最後の２項は互
いに消去される。
dYp／dBy＝Yp／Za dZa／dBy （22） 式（22）から寸法Yp及びZaは共に適切に配向
された磁場によつて変調される事が明らかであろ
う。この結果からイオン化の深さYpの変調は優
れたトランスジユーサ機構である事は明らかであ
る。
式（21）は式（22）によつて次の様に簡約され
る。
dFx＝qNAYpZddVCEA （23） 式（23）を式（19）に等しくおく事によつて電
位平衡条件が表わされる。
qNaYpZadVCEA＝±２ IazByZa （24） dVCEAに対して式（24）を解く事は ΔVCEA＝±２1azBy／qNAYp （25） 式（25）は各コレクタに現われる差動電圧を説
明する。装置は通常は差動モードにおいて通常動
作する。第１０図をコレクタ間を測定する差動出
力電圧Ddifのための式は式（25）に２なる因数を
掛ける事によつて得られる。
Ddif＝±４1azBy／qNAYp （26） 式（26）から因子By／qNAYpはオームの次元
を有する事は明らかである。この因子は正もしく
は負の抵抗を表わすが、差動磁歪効果を表わす。
第１０図の補償構成の単一の垂直Ｖ−Ｉ特性に
基づいて、各コレクタの電位は次の如く説明され
ている。
VCEA＝VCEAp±２1azBy／qNAYp （27） 式（16）に関連して示された簡単化された仮定
を与えられた、式（26）から出力信号はByに関
して線形であるが、イオン化領域の長さZaに無関
係であり、アバランシエ・コレクタ電圧VCEApに
独立している事は明らかである。応答信号はベー
ス領域中のアクセプタ濃度Naに反比例し、イオ
ン化領域の定常状態の深さYpに反比例する。ア
クセプタ濃度に対するこの依存性は実験的に観察
され、第１２図に示されている。同様に高感度は
Ypを小さく、Xpを比較的大きくする事によつて
達成されている。この寸法の規準は第８Ａ図に示
されている薄い酸化物のイオン化プロモータ領域
を使用する事によつて達成される。
イオン化領域の静的深さYpは次の如く式（24）
から評価される。
Ｂ＝10-8ウエバ／cm2／ガウス Ｉ＝４×10-3アンプ Ｑ＝1.6×10-9クーロン Na＝2.5×1015cm-3（５オーム-cm） Vdif＝５×10-3ボルト／ガウスとして Yp＝８×10-5cmが得られる。
コレクタ拡散部分の深さが8000Å乃至30000Å
の範囲内で実験的に変化された。装置の感度はこ
の範囲にわたつて実質的に一定である。この結果
はイオン化領域の静止深さが8000Å以下であり、
従つて8000Åの推定値は全く適度なものである。
ローレンツ抑制力に対する総式は電場項を含ま
なければならず、次の関数形で単一粒子に対して
通常書表わされる。
Ｆ１＝ｑ〔＋×〕 イオン化領域を移動するＺ方向キヤリアのすべ
てを考えると、 F1x＝Frxo＋Fmx （28） 式（19）に基づいてこの式を書換えると、 F1x＝Frxo±IazByZa （29） 項Frxoはイオン化領域に基づいて静的ローレ
ンツ力抑制力である。
式（17）を全ローレンツ抑制力（29）に等しく
すると、 １／2qVCEANAYpZa＝Frxo±ByZaIaz （30） アバランシエ領域の磁気変換 この新しい装置内で動作する磁気変換機構は極
めて高い変換効率及び広い帯域能力と組合されて
極めて小さな感度の領域を有する差動的磁気セン
サの製造を可能とする。
次の分析はこの基本的磁気変換機構は適切な配
向磁場によつて変調アバランシエ領域に対応する
という概念を支持する。
イオン化深さＹに対する式は式（30）からYp
に対して解く事によつて式（30）に対して近似さ
れ得る。
Yp＝Ｙ±2ByIaz／qVCEApNa （31） 式（31）に両側からＹを減算する事によつて次
式が得られる。
Yp−Ｙ＝±ByIaz／qVCEApNa （32） 上述の同一の条件に対する式（32）の評価はＹ
方向におけるＹ次元における小偏向が生じ、代表
的には0.33A／ガウスであり、VCEApは30ボルトで
ある。式（32）から偏向の量が電流及び磁場の積
に比例し、降服電圧VCEAp及びベース領域のアク
セプタ濃度Naに反比例する。式（32）から計算
されるガウス当りの偏向距離はホール効果装置は
他の非アバランシエ固体センサ内ローレンツ・キ
ヤリア偏向の代表的なものである。しかしなが
ら、新しい装置のイオン化領域の静的深さYpは
代表的には小さなホール効果装置のチヤンネル寸
法の103分の１程度小さい。合理的及び代表的磁
場値に対して、アバランシエ装置の変換効率は他
のセンサ技術に対して高い。各コレクタにおいて
生ずる変換効率に対する式は式（32）をイオン化
領域の静的深さYpによつて割算する。
変換効率TE＝（Ｙ−Yp）／Yp TE＝2IazBy／qVCEApNAYp （33） 式（33）はさらに式（26）において簡単化され
る。
TE＝Vdif／2VCEAp （34） 例えば、10％の変換効率はVdif＝±数ボルトと
して各コレクタに生じ得る。この差分信号は略±
2000ガウスの磁場強度に対して装置に対して受取
られる。差動変換効率は式（34）によつて計算さ
れたのと２倍の値を有する。出力信号はＹ方向磁
場に応答して線形であり、イオン化領域の深さ
ZAと独立しており、アバランシエ・コレクタ降
服電圧自身VCEAと独立している事は明らかであ
る。応答信号はベース領域内のアクセプタ濃度に
反比例している。この依存性は実験的に観察さ
れ、第１０図に明確に示されている。
高い感度はコレクタ・ベース接合においてアバ
ランシエ領域のＹ方向の初期深さを小さくし、Ｘ
成分を比較的大きくする事によつて達成される事
が明らかである。即ちコレクタ・ベース接合にお
けるコレクタの面を比較的大きくする事によつて
達成される事は明らかである。即ちコレクタ・ベ
ース接合におけるコレクタの面において比較的広
い薄いアバランシエ領域が望まれる。
これは上層電極５と共に第８Ａ図及び他の図に
示されたイオン化促進、プロモータ領域を形成す
る薄い酸化物層６の使用によつて達成され得る。
式（26）はＢ＝10-8ウエバ／cm2／ガウス、Ｉ＝
４×10-3アンプ、ｑ＝1.6×10-19クーロン、NA＝
2.5×1015／cm3（５オームcm基板材料に対して）
Yp＝８×10-5cm（略8000Åユニツト）が与えら
れたとして次の如く評価され得る。これにより出
力電圧計算器は５×10-3ボルト／１ガウスを示
す。
この予測感度は極端に５オームＰ型基板から形
成された代表的な装置から測定されるものと極め
て一致する。
発見された本発明の新しい変換機構は極めて感
激的なものである。これは極めて小さい感知領
域、極めて高い変換効率及び広い帯域幅を有す
る、磁気センサの構成を可能とするばかりでな
く、これ等の装置の基本的変換機構は適切に配向
された磁場によつてアバランシエ領域の変調の１
つに対応する事を示す事は明らかである。
上記の如く、これ等の新しいアバランシエ・ト
ランジスタ構造として特徴付けられる装置内で作
動する磁気変換機構は磁場によつてコレクタ・ベ
ース接合におけるイオン化領域を変調する事の１
つである。アバランシエ領域の深さは代表的な
100オングストローム単位及び従つて感知器の少
なく共１つの寸法は極めて小さい。イオン化領域
の他の寸法は代表的には広がりが２ミクロン以下
であり、これを単軸指向性の磁場成分のみに敏感
にする様に装置を制御するのに結合して使用され
得る。
第８Ｂ図を参照するに、２つの同一の負荷線は
重畳され、−１／RLの勾配を有する。これ等の負
荷線の代表的な感知器のＶ−Ｉ特性との交点はこ
れ等のコレクタの出力端末電圧を決定する。従つ
てこれは磁場によつてアバランシエ電圧を変調さ
せる効果を反映している。変換機構の分析に基づ
いて、磁気感度はアクセプタ濃度に反比例的に依
存し、換言すればベース材料固有抵抗レベルに比
例して増大する。
上述の考察は実験的に立証され、第１０図は異
なる固有抵抗を有するウエハに基づいて本発明に
従つて構成される装置から測定されたピークの差
動信号出力電圧のプロツトである。各装置は
400sin（120πτ）ガウスの同一の正弦入力磁気テス
ト磁場を受ける。与えられたデータから感度は予
測された如くアクセプタ濃度と反比例して変化す
ることは明らかである。最大の差動信号（ミリボ
ルト／ガウス）は基板固有抵抗とは独立に変化す
る。例えば、２オームcm基板の固有抵抗装置では
夫々略２ミリボルト／ガウス及び0.1ミリボル
ト／ガウスが夫々生ずる。これの線型の関係は高
い基板固有抵抗に対しては破壊する。式（16）に
おいて無視された項は５オームcm以上の基板固有
抵抗に対しては有意性をもつ。これ等の項の寄与
及び効果は複雑であり、以下論議されない。
検査される各装置はこの様な装置の特性である
信号飽和性を有する。飽和効果はコレクタ電流の
関数として差動磁気信号振幅及び雑音成分がプロ
ツトされた第１１Ａ図に示されている。第１１Ａ
図において示されたデータに対するテスト条件は
次の通りである。
基板は５オームcmＰ型ケイ素であり（100）の
配向を有する。スリツト幅Ｓはコレクタ間で2.5
ミクロンであり、テスト入力磁場は400sin
（120πτ）ガウスである。
コレクタ電流を有する磁気信号の増大は有４ミ
リアンペアで飽和する事が示されている。飽和効
果は0.1オームcmから略10オームcmの基板固有抵
抗に対して0.1オームcmから調べられた範囲に対
して基板固有抵抗と独立している事が発見されて
いる。しかしながら、飽和が生ずるコレクタ電流
は基板固有抵抗と反比例して増大する。データは
アクセプタ濃度NAの略30％の最大キヤリア密度
ΔPはコレクタの光端の近傍におけるアバランシ
エ過程によつて形成され得る事が提示されてい
る。これに対応して、接合から延出する事が予測
される空間電場領域の長さはその閾値の約145％
だけ成長する。これは信号の飽和によつて示され
る値を越えるコレクタ電流を必要とし、イオン化
領域を拡げしめる。この結果、この作用はイオン
化の深さYpを或る臨界電流値の上の電流によつ
て直接成長せしめる。この電流の飽和性は線形磁
気信号の振舞と混乱してはならない。磁気的信号
線型性は装置の飽和領域中において動作し得ると
いう事実にもかかわらず第１１Ｂ図に示された如
く一般化される。装置を理解する目的のために、
２重コレクタ装置に対する等価DC電子回路が第
１２図に示されている。コレクタ−コレクタ・イ
オン化抵抗RDDは代表的には600オームである。
これは２つのコレクタを１つの外部抵抗器の分路
（シヤント）にする事によつて測定される。内部
抵抗は外部抵抗がシヤントされていない応答信号
の50％が得られる迄調節される時に得られる。
このクラスの装置から得られる立証された結果
はかなりの範囲にわたつて特徴のある垂直ボル
ト・アンペア曲線を保持する補償アバランシエ・
トランジスタ機構を必要とする。この基本的ボル
ト・アンペア特性は代表的な開放ベース相互接合
アバランシエ装置であり、次の１次元相互作用接
合の解析によつて説明され得る。
Ｉ＝MIcp／１−αM＋Icp／１−α （35） ここで Ｍ＝mAA Ｍ・α＝１−（VCEA／VCBp）Ｎ （36） VCEA＝VCEAp＋RX＋Rsc）Ｉ （37） RX＝−（Ｍ・α）VCEAp／Ｎ（１＋Ｍ・α）Ic （38） I′cp＝IcpAA／AC （39） ここで、 VCEApはコレクタ−エミツタ・アバランシエ電
圧である。
Ｍはアバランシエ増倍因子であり、０の値を取
り得る。ｍはアバランシエされた領域の単位当り
の増倍率である。αは誘送効率因子である。
VCBpはエミツタ開放を有するコレクタ−ベー
ス・アバランシエ破壊電圧である。
Icpはベース・コレクタにおけるイオン化領域
に導入されるベース・コレクタ漏洩電流である。
I′cpは各コレクタ漏洩電流の割合である。
AAはコレクタ・ベース接合のアバランシエ領
域である。
式（35）は第１原理から発展され、パラメトリ
ツク式（36）はその後発展されて、アバランシエ
装置の振舞の広い範囲に対して説明を与える式
（35）及び式（37）を有する組合せにおいて適切
である事が発見されている。
式（37）はアバランシエ装置のコレクタ及びエ
ミツタ端末間に現われる電圧を表わし、正及び負
の空間電位抵抗にまたがる電位降下を含む。式
（38）中の負の空間電荷抵抗の項は以下発生され
る。すでに上述された正の空間電荷抵抗効果はコ
レクタ空間電荷領域を横切る過剰多数キヤリアに
よるものである。式(3)はこの抵抗の成分に対する
受取られた溶液を与えるものである。
パラメトリツク式（36）は次のアーギユメント
を使用して求められる。
再び第６Ｄ図の曲線Ｃを考える。図示された
VI特性の負の傾斜は実験室的装置において実質
線型である様に観察される。図でＩはIA以下であ
り、ここでIAは次の如く定義される。
この振舞は次の式によつて説明される。
VCEAVCBp（１−（M〓）p／Ｎ Ｉ／Ia） （40） この式はＩ＜Iaに対して真である。ここでＮは
任意のスケール因子である。
（Ｍ・α）pはアバランシエ増倍率Ｍと輸送因子
αの有限及び任意の積である。
積（Ｍ・α）0は１以下ならば、式（40）は次の
式（41）に対する近似式であると考えられ得る。
VCEA／VCBp＝（１−（Ｍ・α）0Ｉ／Ia）１／２（41
） かつこ内のマイナスの項に対して式（41）を解
き、コレクタ−エミツタ・アバランシエ電圧対エ
ミツタ開放コレクタ・ベース電圧の項で表わす
と、次の式が得られる。
（Ｍ・α）0Ｉ／Ia＝１−（VCEA／VCBp）Ｎ （42） 式（42）中の左辺はより一般的な因子Ｍ（Ｖ、
Ｉ）・α（Ｖ、Ｉ）の特定の場合である。与えられ
た状況の下では、式（42）は上述の式（39）に簡
約される。この特定の条件は（Ｍ・α）pが１より
かなり小さく、Ｉ／Iaが乗算されたこの量は第２図 中の領域４に示された如くエミツタ・コンタクト
３とインジエクタ２間に抵抗性接続部を設ける事
によつて相互作用接合装置中に実現され得る。
式（38）は次の微分方程式を解く事によつて式
（35）及び式（36）から得られ得る。
式（43）中の微分項に対する適切な解法が以下
にあげられる。
∂Ic／∂m＝Icp／（１−αm）2 （44） ∂Ic／∂α＝MI／１−αM （45） dM／dVd=K＝−Ｍ（１−αM）／αV （46A） dα／dVM=K＝−Ｎ（１−αM）／MV （46B） 式（44）乃至を式（46B）を式（43）に代入し
て、整頓し、逆数を取ると、 dV／dI＝RX＝−（Ｍ・α）VCEA／Ｎ（１＋Ｍ・α）Ic
（47） 式（47）は積Ｍ・αの項で負のコレクタ空間電
荷抵抗を説明している式である。これは相互作用
接合装置に適用される。負の抵抗項に対する式は
負性抵抗項を誘導するために前に与えられたもの
と異なる見地から導かれたものである。その後の
分析を簡単化するためには、以下の如き式（48）
を生ずる式（47）の１次展開を使用する事が便宜
である。
RXnax−（Ｍ・α）VCEAp／NIc（１−α・Ｍ） （48） 次の解析セクシヨンはアバランシエ時における
コレクタ電圧VCEAがコレクタ−エミツタ降服に
対して観測された閾値VCEApに近い場合の種々の
アバランシエ装置を考えている。これ等の状況の
下で式（47）中の電圧VCEAはVCEApに変化し得、
一般的振舞を予測する際にほとんど損失はない。
与えられた近似は負の抵抗の意味を上述の式
（48）として打切られた形において上述の如く最
大値に対応する様に変化する。
通常の相互作用接合装置は実質上の０値から１
よりも小さい或る有限値の範囲を有する電流と共
に或る非線形状に一般に増大するMα積を有する
ものとして説明され得る。Mαが電流と共に増大
する時且つこの時に限り、正味の負のコレクタ抵
抗が存在する事が示され得る。本発明の装置にお
いて形成される如く積Mαの増大する振舞はイン
ジエクタ及びベース領域間はインジエクタ及びベ
ース領域間に形成されるPN接合の電流依存イン
ジエクシヨン規準の直接結果である。
これに対比して、ダイオード構造は構造の放射
性もしくは注入端にPN接合を有さない。このた
めに、通常相互作用接合装置はダイオードとして
分類されない。しかしながら、この様な構造体は
負性抵抗を示さず、電流と独立して一定である等
価注入効率及び同様に一定である積Ｍ・αdを有
し、実質上電流と独立している積Ｍ・αdを有する
事によつて特徴付けられる。
この特定の相互作用接合装置を論議する前に、
式（37）は孤立したPN接合の振舞を記述するの
に使用される。この振舞はダイオードのものに対
比される。この装置の如きアバランシエ・ボル
ト・アンペア特性は積Ｍ・αdは一定であり、１以
下であるとして相互作用式を考える事によつて説
明され得る。この分析は相互作用接合装置の特性
であるエミツタ開放コレクタ−ベース降服電圧と
して定義される電圧VCBpに導く。次の例は式
（35）乃至式（38）の使用を示している。
ダイオード装置の場合、式（38）中のRxは次
の如く与えられる。
Rx＝−（Ｍ・α）dVCBp／NI（１＋（Ｍ・α）d（49） 式（49）を式（37）のより一般の式に代入して
次の式を与えられる。
Ｖ＝VCBp′〔１−（Ｍ・α）d／Ｎ（１＋Ｍ・α）d〕
＋RscＩ （50） 式（50）によつて与えられるダイオード降服電
圧は相互作用接合エミツタ開放降服電圧の定義で
あるVCBpによつて書直され得る。これは次の如く
与えられる。
Ｖ＝VCBp＋RscＩ （51） ここで VCBp＝VCBp′〔１−（Ｍ・α）d／Ｎ（１＋Ｍ・α）d
〕（52） ここで VCBpはＭ・αdは０であるとして最大接合降服電
圧、Ｍ・αdはダイオードに適応可能であるＭ・αd
積、Rscは式(1)によつて与えられる空間電荷抵抗
である。
ダイオード装置に対するVIプロツトは第５Ａ
図に示されている。正のダイオード抵抗Rscの値
は含まれるアバランシエ領域によつて制御され、
ベース材料の固有抵抗によつて制御され得る。
相互作用接合スナツプ・バツクVI特性装置に
ついては特願昭54−81581号に開示されている。
これ等の装置への分析の適用について次に与えら
れる。
簡単な相互作用接合装置を考える。積Ｍ・αは
急激にアバランシエ・コレクタ電流の低い値で１
より小さい一定値に到達し得、電流に独立した一
定値に留まり得る。単の状態に対する、式（37）
は次の如くなる。
VCEA＝VCEAp（１−Ｍ・α／Ｎ（１＋Ｍ・α））＋IRs
c （53） VCEAの値は次の如く特定する事が便宜である。
VCEA＝VCEAp（１−Ｍ・α／Ｎ（１＋Ｍ・α））（54
） この状態に対応するアバランシエVI特性にお
いて第１４図に示されている。第１４図に示され
ている如き所謂スナツプ・バツク効果は低い値の
コレクタ電流における積Ｍ・αの急激な増大によ
るものである。
次いで本発明の補償された相互作用接合装置に
戻つて、本発明の装置の場合の如く、広範囲の電
流に対してもし積Ｍ・αが線形に変化されたら
VIアバランシエ特性がどの様になるかについて
考察する。積Ｍ・αは第１５図に示された如くコ
レクタ電流に従つて変化し得る。ここで積Ｍ・α
はＩ＜Iaとして量Ｍ・αp×Ｉ／Iaに略等しいとい
う仮定がなされる。さらに（Ｍ・α）pは１以下で
あり、0.2の範囲にあり、ＩはIaよりはるかに小
さいものと仮定する。この環境において、式
（48）は次の如くなる。
Rx−（Ｍ・α）pVCEAp／NIa（１−（Ｍ・α）pＩ／
Ia） （55） 式（55）を式（37）に代入すると、コレクタ電
圧に対する次の式が生ずる。
VCEA＝VCEAp＋Ｉ〔Rsc−（Ｍ・α）pVCEAp／NIa〕 ＋〔（Ｍ・α）pＩ／Ia〕2VCEAp／Ｎ （56） Ｉ＜Iaを条件に対して、式（57）を生ずるに 〔Ｉ／Ia（Ｍ・α）〕2VCEAp／Ｎ＜＜VCEAp （57） 第１６図は上述の状況での装置の振舞の範囲を
示す。曲線Ｂは極めて特定のVIの性質を示し、
アバランシエ装置の正味コレクタ抵抗はかなりの
電流範囲に対して実質的０である。この状況は次
の抵抗式を満足する時にはいつでも生ずる。
Rsc＝（Ｍ・α）pVCEAp／NIa （58） 正のコレクタ空間電流抵抗はVCEAp、アクセプ
タ濃度NA、アバランシエ領域Ａ及びキヤリア飽
和速度Vsによつて定義される。空間電荷抵抗Rsc
に対する式によつて与えられるものを式（58）に
再配列し、次の式を生ずる。
（Ｍ・α）p／Ia＝Ｎ／qNAAAVs （59） 式（59）の左方の比は一定であり、アバランシ
エ面積及び基板もしくはベース固有抵抗の如く変
化し得る装置パラメータに依存する。この規準の
満足は２重のコレクタ磁気センサ・アバランシ
エ・トランジスタの設計を最適化するために望ま
しいものである。
第１図の領域４に示された如き、エミツタ・コ
ンタクト及びインジエクタ間の抵抗コネクタの固
有抵抗及びアスペクト比は装置製造中に調節され
得、種々の図面中に示された垂直VI特性を達成
するために積Ｍ・αをコレクタ電流と線形に増大
せしめるための汎用装置を与える。この領域４の
抵抗の臨界値は薄い酸化物６におけるプロモータ
の幾何学形状、基板もしくはベースの固有抵抗及
び輸送兼再結合領域７の長さに依存する。
補償されない相互作用接合装置の効果を考える
に、通常の横方向相互作用接合する遭遇する最も
共通のアバランシエ・コレクタのVIの振舞は第
１７図中に示されている。第１７図に図示された
如く、代表的正の空間電荷抵抗は負性抵抗効果に
よつて克服され、積Ｍ・αは非線形に増大し、高
電流レベルで略0.8もしくはそれ以上の値に達す
る。これ等の如き装置は第１図及び第２図に組入
れた如き任意の注入効率制御が欠けた簡単なエミ
ツタ拡散部によつて特徴付けられる。
上述の分析はもし積Ｍ・αが一定でなく、電流
と共に１以下の値を増大するならば負のコレクタ
抵抗が得られる事を示している。線形負性抵抗は
積Ｍ・αが電流の増大と共に増大する時にのみ得
られる。略０のコレクタ・アバランシエ抵抗は正
及び負の空間電荷抵抗効果が互いに打消される時
に有限の電流範囲にわたつて達成され得る。
この条件は上述の如く本発明の最良のパフオー
マンスに対して必要とされる臨界的装置の補償で
ある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従う磁気センサとして具体化
された横方向双極性トランジスタ構造の概略的平
面図である。第２図は第１図における断面線AA
に沿う部分的断面図である。第３Ａ図は400ガウ
スの正弦波磁場を受けた時の第１図に示された装
置の出力端子において発生される代表的信号を示
した図である。第３Ｂ図は第１図に示された如き
構造体中に磁場入力がある場合の出力信号の雑音
成分を示す。第３Ｃ図は第１図に示された構造体
のアバランシエのコレクタ−エミツタ電圧の安定
なボルト−アンペア特性を示している。第４図は
第１図に示された如き２重コレクタ間の分離距離
に関連する信号利得因子を示した図である。第５
Ａ図は代表的P+PN+ダイオード構造のアバラン
シエ電圧特性を示す。第５Ｂ図は第５Ａ図、第５
Ｃ図及び第５Ｄ図に関連して使用される横方向双
極性P+PNダイオード構造体の断面の概略図であ
る。第５Ｃ図は第５Ｂ図に示された半導体装置に
対応するコレクタＰ−Ｎ接合の近傍における空間
電荷分布を示した図である。第５Ｄ図は第５Ｂ図
に示された半導体装置に対応するコレクタＰ−Ｎ
接合の近傍における電場成分を示した図である。
第６Ａ図は基本的横方向双極性トランジスタの
NPN構造を介す水平断面である。第６Ｂ図は第
６Ａ図に示された如き装置のコレクタ拡散部の前
における間隔の電荷累積効果を示した図である。
第６Ｄ図は第６Ａ図中に示された装置に対するコ
レクタ−ベース・アバランシエ電圧降服条件に対
する代表的ボルト・アンペア特性対磁場成分効果
を示した図である。第７図は本発明の実施例に対
する好ましいインジエクタ−エミツタ制御抵抗を
基板固有抵抗の関数として示した図である。第８
Ａ図はアバランシエ中の第１図に示された２重コ
レクタ・トランジスタ構成中のコレクタ−ベース
統計接合領域の部分的断面図である。第８Ｂ図は
磁場の影響の下にどの様にコレクタ電圧が静的条
件の下に変化するかを示した、第１図中の装置か
ら得られる出力の電流及び電圧プロツトである。
第８Ｃ図は第１図中の左方コレクタの前面におけ
る領域における磁場及びアバランシエ領域条件を
示す。第８Ｄ図は第１図中の右方コレクタの前面
の領域における電場及びアバランシエ領域の図で
ある。第８Ｅ図は長さZaのアバランシエ体積を流
れる電流と類似している或る導体を流れる電流Ｉ
を示している。第９図はコレクタ−ベース統計接
合の面を横切る断面で見た第１図に示された如き
装置上の磁場のアバランシエ領域変調効果の概略
図である。第１０図は第１図に示された実施例に
従う装置に対するベース固有抵抗の関数としての
感度の効果を示した図である。第１１Ａ図は第１
図に示された如き装置のコレクタ間の差動電圧出
力及びコレクタ電流の関数として信号中の雑音成
分を示している。第１１Ｂ図は磁場の強さの関数
としてセンサ出力の双極性の線形領域である。第
１２図は第１図を参照して説明された実施例に従
つてセンサの出力の双方向線領域に従つて形成さ
れたセンサに対する等価D.C.回路に対して示され
ている。第１３Ａ図はケイ素及びヒ素ガリウムに
対する電子及び正孔速度対電場の強さを示した図
である。第１３Ｂ図は種々のキヤリア型に対する
統計的接合からの距離の関数としてキヤリア減速
磁場成分を示した図である。第１４図は積Ｍ・α
が急激に定数値に増大する時のアバランシエ装置
のVI特性を示した図である。第１５図は臨界値
以下の電流値に対する電流と共に積Ｍ・αが線形
に増大する様子を示した図である。第１６図は正
味コレクタ空間電荷抵抗の或る範囲に対するアバ
ランシエ装置のVI特性を示した図である。第１
７図は代表的な開放ベース及び開放エミツタ・ト
ランジスタのVI特性を示した図である。 １……コレクタ、２……インジエクタ、３……
エミツタ、４……コネクタ、５……キヤリア・ア
クセレレータ、６……薄い酸化物領域、７……キ
ヤリア輸送兼再結合領域、８……酸化物、９……
基板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 第１導電型材料のベース領域並びに該ベース
    領域と共に夫々PN接合を形成する第２導電型の
    エミツタ領域及びコレクタ領域を有する磁気感知
    型アバランシエ・トランジスタにおいて、上記ベ
    ース領域において少数キヤリアをインジエクトす
    る第２導電型のインジエクタ領域並びに上記エミ
    ツタ領域及び上記インジエクタ領域より高い比抵
    抗を有し、上記コレクタ領域へ向う方向に上記エ
    ミツタ領域から上記インジエクタ領域へ延びてい
    る第２導電型の領域が上記ベース領域内に形成さ
    れ、コレクタ・ベース接合の一部分において局部
    的共有結合崩壊領域の生成を促進する局部的衝撃
    イオン化促進手段が上記コレクタベース接合のう
    ち上記エミツタ領域に最も接近した領域から上記
    エミツタ領域へ向つて延びるように設けられてお
    り、上記エミツタ領域及びコレクタ領域はエミツ
    タ・ベース接合を順バイアスし、上記コレクタ・
    ベース接合を逆バイアスして上記ベース領域にお
    いて過剰多数キヤリア及び過剰少数キヤリアをア
    バランシエ発生させるに適した極性及び大きさの
    電位源に接続され、上記コレクタ領域は少なくと
    も２個互いに離れて上記ベース領域内に上記イン
    ジエクタ領域からほぼ等距離離れ、上記少数キヤ
    リアを収集するように設けられており、上記第２
    導電型の領域は上記エミツタ・ベース接合のうち
    上記コレクタ・ベース接合に対面する部分のみで
    上記エミツタ領域を上記インジエクタ領域から及
    び上記ベース領域から分離しており、上記促進手
    段は上記エミツタ領域に最も接近した領域より内
    側に位置する上記崩壊領域の一部分に影響を及ぼ
    し且つ、上記インジエクタ領域から上記崩壊領域
    へ上記少数キヤリアを供給した時にエミツタ接点
    及びコレクタ接点間に印加される特性電圧により
    生じるＭ倍の増倍プロセスにおいて、上記過剰多
    数キヤリア及び過剰少数キヤリアが急峻に導通す
    るアバランシエ電流を生成するように上記崩壊領
    域の局部的エネルギー密度を増大させることを特
    徴とする磁気感知型アバランシエ・トランジス
    タ。
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