JPH04320065A - トランジスタ型磁気センサ - Google Patents

トランジスタ型磁気センサ

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JPH04320065A
JPH04320065A JP3112219A JP11221991A JPH04320065A JP H04320065 A JPH04320065 A JP H04320065A JP 3112219 A JP3112219 A JP 3112219A JP 11221991 A JP11221991 A JP 11221991A JP H04320065 A JPH04320065 A JP H04320065A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁場の強さを検出する
トランジスタ型磁気センサに係り、特にバイポーラトラ
ンジスタのコレクタ領域中に少数キャリア注入領域を設
けた構造を採用して、磁場の検出信号を同時に増幅する
機能を具備させた磁気センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から知られているトランジスタ型磁
気センサとして、ベースの下に複数の埋込コレクタを設
けたコレクタ分離トランジスタ(バイポーラ)型のもの
がある(例えば、S.Kordic, IEEE El
ectron Dvice Lett., DEL−7
 196 (1986) )。
【0003】このコレクタ分離トランジスタ型磁気セン
サは、図7に示すように、半導体基板1に形成した第1
、第2の埋込コレクタ2、3に第1、第2のコレクタ4
、5を連続接続し、またこの第1、第2のコレクタ4、
5をコレクタ取出領域(オーミックコンタクト領域)6
、7によって第1、第2のコレクタ電極8、9に接続し
ている。10はベース、11はエミッタ、12はベース
電極、13はエミッタ電極、14はエピタキシャル層、
15はアイソレーション領域である。
【0004】このコレクタ分離トランジスタ型磁気セン
サの動作原理は、エミッタ11からベース10に注入す
るときのエミッタ注入変調、あるいはコレクタ領域16
(コレクタ2〜5で囲まれたエピタキシャル層14の部
分)でのローレンツ力によるキャリアの偏向であると説
が分かれているが、コレクタ領域16でのローレンツ力
によるキャリア偏向が主となっている可能性が強いよう
である。
【0005】すなわち、磁束Bが図7の紙面の手前から
裏面に向かうとすると、エミッタ11からベース10に
注入されてコレクタ領域16を流れる多数キャリアとし
ての電子は、向かって左側にローレンツ力を受けて偏向
する。
【0006】この結果、左側の埋込コレクタ2に到達す
る電子の量が右側の埋込コレクタ3に到達する電子の量
よりも多くなる。このように、このコレクタ分離トラン
ジスタ型磁気センサは、2個の埋込コレタク2、3に到
達するキャリアの数の差、つまりコレクタ電流の差動出
力によって、磁場の強さを検出している。
【0007】このようなコレクタ分離トランジスタ型磁
気センサを元に、Si(シリコン)を使用して三次元ベ
クトル磁気センサも試作されている。例えば、「集積化
三次元磁気センサ」,電学論C,109,483 (平
元−7)参照。また、コレタク分離トランジスタ型磁気
センサと同様なものとして、ドレーン分離CMOS−F
ET型磁気センサも知られている。例えば、R.S.P
opovic & H.P.Baltes, IEEE
 J, Solid−StateCircuits, 
SC−18, 426  (1983)参照。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来のトランジスタ型磁気センサは、コレクタ分離トラン
ジスタのベース10が共通となっており、トランジスタ
本来の増幅作用を有効に利用したものではなかった。す
なわち、基本原理がエミッタ注入変調ではなく、コレク
タ領域16でのキャリアの偏向であるとすると、ローレ
ンツ力によって偏向したキャリアが、トランジスタのベ
ースに対して有効な作用をすることがなく、トランジス
タの増幅作用をほとんど利用していないことになる。こ
れらの理由から、従来のコレクタ分離トランジスタ型型
磁気センサは、磁場検出感度が低かった。
【0009】このように磁場検出感度が低いために、増
幅部分が別に必要となり、特にSiやGaAs(ガリウ
ム砒素化合物)以外の半導体材料では、増幅器等をモノ
リシックに構成することが難しいという理由から、セン
サシステム全体の小型化の大きな制約要因となっていた
【0010】また、上記したコレクタ分離トランジスタ
型磁気センサは、キャリアが偏向すると、その偏向を妨
げようとする方向にホール電圧が発生し、そのホール電
圧による電界によって、キャリアの偏向が小さくなって
しまうという別の問題もあった。この現象は、一般的な
ホール素子の内部でも起こっていることであり、ホール
素子ではホール電圧によって磁場を検出するので問題と
はならないが、キャリアの偏向を原理とする素子につい
は本質的な問題である。
【0011】このような理由のため、上記した従来のコ
レクタ分離トランジスタ型磁気センサは、それぞれの埋
込コレクタ2、3に到達するキャリアの数の差が、期待
するほど大きくならなかった。
【0012】更に、上記した従来のコレクタ分離トラン
ジスタ型磁気センサは、基板1の厚み方向に流れるキャ
リアの偏向を利用しているため、エピタキシャル層14
の厚みをあまり薄くすることができなった。このため、
厚いエピタキシャル層14が必要であり、コストが高く
なっていた。
【0013】更に、上記コレクタ分離トランジスタ型磁
気センサを、信号処理系を含めてモノリシック化が容易
なシリコンを用いて構成する場合は、他の半導体材料に
比べて集積化の点では有利であったが、ホール移動度が
小さいことに起因する磁気感応部分の検出感度の悪さが
問題となっていた。
【0014】本発明の目的は、少数キャリアの偏向や増
幅作用を利用して、磁場検出感度が高く、エピタキシャ
ル層の厚みを薄くでき、更にホール電圧による電界の影
響も受けないようにしたトランジスタ型磁気センサを提
供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、第1
の導電型のコレクタ領域と、該コレクタ領域に形成した
第1の導電型と反対の第2の導電型のベースと、該ベー
ス内に形成した第1の導電型のエミッタと、上記コレク
タ領域に上記ベースから分離して形成した第2の導電型
の少数キャリア注入領域とからなるコレクタ注入トラン
ジスタを具備し、上記ベースと上記少数キャリア注入領
域の並ぶ方向に交差する方向の磁束を検出するように構
成した。
【0016】上記ベースと上記少数キャリア注入領域の
間に、上記ベースと同程度またはより深い深さに達する
高抵抗乃至絶縁の分離領域を形成することが好ましい。
【0017】また、上記磁束の向きに交差する方向に並
ぶように上記コレクタ注入型トランジスタを少なくとも
2個、各々の少数キャリア注入領域が反対側となるよう
に形成することも好ましい。
【0018】
【作用】本発明では、少数キャリア注入領域からコレク
タ領域に注入された少数キャリアが、磁場によって偏向
を受けて進行方向を曲げ、ベースに到達するとエミッタ
電流を増大させてそこで増幅作用が行われるので、磁場
検出感度が高い。コレクタ領域の少数キャリアは、厚み
方向と交差する方向に進むのでエピタキシャル層に大き
な厚みは必要ない。多数キャリアは少数キャリアと共に
磁場によって偏向して集まり、少数キャリアを引き寄せ
る力を出すので、従来と異なり逆に感度増大に寄与する
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付した図を参照し
て説明する。図1はその第1の実施例のコレクタ注入ト
ランジスタ型磁気センサの断面構造を示す図である。基
板20の上面に形成したベース21、コクレタ取出領域
22、ベース21の上面に形成したエミッタ23からな
るトランジスタは通常のバイポーラトランジスタである
。24はベース電極、25はエミッタ電極、26はコレ
クタ電極である。
【0020】本実施例では、このようなトランジスタの
基板20の他の上面に、少数キャリア注入領域27を形
成し、そこに電極28を形成している。そして、エミッ
タ電極25、ベース電極24、コレクタ電極26を通常
のトランジスタと同様にエミッタ・ベース間が順方向バ
イアス、ベース・コレクタ間が逆方向バイアスとなるよ
うに電圧を印加し、少数キャリア注入電極28とコレク
タ電極26の間には順方向バイアスを印加する。
【0021】製造に際しては、基板20として1Ωcm
のn型(又は真性導電型)基板を用い、表面を熱酸化し
て、公知のフォトリソグラフィ技術により、不純物拡散
用の窓を形成したマスクを設ける。次に、その窓から塗
布拡散法によって硼素を拡散して、p型の少数キャリア
注入領域27とトランジスタのベース21を設ける。そ
して、この後同様なフォトリソグラフィ技術によってマ
スクを作成し、砒素のイオン打ち込みと熱処理により、
高不純物濃度でn型のエミッタ23とコレクタ取出領域
22を設ける。次にスパッタリング法によってアルミニ
ウムを堆積し、電極24〜26、28をエッチング形成
する。このように、一般的なトランジスタの製法と同様
の方法により公知のフォトリソグラフィ技術等によって
作成できる。
【0022】この実施例のコレクタ注入トランジスタ型
磁気センサでは、少数キャリア注入領域27から少数キ
ャリア(この実施例ではホール)が、コレクタ領域(基
板20)に注入される。
【0023】ここで、図1に示すように、磁束Bを紙面
の上面から裏方向に向かうように与えると、この磁束B
と直交する成分をもった方向に移動する少数キャリアに
ローレンツ力が働いて、その少数キャリアが偏向する。 そして、この偏向により曲った方向にベース・コレクタ
接合が存在すると、少数キャリアはベース・コレクタ空
乏層29を通ってベース21に蓄積され、エミッタ23
からベース21へのキャリア注入を促進する。一方、少
数キャリアの曲った方向がベース・コレクタ接合と反対
方向(図1では下方向)の場合は、コレクタ領域(基板
20)中で再結合して減少する。
【0024】このように、本実施例のコレクタ注入トラ
ンジスタ型磁気センサでは、ローレンツ力によってベー
ス・コレクタ接合の空乏層29に飛び込んだ僅かな少数
キャリアが、大きなエミッタ電流を引き起こすという増
幅作用が行われる。
【0025】図2はバンドダイアグラムを示す図である
。ここでは、説明の都合上から二次元空間の場合を示し
ている。ローレンツ力によるキャリアの偏向も示す必要
があるため、磁場Bの方向と電子のエネルギーeVの方
向の軸を平行に描き、且つそれらの軸に直角に2つの空
間軸A1−A2、B1−B2を描いている。A1−A2
の空間軸は、図1のA1−A2断面のバンドダイアグラ
ムであり、同様にB1−B2の空間軸は、図1のB1−
B2断面のバンドダイアグラムである。
【0026】この図2を参照してより詳しく説明すると
、上記したベース・コレクタ接合の空乏層29は、コレ
クタ領域(基板20)を接合面に平行に流れる多数キャ
リアと少数キャリアのいずれもが、ローレンツ力によっ
てベース・コレクタ接合側に曲げられたときに、多数キ
ャリアに対してはエネルギー障壁となり、少数キャリア
に対してはエネルギードロップとなって、少数キャリア
だけが選択されてベース21に導かれる。
【0027】この空乏層29は、少数キャリアを留まら
せることなく吸い取り、多数キャリアをコレクタ側の空
乏層の端に留まらせることができるので、単なるホール
素子の場合よりも少数キャリアを大きく曲げるように働
く。
【0028】コレクタ領域(基板20)でローレンツ力
によってベース21側に曲げられてベース・コレクタ接
合の空乏層29で選択された少数キャリアは、ベース2
1に蓄積し、これによりエミッタ・ベース間を順方向バ
イアスして、エミッタ電流を増加させるように働く。
【0029】各部のこのような働きによって、磁場中で
のローレンツ力によって偏向した電流を直接増幅して、
非常に簡単な構造ながらも、大きな磁場検出感度を得る
ことができるのである。
【0030】なお、本実施例の磁気センサの基板には、
ホール移動度の大きい半導体が好ましいが、PN接合の
形成が可能でなければならず、信号処理もモノリシック
に形成できる半導体が好ましい。例えば、InSbは磁
場検出感度が非常に高いが、現在のところ集積化が困難
なのでGaAsやSiを利用することが好ましい。
【0031】また、少数キャリア注入領域27は、ベー
ス21までの距離が少数キャリアの拡散長範囲内又は同
程度の距離とし、少数キャリアがその寿命内にベース・
コレクタ接合面と平行に拡散して、ローレンツ力により
ベース21側に曲げられることが可能なようにする。
【0032】また、コレクタ領域(基板20)の不純物
濃度は、少数キャリアの寿命を長くするために薄い方が
良く、抵抗値は例えば本実施例で採用した1Ωcm程度
とする。
【0033】また、エミッタ23および少数キャリア注
入領域27に接続する電源は、電流制限のある電源が好
ましく、図1に示すように、定電流源30によって駆動
するとよい。
【0034】また、高速に変化する磁場にさらに良く応
答するため、トランジスタをオフするときは、ベース・
エミッタ間に逆電圧を印加するか、あるいはベース・エ
ミッタ間をスイッチ31で短絡するなどして、ベース2
1に蓄積したキャリアを引き抜くのが良い。
【0035】図3はコレクタ注入トランジスタ型磁気セ
ンサの第2の実施例の断面を示す図である。ここでは、
半導体基板32の上面に形成したエピタキシャル層33
内にベース21、コレクタ取出領域22、少数キャリア
注入領域27を形成し、ベース21内にエミッタ23を
形成して、更に、少数キャリア注入領域27とベース2
1との間に、電気抵抗の大きな分離領域34を酸化膜で
、ベース21と同程度またはそれ以上の深さに形成した
ものである。35はアイソレーション領域、36はこの
アイソレーション領域35に逆バイアス電圧を印加する
ための電極である。
【0036】製造にあたっては、抵抗率が25Ωcmの
p型のシリコン基板32を用いて、その上面に抵抗率が
1Ωcmのエピタキシャル層33を形成する。次に表面
を熱酸化し更に窒化膜をCVD法により堆積する。そし
て、アイソレーション領域35と選択酸化領域となるべ
き部分(分離領域34)の上の窒化膜をドライエッチン
グにより除去して窓を形成する。その後、レジストを回
転塗布して、選択酸化領域となるべき部分(分離領域3
4)をマスクして、アイソレーション領域35を硼素の
イオン打ち込み法によって設ける。次にレジストを除去
して引き延ばし拡散を行う。このとき、引き延ばし拡散
を行うと同時に、イオン打ち込みのマスクとして用いた
窒化膜を利用して選択酸化を行い、電気抵抗の大きな分
離領域34を形成する。次に、図1に示した実施例と同
様に、ベース21と少数キャリア注入領域27、コレク
タ取出領域22とエミッタ23を形成し、更にアルミニ
ウムにより各電極24〜26、28、36を形成する。
【0037】この実施例では、選択酸化で形成した分離
領域34が、少数キャリア注入領域27の側面とトラン
ジスタのベース21の側面に挟まれるコレクタ領域を電
気的に絶縁するので、ローレンツ力に無関係にベース2
1に到達する少数キャリアが大幅に減少する。この結果
、磁場検出信号にノイズ成分がが少なくなり、S/Nが
大幅に向上する。
【0038】図4は図3の選択酸化で形成した分離領域
34を変形した第3の実施例の断面を示す図である。3
7は溝であり、その内壁に形成された酸化膜38内に、
ポリシリコン39を埋め込んだものである。
【0039】製造にあたっては、エピタキシャル層33
に塗布拡散法によってアイソレーション領域35を形成
して、その後に図1で示した場合と同様に、ベース21
と少数キャリア注入領域27、エミッタ23とコレクタ
取出領域22を設ける。このとき、ベース21と少数キ
ャリア注入領域27は同一の拡散工程で一体的に形成す
る。次に、その一体化したベース領域21と少数キャリ
ア注入領域27の中間部分にトレンチ状に反応性イオン
エッチングにより深さがベース21と同程度かまたはそ
れよも深い溝37を形成して、ベース21と少数キャリ
ア注入領域27を電気的に分離する。次に、その溝の表
面から燐を打ち込み、薄い反転防止層40を形成して、
その後に溝の全壁面に熱酸化によりシリコン酸化膜38
を形成する。次に、CVD法によって、溝をポリシリコ
ン39で埋め込む。最後に、スパッタリング法によって
、アルミニウムを堆積し各電極24〜26、28、36
を形成することにより完成する。
【0040】図5は図3で説明しコレクタ注入トランジ
スタを2個設けた第4の実施例の断面を示すものであっ
て、向い合う2つのコレクタ注入トランジスタの少数キ
ャリア注入領域をエミッタを挟んで反対側に設けて、少
数キャリアを反対方向に流し、向い合う2つのコレクタ
注入トランジスタを磁場の方向によって差動動作させる
ようにしたものである。この実施例のコレクタ注入トラ
ンジスタ型磁気センサの製造方法は、図3で説明したも
のと同じである。なお、右側のコレクタ注入トランジス
タを構成する要素の符号として、左側の同トランジスタ
の素子と同一のものには同一の符号に「′」を付して表
した。
【0041】図6はこの図5に示す差動型のコレクタ注
入トランジスタを組み込んだ駆動回路を示す図ある。Q
1がベース21、コレクタ(エピタキシャル層33)、
エミッタ23からなるトランジスタ、Q2がベース21
′、コレクタ(エピタキシャル層33′)、エミッタ2
3′からなるトランジスタである。Q3とQ4は少数キ
ャリア注入領域27、27′、コレクタ、ベース21、
21′がそれぞれエミッタ、ベース、コレクタとなる寄
生のPNPトランジスタである。トランジスタQ1、Q
2のコレクタに流入する電流は、トランジスタQ5、Q
6からなるカレントミラー回路により、比率が一定とな
っている。各トランジスタQ1、Q2のエミッタ電流は
電流源41、42により電流制限している。この定電流
源41、42の電流値は、2つのコレクタ注入トランジ
スタ43、44のエミッタ電流が等しくなるように、同
一の値とする。少数キャリア注入領域27、27′は、
定電流源45から電流を供給し、少数キャリアの注入量
を制限する。また、その定電流源45はその注入量が2
つのコレクタ注入トランジスタ43、44で等しくなる
ように、1つとする。この定電流源45の電流値の目安
は、エミッタに接続される定電流源41、42の電流の
大きさを、トランジスタQ1、又はQ2の電流増幅率で
除した値程度とする。
【0042】このように、少数キャリア注入領域27、
27′とエミッタ23、23′に電流源41、42、4
5を接続して電流の大きさを制限することによって、ラ
ッチアップの危険性を回避することができ、大きな増幅
率で安定動作を行わせることができる。
【0043】この図5、図6で説明したコレクタ注入ト
ランジスタ型磁気センサは、寄生トランジスタ回路図か
ら考えると、寄生PNPトランジスタのベースでの少数
キャリアの偏向と解釈することもできるき。また同様に
、サイリスタのNベースでの偏向と解釈することもでき
る。
【0044】以上説明した実施例は、NPNトランジス
タを主として説明したが、PNPトランジスタの場合も
全く同様に構成できることはもちろんである。
【0045】
【発明の効果】以上から本発明のコレクタ注入トランジ
スタ型磁気センサによれば、次のような利点がある。
【0046】(1).磁場を感知してローレンツ力によ
り曲った少数キャリアが実質的にトランジスタのベース
電流となるので、増幅作用があり、高感度の磁気センサ
を実現できる。このため、必ずしも増幅器を必要とせず
、センサシステム全体の小型化に大きく貢献し、複数個
をアレイ状に並べた場合の磁場分布の空間分解能も非常
に細かくすることが可能となる。
【0047】(2).基板に平行に流れる少数キャリア
の偏向を利用するため、エピタキシャル層は薄くて済み
、あるいはむしろ薄い方が良く、経済的であり、素子の
微細化に非常に好適である。例えば、SOI上に製作す
る場合を考えると、非常に相性がよく、放射線の多い宇
宙空間での高感度の磁気センサとして利用できる。
【0048】(3).多数キャリアが少数キャリアと同
一側のコレクタのベース・コレクタ接合側にローレンツ
力によって引き寄せられるため、その多数キャリアの濃
度が大きくなり、少数キャリア注入領域から注入された
少数キャリアがローレンツ力に加えてこの多数キャリア
によっても引き寄せられる。この結果、より一層少数キ
ャリアの偏向が促進され感度増大に寄与する。つまり、
従来のような多数キャリアの偏向を利用することによっ
て生じるホール電圧の電界による偏向の抑制はなくなる
【0050】(4).ベース・エミッタ間の空乏層電界
を更にアバランシェ増幅効果が起こる程度に大きくして
おけば、アバランシェ増幅効果によって磁場検出感度が
増大するようになる。
【0051】(5).シリコン基板を用いて、通常のト
ランジスタを構成するのと全く同等の技術で実現が可能
であり、トランジスタと同程度の大きさで磁気感応部と
増幅部を実現できるので、シリコンが他の半導体と比べ
て優位となっている集積化の技術を生かし、非常に分解
能の高い磁気センサマトクリス等の高機能な磁気センサ
を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明の第1の実施例のコレクタ注入トラ
ンジスタ型磁気センサの断面図である。
【図2】  図1においてA1−A2断面、B1−B2
断面における動作状態を示すバンドダイアグラムである
【図3】  第2の実施例のコレクタ注入トランジスタ
型磁気センサの断面図である。
【図4】  第3の実施例のコレクタ注入トランジスタ
型磁気センサの断面図である。
【図5】  第4の実施例のコレクタ注入トランジスタ
型磁気センサの断面図である。
【図6】  図5に示した磁気センサを差動動作させる
ための駆動回路の回路図である。
【図7】  従来のコレクタ分離トランジスタトランジ
スタ型磁気センサの断面図である。
【符号の説明】
1:半導体基板、2、3:埋込コレクタ、4、5:コレ
クタ、6、7:コレクタ取出領域、8、9:コレクタ電
極、10:ベース、11:エミッタ、12:ベース電極
、13:エミッタ電極、14:エピタキシャル層、15
:アイソレーション領域、16:コレクタ領域。 20:半導体基板(コレクタ領域)、21:ベース、2
2:コレクタ取出領域、23:エミッタ、24:ベース
電極、25:エミッタ電極、26:コレクタ電極、27
:少数キャリア注入領域、28:少数キャリア注入電極
、29:空乏層、30:定電流源、31:スイッチ、3
2:半導体基板、33:エピタキシャル層、34:分離
領域、35:アイソレーション領域、36:電極、37
:溝、38:酸化膜、39:ポリシリコン、40:反転
防止層、41、42:定電流源、43、44:コレタク
注入トランジスタ、45:定電流源。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】    第1の導電型のコレクタ領域と、
    該コレクタ領域に形成した第1の導電型と反対の第2の
    導電型のベースと、該ベース内に形成した第1の導電型
    のエミッタと、上記コレクタ領域に上記ベースから分離
    して形成した第2の導電型の少数キャリア注入領域とか
    らなるコレクタ注入トランジスタを具備し、上記ベース
    と上記少数キャリア注入領域の並ぶ方向に交差する方向
    の磁束を検出することを特徴とするトランジスタ型磁気
    センサ。
  2. 【請求項2】    上記ベースと上記少数キャリア注
    入領域の間に、上記ベースと同程度またはより深い深さ
    に達する高抵抗乃至絶縁の分離領域を形成したことを特
    徴とする請求項1に記載のトランジスタ型磁気センサ。
  3. 【請求項3】  上記磁束の向きに交差する方向に並ぶ
    ように上記コレクタ注入型トランジスタを少なくとも2
    個、各々の少数キャリア注入領域が反対側となるように
    形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載のトラ
    ンジスタ型磁気センサ。
  4. 【請求項4】  上記コレクタ領域を真性導電型とした
    ことを特徴とする請求項1乃至3に記載のトランジスタ
    型磁気センサ。
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