JPS58220474A - 磁気感応ダイオ−ド - Google Patents

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】 本発明は、磁気感応トランジスタを取扱った特願昭５７
−３８２５０号に開示された原理と同様な原理を使用す
るダイオードに関する。

従来、例えば、米国特許第３３８９２３０号、第３５３
３１５９号及び第３６９２５９５号には、磁気感応トラ
ンジスタが開示されている。これらの磁気感応トランジ
スタは、細長いエミッタが２つの横方向に離隔した細長
いコレクタの間の中心に位置し、コレクタの主要部がエ
ミッタの両側に形成され、コレクタのある部分はエミッ
タの下に平行に形成されている。

従来技術の問題点は、これらのトランジスタの磁気変換
メカニズムが磁気によるキャリヤ又は電子の偏向による
ものであると考えられている点に　　゛ある。この考え
によれば、キャリヤは方向転換して一方のコレクタに他
方のコレクタも多く集まる。

この偏向理論を使用する構造体は、エミッタをまたぐ２
つの互いに離隔した平行なコレクタを使用する。これに
より、コレクタ及びエミッタの長軸・は該デバイスが敏
感な磁界ベクトルに平行になる。

このような形態を採用する上で、従来は上記特願昭５７
＝５８２５０号に開示された新しい変換メカニズムを認
識しておらず、当然使用もしていない。

上記特願昭５７−３８２５０号に開示された磁気感応ト
ランジスタは、コレクタ用の接点を必要とし、コレクタ
部材それ自身を構成することも複雑である。設計を簡単
にし且つ信号を低減するキャリヤ再結合の源を除去する
ために、構成をさらに簡単にした磁気感応デバイスが望
まれる。構成要素を最小にすることにより、生産性が向
上する。

本発明の目的は、エミッタ・キャリヤ注入のローレンツ
場変調（Ｌｏｒｅｎｔｚ　　ｆｉｅｌｄｍｏｄｕｌａｔ
ｉｏ’ｎ）の利点を得るためにエミッタ及び２つのベー
ス接点のみを必要とするだけの磁気感応ダイオードを提
供するにある。

本発明の別の目的は、差動磁気感応ダイオードを提供す
るにある。

本発明の別の目的は、エミツタ面からの寺ヤリャ注入用
の領域をエミッタ・ベース接合領域全体のより小さい特
定嶺域に制限すなわち制御する手段を有する磁気感応ダ
イオードを提供するにある。

本発明による磁気感応差動ダイオードは、単一のエミッ
タ、共通ベース及び２つの別個のベース接点を有する。

エミッタからの注入用の領域はその基板中のエミッタ拡
散の一方の面に制限されるのが好ましい。また、エミッ
タに関連したベース接点の位置も重要である。ベースの
ための接点がエミツタ面の注入用の領域を二分する仮想
面の両側にくるようにエミッタは２つのエミッタ接点の
間に配設される。仮想面はエミツタ面の注入面を横切る
最小のローレンツ場ポテンシャルの等高線、：：、扉１
゜ の零点を横切らなければならない。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
する。

上記特願昭５７−３８２５０号には、種々の磁気トラン
ジスタの磁気感度を担う新しい主変換メカニズムが開示
されている。しかし、同じメカニズムがダイオードに適
用できることは従来知られていなかった。比較的長いベ
ース長を使用し、エミッタの単一面から選択的に生じる
ようにエミッタ注入を制御することによって、差動感知
ダイオードが得られることが判明した。変換メカニズム
は、エミッタにおけるキャリヤの注入のローレンツ場誘
導変調である。これを、簡単のために注入のローレンツ
変調と相称することとする。

第１図には、本発明による差動感知磁気ダイオードの一
実施例が示されている。基板１はシリコン・ウェハすな
わちチップである。第１図においては、軽く（少量）ド
ープされたＰ型基板物質でである周囲基板領域をＰ−に
よって示す以外は周囲物質を省略しである。重く（多量
）ドープされたＮ型物的材料から成るエミッタ２は、周
囲基板よりも重くドープされたＰ型物質から成る細長い
ベースの中心に配設されている。非常に重（ドープされ
たＰ型注入抑制領域４は、エミッタ２の側部に境界を形
成してそこから基板への注入を禁止し且つエミッタ２の
底部からの注入を促進する。

エミッタ２のための接点５は単に矩形領域として示され
ている。なお、第１図とは二酸化シリコン絶縁層及び金
属接点は省略されている。ベース接点領域６は細長い共
通領域６０両端部に形成されている。これらはインプラ
ンテーションを受けず、半導体基板の面とのオーミック
接触を可能にするためだけの領域である。信号リード７
及び負荷抵抗８は接地電圧に対するベース−ベース出力
電圧である出力信号ｖ６６を導出するために使用される
。エミッタ２はその接点５を介して接地される。

第２図は第１図の線Ｆ２−Ｆ２に？Ｅ５５断面を示す。

この図には、基板１とともに、この−ヒに重ね合わされ
る二酸化シリコン層９、金属ベース接点１０及び金属エ
ミッタ接点１１が示されている。

線Ｆ２−Ｆ２は、重くドープされたＰ十抑制領域４を通
らないので、この領域は第２図には示されていない。ベ
ース領域３の長さはエミッタ２０縁から測られ、Ｗｂと
して示されている。ベース領域６は周知技術を使用して
基板１の表面に拡散すなわち打込みされる重くドープさ
れたＰ型物的材料から成る領域を含む。エミッタ２は接
点１．１とオーミック接触されるＮ型の重くドープされ
打込まれた領域である。エミッタ２からの注入は、主と
して、エミッタ２の底面に垂直な方向、すなわち第２図
の下方向に行われる。

図示された構造体は、垂直注入デバイスであり、エミッ
タからのキャリヤ注入方向に垂直で且つ基板１に平行な
磁界ベクトルＢに感応する。

図示されたデバイスは、例えば１００Ω・儂のレンジの
比較的高い抵抗率の基板物質を使用して構成される。ま
ず、約０２Ω・σの低抵抗率のＰ型のドープされたベー
ス領域６が基板１に拡散される。この領域の深さは、典
型例においては、５ｏ、ｏ　ｏ　ｏオングストローム”
（５ミクロン）である。

、１：′ 離隔されたベース接点１０は、第２図に示されているよ
うに、ベース領域６の各端部に形成される。

次に、ベースに使用された物質とは反対の型の物質を使
用して浅いエミッタ領域２が形成される。

図示されているように、この領域は約５０００オングス
トローム（０，５ミクロン）の重くドープされたＮ型物
質から成り、ベース領域３がＰ型物質を形成するように
ドープされている場合には砒素がドーピングされる。エ
ミッタ２の底面は優先的な注入領域である。これは、第
１図に示された重くドープされたＰ十型打込み領域４に
よって確保される。エミッタ２の底面は注入によって内
部に少数キャリヤを供給し、ベースを介してベース・チ
ャネルの両端部の２つのベース接点領域の双方へ通す。

第１図に示された領域４は、エミッタ拡散領域２の縁部
に沿って生じるのを防ぐ。これは好ましいことである。

何故なら、エミッタ２の縁部２が基板１の高抵抗領域に
接触すると、い（らか過剰の少数キャリヤ注入が磁界に
垂直でない方向に生じるからである。このような注入が
生じると、□信号出力が部分的に低減され、また、Ｐ子
ベース領域６の周囲で短絡され且つベース接点１０によ
って導通させられるＰ−基板領域へキャリヤが注入され
て磁気ダイオードの感度が低下する。

エミッタ電流の垂直に注入された部分は、エミッターベ
ース接合の最も長い軸に沿って発生するローレンツφポ
テンシャルｖＬによって変調される。差動電流及び電圧
は次の一般的関係に従ってベース接点に与えられる。

△ＩＥ＝ＩＥｏＳｉｎｈ（ｑＶｊ／Ｋｔ）　　　　（１
ａ）△Ｅ＝ＩＥｏＲ，５ｉｎｈ（ｑＶＬ／Ｋｔ）　　　
（１ｂ）式（１ａ）は査動電流関係を示し、式（１ｂ）
は出力端子に生じる差動電圧関係を示す。Ｒ５はエミッ
タ２とベース接点１０の間のベース領域５の長手方向に
沿った抵抗である。

パラメータｖＬはローレンツ注入変調ポテンシャルを示
す。このポテンシャルは特願昭５７−３８２５０号に記
載されているように導かれるもので、ここに再び記載す
ると次の通りである。

ここで μはキャリヤ移動度、 Ｂは磁界密度、 Ｗはエミッタ領域の幅である。。

エミッタ２の下面において第１図及び第２図に示された
差動ダイオードのベース領域３に注入される差動電流の
基本式は次の通りである。

△Ｉ　ｅ＝Ｉ　ｅ　ｏ　（（１／２ｋ　ｔ　）　（ＶＢ
Ｗ）　　　　　　　（３）上記式の導出方法は上記出願
に記載されている。

注入された少数キャリヤの速度Ｖの式は次の通りである
。

Ｖ＝　（Ｄｎ、／１１．ｎ　）　Ｃｏ　ｔ　ｈ　（Ｗｂ
／Ｌｎ　）　＝（ＫＴｑ　）　（１１ｎ、／Ｌｎ　）Ｃ
ｏｔｈ　（Ｗｂ／Ｉ、ｎ）　　　　　　　　　　　　　
　（４）式（４）を式（３）に代入すると、エミッタ電
流の変化を示す式が得られる。

△Ｉ　ｅ＝Ｉｅｏ　ＷＡＪｎ（μｎＢ／２）　Ｃｏｔｈ
　Ｗｂ／ｕｎ　　　（５）長さｗｂが拡散長Ｌｎより小
さい短ベース・ダイオードの場合には、式（５）は次の
ようになる。

△Ｉｅ−Ｉｅｏ　　Ｗ／ＷＢ　　（μｎＢ／２）　　　
　　　　（６）長さｗｂが拡散長Ｌｎより大きい長ベー
ス・ダイオードの場合には、式（５）は次のようになる
。

△Ｉｅ＝Ｉｅｏ　　Ｗ／Ｌｎ　　（μｎＢ／２）　　　
　　　　　　（力差動出力電圧は、エミツタ面と各ベー
ス出力接点との間のベース・チャネルの抵抗Ｒｈに依存
し、ベース接点１００間で測定できる。これは次のよう
に表現される。

△：Ｖ−ＩｅｏＷ／Ｌｎ（／ｊｎＢ／２）ＲｂＣｏｔｈ
ＷｂＡｎ　　（８）ここで、 Ｒｈ−ρＷｂ／Ｗ　Ｔｂ ρ＝ベース・チャネルの抵抗 ｗｂ−ベース長 Ｗ−エミツタ幅 Ｔｂ−ベース・チャネルの深さ エミッタ・ベース接合に近い領域中のベース・９ネ″′
抵抗率ｐ　ｋｔ　Ｊｌ、）該領域′注４１１乗ｊ小数キ
ャリヤの濃度によって主として決定される。

ベース接点付近の抵抗率は次の通りである。

ρ＝１／Ｎａｑμｐ＝１／σ　　　　　　　　　　（９
）ここで、 Ｎａ−ベース中のアクセプタ濃度 ｑ　−電荷 μｐ＝ホール移動度 第１図及び第２図に示された磁気ダイオードの出力電圧
の概算値は、式（９）を式（８）に代入すること　　　
゛により得られる。その結果は次の通りである。

△Ｖ　＝　Ｉ　ｅ　ｏ　Ｗｂ／２Ｌｎ　（μｎ／ｌｉｐ
　）　Ｂ／ｌＶａ　ｑ’ｒｂＣｏ　ｔ　ｈ　（Ｗｂ／Ｌ
ｎ　）　　　　　　　　　　　（１０）短ペース・ダイ
オードの場合、この式は次のように簡略化される。

△Ｖ＝＝Ｉｅｏ（μｎ／μｐ）Ｂ／（２ＮａｑＴｂ）　
　（１１）長ベース・ダイオードの場合、式（和）は次
のように簡略化される。

△Ｖ＞　Ｉｅｏ　ｗｂ／２Ｌｎ（μｎ／μｐ）Ｂ／Ｎａ
ｑＴｂ　　　（１２）磁気信号感知電圧と静止ＤＣダイ
オード電圧との比を決定する電圧変換効率△Ｖ／Ｖを示
す式は、Ｉｅｏ／２Ｒｈがｍバイアスされたダイオード
の電圧降下を決定することを考慮に入れることにより式
（８）から直接導くことができ、次のようになる。

△Ｖ／Ｖ　＝Ｗ／Ｌｎ（μｎＢ）　Ｃｏｔｈ　Ｗｂ／Ｌ
ｎ　　　　　（１３）この式から明らかなように、所与
の磁界Ｂに対する効率△Ｖ／Ｖは、少数キャリヤ移動度
μｎ、エミツタ幅Ｗ及びベース長ｗｂに依存する。また
、効率△Ｖ／Ｖはベース領域の深さＴｂ及びその不純物
濃度Ｎａには依存しない。しかし、応答信号ΔＶは式・
、　＋（、’、ｌ　、２　、、りに示されるようにこれ
らのパラメータに依存する。この結果、長ベース・ダイ
オードは最良の信号対雑音比を得られる。雑音を最小に
するには、ベース接点をエミッタの中心から少くとも１
つの小数キャリヤ拡散長Ｌｎ分の距離をおいて配設する
ことが最も望まれる。

式（８）を使用し且つ次のようなパラメータ値を仮定し
て典型的な差動ダイオードの感度が見積られた。

Ｉｅｏ　＝２ｏｘｉｏ　　”ａｍｐ８ Ｗ／Ｌｎ　　Ｃｏｔｈ　Ｗｂ／Ｌｎ　＝　　１Ｒｈ　＝
　　１０００ μｎＢ　＝［ｌ　９ｘ１０　５ Ｗｂ　　＝　３Ｘ１０−３εｍ Ｌｎ　　＝　　２Ｘ１０６ｆｃ！ｍ 上記見積りの結果得られた出力電圧は、０．０９ミリボ
ルト／ガウスである。この感度は、ベース抵抗率を増大
させることにより、より高い電流レベルで動作させるこ
とにより、あるいはこれら双方を行うことにより向上す
る。ダイオードがＰ型ガリウムヒ素から構成されること
により、感度は約５倍高まる。何故なら、ガリウムヒ素
の電子移動度μは、上記仮定において使用されたシリコ
ン中の電子移動度の約５倍だからである。

ダイオードのベース抵抗の値よりも大きい負荷抵抗ＲＬ
を使用することが重要である。そうでないと、信号電圧
が減衰する。ダイオードのベース接点を抵抗体ではなく
電流源で付勢することが好ましい。このことは当業者に
は明らかなことであろう。

第３図は第１図の線Ｆ２−Ｆ２に垂直な線Ｆ６−Ｆ３に
沿う別の断面を示す。第３図には、前述のように主注入
領域がエミッタ２の底面にのみ残るようＶｃＰ＋十注入
抑制領域４がエミッタ２の側部に形成されていることが
示されて℃・る。

以上の説明から明らかなように、本発明による６端子差
動磁気感応ダイオードレよ、高見・磁気感度を有し、エ
ミッタに注入されるキャ１）ヤのローレンツ場ポテンシ
ャル変調を利用する。エミッタ力・ら離隔した２つのベ
ース接点は、磁界の存在下におけるエミッタ注入の変調
から信号を導出するのに使用される。

すなわち、ベースはエミッタとの境界でＰＮ接合を形成
し、エミッタからベースへ少数ギヤ１ツヤを注入し且つ
かかるキャリヤをベース接点にお（・て引き出すように
ＰＮ接合に順・；イアスを力・ける大きさ及び極性の電
位がベース接点及びエミッタ接点に供給され、 ＰＮ接合は、外部から印加される磁界によりローレンツ
・ポテンシャルを発生する注入領域を有し、ローレンツ
・ポテンシャルは、外部印カロ磁界と注入された少数キ
ャリヤとの相互作用によって発生し注入領域の表面を横
切って分布する正、負及び零の値の最大の等廃線を有し
、注入領域からの少数キャリヤの注入を変調し、 ベース接点は、注入領域の前記表面に垂直であってロー
レンツ・ポテンシャルの零点を通る仮想面の両側に位置
するようにエミッタと関連付けられて配設される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による差動感知磁気ダイオードの一実施
例並びにこの実施例を出力信号の感知に使用していると
ころを示す平面図、第２図は第１図のダイオードの導電
ベースを通るように線Ｆ２−Ｆ２に沿って切断された断
面図、第３図は第２図の線Ｆ３−Ｆ５に沿う断面図であ
る。 １・・・・基板、２・・・・エミッタ、３・・・・ベー
ス領域、４・・・・注入抑制領域、５・・・・エミッタ
接点、６・・・・ベース接点領域、７・・・・信号リー
ド、８・・・・負荷抵抗、９・・・・二酸化シリコン層
、１１・・・・金属エミッタ接点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エミッタ、ベース、エミッタ接点及び少くとも２個のベ
   ース接点を有するダイオードであって、前記ベースは前
   記エミッタとの境界でＰＮ接合を形成し、前記エミッタ
   から前記ベースへ少数キャリアを注入し且つかかるキャ
   リアを前記ベース接点において引き出すように前記ＰＮ
   接合に順バイアスをかける大きさ及び極性の電位が前記
   ベース接点及びエミッタ接点に供給され、 前記ＰＮ接合は、外部から印加される磁界によりローレ
   ンツ・ポテンシャルを発生する注入領域ヲ有し、前記ロ
   ーレンツ拳ポテンシャルは、前記外部印加磁界と前記注
   入された少数キャリアとの相互作用によって発生し前記
   注入領域の表面を横切って分布する正、負及び零の値の
   等高線を有し、前記注入領域からの少数キャリアの注入
   な変調し、前記ベース接点は、前記注入領域の前記表面
   にｉｆ？６つ冗、パ前記ローレンツ・ポテンシャルの零
   点を通る仮想面の両側に位置するように前記エミッタと
   関連付けられて配設される、 ことを特徴とする磁気感応ダイオード。