RU2008748C1

RU2008748C1 - Magnetotransistor

Info

Publication number: RU2008748C1
Authority: RU
Inventors: И.М. Викулин; М.А. Глауберман; В.В. Егоров; В.В. Козел; С.А. Лукоянов; В.В. Невзоров; Л.М. Смеркло; И.П. Шнайдер
Original assignee: Учебно-научно-производственный центр при Одесском государственном университете им.И.И.Мечникова
Priority date: 1992-02-11
Filing date: 1992-02-11
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: measurement technology, automatic control systems. SUBSTANCE: invention relates to two-collector planar magnetotransistor formed in epitaxial layer of first type conductance grown on substrate of second type conductance and including two parallel strip base electrodes of first type conductance. Two strip collector regions of second type conductance directed perpendicular to base electrodes are located between electrodes. Emitter region of second type conductance is positioned between collectors. To raise magnetosensitivity latent layer of first type conductance is formed at boundary of separation of epitaxial layer and substrate under emitter and base electrode adjacent to it. In addition to it base electrode adjacent to emitter is connected to latent layer through vertical high-doped layer of first type conductance. EFFECT: raised magnetosensitivity. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей магнитного поля и может использоваться при создании измерительных приборов и автоматических систем управления. The invention relates to the field of semiconductor magnetic field converters and can be used to create measuring instruments and automatic control systems.

Известны магнитотранзисторы, состоящие из базы с одним или двумя электродами, эмиттера и одного или нескольких коллекторов [1] . Known magnetotransistors, consisting of a base with one or two electrodes, an emitter and one or more collectors [1].

Наиболее близким к предлагаемому является магнитотранзистор, сформированный в полупроводниковой базовой пластине первого типа проводимости и содержащий два параллельных полосковых базовых электрода первого типа проводимости, между которыми расположены две полосковые коллекторные области второго типа проводимости, направленные перпендикулярно базовым электродам, а между коллекторами размещена эмиттерная область второго типа проводимости [2] . Closest to the proposed one is a magnetotransistor formed in a semiconductor base plate of the first conductivity type and containing two parallel strip base electrodes of the first conductivity type, between which there are two strip collector regions of the second conductivity type, directed perpendicular to the base electrodes, and an emitter region of the second type is placed between the collectors conductivity [2].

Недостаток такого магнитотранзистора состоит в том, что при изготовлении его в стандартном биполярном ИС-процессе на основе эпитаксиальной структуры (эпитаксиальный слой первого типа проводимости, выращенный на подложке второго типа проводимости) обнаруживается низкая магниточувствительность, поскольку подложка, выполняющая функцию третьего коллектора, экстрагирует значительную часть инжектированных в базу неосновных носителей. The disadvantage of such a magnetotransistor is that when it is manufactured in a standard bipolar IP process based on an epitaxial structure (an epitaxial layer of the first type of conductivity grown on a substrate of the second type of conductivity), low magnetosensitivity is detected, since the substrate performing the function of the third collector extracts a significant part minority carriers injected into the base.

Цель изобретения - повышение магниточувствительности магнитотранзистора. The purpose of the invention is to increase the magnetosensitivity of the magnetotransistor.

Указанная цель достигается тем, что на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом формируется скрытый слой первого типа проводимости, соединенный с этим базовым электродом сильнолегированным вертикальным слоем первого типа проводимости. При достаточной протяженности указанной области ток основных носителей в базе протекает между противоположным базовым электродом и участком скрытого слоя, расположенным под эмиттером. При этом вектор плотности тока и, следовательно, вектор электрического поля, приобретают вертикальную (направленную к поверхности слоя) компоненту. В результате инжектированные носители начинают испытывать действие электрической силы, препятствующей их диффузии в подложку; все большая часть их начинает попадать в коллекторы и вследствие увеличения коллекторных токов чувствительность магнитотранзистора возрастает. This goal is achieved by the fact that at the interface between the epitaxial layer and the substrate, a hidden layer of the first conductivity type is formed under the emitter and the base electrode adjacent to it, connected to this base electrode by a heavily doped vertical layer of the first conductivity type. With a sufficient length of this region, the current of the main carriers in the base flows between the opposite base electrode and the portion of the hidden layer located under the emitter. In this case, the current density vector and, consequently, the electric field vector, acquire a vertical (directed to the layer surface) component. As a result, the injected carriers begin to experience the action of an electric force that impedes their diffusion into the substrate; an increasing part of them begins to fall into the collectors and, due to an increase in collector currents, the sensitivity of the magnetotransistor increases.

На фиг. 1 показаны магнитотранзистор и схема его включения; на фиг. 2 - сечение структуры по оси симметрии. Для определенности будем считать, что эпитаксиальный слой имеет n-тип проводимости, а подложка - р-тип. На схеме обозначены 1 - эпитаксиальный слой (база магнитотранзистора), 2 - подложка, 3 и 4 - омические контакты к базе (базовые электроды), 5 - эмиттер, 6 и 7 - коллекторы, 8 - скрытый слой, 9 и 10 - источники базового и эмиттерного токов соответственно, 11 - источник смещающего напряжения коллекторных переходов, 12 и 13 - нагрузочные резисторы, 14 - вольтметр. In FIG. 1 shows a magnetotransistor and a circuit for switching it on; in FIG. 2 - section of the structure along the axis of symmetry. For definiteness, we assume that the epitaxial layer has n-type conductivity, and the substrate is p-type. The diagram shows 1 - epitaxial layer (magnetotransistor base), 2 - substrate, 3 and 4 - ohmic contacts to the base (base electrodes), 5 - emitter, 6 and 7 - collectors, 8 - hidden layer, 9 and 10 - sources of the base and emitter currents, respectively, 11 is a source of biasing voltage of the collector junctions, 12 and 13 are load resistors, 14 is a voltmeter.

Работает прибор следующим образом. Током источника 9 в базе создается ускоряющее электрическое поле Е₀, а током источника 10 эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Инжектированные из эмиттера дырки дрейфуют в ускоряющем поле по направлению к электроду 4 и одновременно диффундируют к коллекторам. При отсутствии магнитного поля в силу пространственной симметрии структуры коллекторные токи равны между собой и вольтметр 14 показывает нулевое напряжение. При включении магнитного поля дырки под действием сил Лоренца и поля Холла отклоняются преимущественно к одному из коллекторов, что придает коллекторным токам различные по знаку приращения. Показание вольтметра в этом случае несет информацию о величине и знаке магнитной индукции.The device operates as follows. By the current of source 9, an accelerating electric field E ₀ is created in the base, and by the current of source 10 the emitter junction is shifted in the forward direction. The holes injected from the emitter drift in the accelerating field towards the electrode 4 and simultaneously diffuse to the collectors. In the absence of a magnetic field, due to the spatial symmetry of the structure, the collector currents are equal to each other and the voltmeter 14 shows zero voltage. When the magnetic field is turned on, the holes under the influence of the Lorentz forces and the Hall field deviate mainly to one of the collectors, which gives the collector currents different increments in sign. The voltmeter reading in this case carries information about the magnitude and sign of the magnetic induction.

Ослабление потока дырок, замыкающегося на подложку, достигается следующим образом (на фиг. 2 штриховой линией показан путь тока основных носителей). Видно, что линии тока наклонены к поверхности слоя в среднем на угол α≡arctg(η/α). Такое же направление будет иметь и электрическое поле в базе. При этом его вертикальная компонента Е_n вызовет дрейфовый ток неосновных носителей от подложки, который при определенном выборе напряженности этого поля ослабит их диффузионный ток в подложку.The attenuation of the hole flow closing on the substrate is achieved as follows (in Fig. 2, the dashed line shows the current path of the main carriers). It is seen that the streamlines are inclined to the layer surface on average by an angle α≡arctg (η / α). The electric field in the base will have the same direction. In this case, its vertical component E _n will cause a drift current of minority carriers from the substrate, which, with a certain choice of the strength of this field, will weaken their diffusion current into the substrate.

Необходимое значение величины α (фиг. 2) может быть получено из следующих соображений. Имея для средней скорости диффузии в подложку
V_dif ≈ 2D/η , (1) где D - коэффициент диффузии дырок, а для скорости дрейфа от подложки
V_dr = μE_n, (2) где μ - их подвижность, потребуем равенства этих скоростей по абсолютной величине. Тогда, приравнивая правые части равенств, с учетом Е_n = E₀tg( α) и соотношения Эйнштейна получаем
α≈ η

- 1

, (3) где φ_т≡ kT/e - температурный потенциал. Поскольку же на практике, как правило, выполняется Е₀ η>> 2 φ_т, запись можно упростить
α≈E_nη²/2φ_т, (4)
Для оценки необходимой протяженности скрытого слоя предположим, что: η<<α ; толщина скрытого слоя и глубина области 4 пренебрежимо малы в сравнении с η ; левая граница скрытого слоя (с областью 3) и правая граница области 4 удалены на бесконечность (соответственно влево и вправо); поверхности скрытого слоя и области 4 эквипотенциальны (проводимости слоя и области бесконечно велики).The necessary value of α (Fig. 2) can be obtained from the following considerations. Having for the average diffusion rate to the substrate
V _dif ≈ 2D / η, (1) where D is the hole diffusion coefficient, and for the drift velocity from the substrate
V _dr = μE _n , (2) where μ is their mobility, we require the equality of these velocities in absolute value. Then, equating the right-hand sides of the equalities, taking into account E _n = E ₀ tg (α) and the Einstein relation, we obtain
α≈ η

- 1

, (3) where φ _t ≡ kT / e is the temperature potential. Since in practice, as a rule, E ₀ η >> 2 φ _t is satisfied, the record can be simplified
α≈E _n η ² / 2φ _t , (4)
To assess the required length of the hidden layer, suppose that: η <<α; the thickness of the hidden layer and the depth of region 4 are negligible in comparison with η; the left border of the hidden layer (with region 3) and the right border of region 4 are removed to infinity (left and right, respectively); the surface of the hidden layer and region 4 are equipotential (the conductivities of the layer and region are infinitely large).

При этом можно показать, что зависимость Е_n на поверхности скрытого слоя от расстояния от его правой границы х имеет вид E_n(x)=

·

+ 1

, (5) где V - напряжение между этим слоем и областью 4. Используя выражение (5), легко оценить расстояние х, на котором Е_nв достаточное количество раз уменьшается по сравнению со средней напряженностью V/α и разместить на этом расстоянии область 3. Тем самым достигается положение, при котором поток основных носителей замыкается почти полностью на горизонтально расположенный скрытый слой и отношение Е_n/E_t принимает наибольшее значение (при меньшем значении этого отношения увеличится горизонтальная компонента тока, замыкающаяся на вертикальную стенку области 3, что влечет за собой возрастание Е_t) .It can be shown that the dependence of E _n on the surface of the hidden layer on the distance from its right boundary x has the form E _n (x) =

·

+ 1

, (5) where V is the voltage between this layer and region 4. Using expression (5), it is easy to estimate the distance x at which E _n decreases a sufficient number of times compared to the average voltage V / α and place region 3 at this distance . this achieves a position in which majority carriers flow closes almost entirely in a horizontal attitude and hidden layer E _n / E _t takes the largest value (at a lower value of this ratio to increase the horizontal component of the current, closes on the vertical wall area 3, that entails an increase in E _t).

Для опытной проверки действия прибора использовались магнитотранзисторы, сформированные в стандартной эпитаксиальной структуре

. Расстояние между коллекторами выбиралось равным 200 мкм, их протяженность 350 мкм, размер эмиттера 30*30 мкм, расстояние между базовыми электродами 600 мкм, а их длина - 200 мкм. Расстояние между областями 3 и 5 равнялось протяженности скрытого слоя и составляло 200 мкм (тестовая структура). Одновременно исследовалась подобная структура без скрытого слоя (структура сравнения). Для обеих структур ток базы задавался равным 2 мА, эмиттера 0,7 мА. Напряжение источника 11 составляло 24 В, сопротивления нагрузочных резисторов R 10 кОм. В ходе измерений определялась абсолютная чувствительность структур S по формуле
S=

где V_в и V₀ - показания вольтметра при включенном и выключенном магнитном поле; В - индукция этого поля (В = 0,3 Тл). При этом для тестовой структуры было получено значение S ≈200 мкА/Тл, а для структуры сравнения около 30 мкА/Тл. Следовательно, использование предлагаемого технического решения дает выигрыш в чувствительности почти в семь раз. (56) 1. Балтес Г. П. , Попович Р. С. Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля. ТИИЭР, 1986, т. 74, N 8, с. 60-90.For experimental verification of the operation of the device, magnetotransistors formed in a standard epitaxial structure were used

. The distance between the collectors was chosen equal to 200 μm, their length was 350 μm, the emitter size was 30 * 30 μm, the distance between the base electrodes was 600 μm, and their length was 200 μm. The distance between

regions

3 and 5 was equal to the length of the hidden layer and was 200 μm (test structure). At the same time, a similar structure was studied without a hidden layer (comparison structure). For both structures, the base current was set equal to 2 mA, emitter 0.7 mA. The voltage of the source 11 was 24 V, the resistance of the load resistors R 10 kOhm. During the measurements, the absolute sensitivity of the structures S was determined by the formula
S =

where V _in and V ₀ - voltmeter readings when the magnetic field is on and off; B is the induction of this field (B = 0.3 T). In this case, the value S ≈200 μA / T was obtained for the test structure, and about 30 μA / T for the comparison structure. Therefore, the use of the proposed technical solution gives a gain in sensitivity of almost seven times. (56) 1. Baltes G.P., Popovich R.S. Integrated semiconductor magnetic field sensors. TIIER, 1986, v. 74, No. 8, p. 60-90.

2. Викулин И. М. и др. Влияние электрического поля в базе на чувствительность двухколлекторных магнитотранзисторов. ФТП, т. 10, N 4, с. 785-787. 2. Vikulin IM and others. The influence of the electric field in the base on the sensitivity of two-collector magnetotransistors. FTP, t. 10, N 4, p. 785-787.

Claims

1. MAGNETOTRANISTOR, formed in the epitaxial layer of the first conductivity type, located on the substrate of the second conductivity type, containing two parallel strip base electrodes of the first conductivity type, between which there are two strip collector regions of the second conductivity type, directed perpendicular to the base electrodes, and an emitter is placed between the collectors a region of the second type of conductivity, characterized in that at the interface between the epitaxial layer and the substrate, under the emitter and adjacent yuschim thereto the base electrode is formed hidden layer of the first conductivity type.

2. The magnetotransistor according to claim 1, characterized in that the base electrode adjacent to the emitter is connected to the hidden layer through a vertical highly doped layer of the first type of conductivity.