RU2284612C2 - Semiconductor magnetic transducer - Google Patents
Semiconductor magnetic transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2284612C2 RU2284612C2 RU2004132549/28A RU2004132549A RU2284612C2 RU 2284612 C2 RU2284612 C2 RU 2284612C2 RU 2004132549/28 A RU2004132549/28 A RU 2004132549/28A RU 2004132549 A RU2004132549 A RU 2004132549A RU 2284612 C2 RU2284612 C2 RU 2284612C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- base
- emitter
- contacts
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Это датчики величины и направления магнитного поля, способные производить преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал, которые находят все большее применение в интегральной электронике и микросистемной технике благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники.The present invention relates to semiconductor electronics, semiconductor devices - bipolar structures with sensitivity to the influence of a magnetic field. These are magnetic field magnitude and direction sensors, capable of converting magnetic field induction into an electrical signal, which are increasingly used in integrated electronics and microsystem technology due to the possibility of combining them with other components of microsystems using microelectronics methods.
Полупроводниковыми магниточувствительными элементами служат: магниторезисторы, магнитодиоды, датчики Холла, магнитотранзисторы магнитотиристоры и некоторые другие /1/. При воздействии магнитного поля изменяется сопротивление датчика (эффект Гаусса) или появляется электродвижущая сила (эффект Холла) или изменяется протекающий ток.Semiconductor magnetically sensitive elements are: magnetoresistors, magnetodiodes, Hall sensors, magnetotransistors, magneto-thyristors, and some others / 1 /. When exposed to a magnetic field, the sensor resistance changes (Gauss effect) or an electromotive force appears (Hall effect) or the flowing current changes.
Перспективными элементами являются двухколлекторные биполярные магниточувствительные транзисторы (БМТ), которые отличаются простотой изготовления и высокой чувствительностью и избирательностью к магнитному полю. Подробно БМТ описан в /2/. Магниточувствительность БМТ обусловлена отклонением в магнитном поле под действием силы Лоренца потоков инжектируемых носителей тока из эмиттера при пролете их через базу к коллектору. Для увеличения магниточувствительности разрабатываются новые конструкции БМТ, в которых используются физические эффекты: эффект Холла, перераспределение потока носителей заряда под действием силы Лоренца, гальваномагнитные эффекты, рекомбинация носителей тока в объеме и на поверхности прибора, кулоновское взаимодействие носителей противоположных знаков, диффузионный и дрейфовый механизмы протекания тока. В результате действия вышеперечисленных эффектов происходит отклонение потоков носителей заряда в объеме и на поверхности кристалла от их симметричного распределения, создается изменение тока коллекторов при воздействии магнитного поля и повышение чувствительности транзистора.Promising elements are two-collector bipolar magnetosensitive transistors (BMT), which are distinguished by ease of manufacture and high sensitivity and selectivity to the magnetic field. BMT is described in detail in / 2 /. The magnetosensitivity of BMTs is due to the deviation in the magnetic field under the action of the Lorentz force of the flows of injected current carriers from the emitter when they pass through the base to the collector. To increase the magnetosensitivity, new BMT designs are developed that use physical effects: the Hall effect, redistribution of the charge carrier flow under the action of the Lorentz force, galvanomagnetic effects, recombination of charge carriers in the volume and on the surface of the device, Coulomb interaction of carriers of opposite signs, diffusion and drift flow mechanisms current. As a result of the above effects, the charge carrier flows in the volume and on the surface of the crystal deviate from their symmetric distribution, a change in the collector current under the influence of a magnetic field is created and the sensitivity of the transistor increases.
В патенте США на полупроводниковый магнитный преобразователь рассмотрен вертикальный двухколлекторный биполярный магниточувствительный транзистор, в котором под действием силы Лоренца перераспределяется ток инжектируемых из эмиттера носителей заряда в базе транзистора при их движении к коллекторам /3/. Ввиду того что носители проходят через тонкую базу и распределяются между близко расположенными коллекторами, токи рабочих коллекторов различаются незначительно. Относительная чувствительность по току Ic к магнитному полю В, определяемая по формуле SR=(dIc/dB)/Ic [T-1], не превышает 5%.In the US patent for a semiconductor magnetic converter, a vertical two-collector bipolar magnetically sensitive transistor is considered, in which under the action of the Lorentz force the current of the charge carriers injected from the emitter in the base of the transistor is redistributed when they move to the collectors / 3 /. Due to the fact that carriers pass through a thin base and are distributed between closely located collectors, the currents of working collectors differ slightly. The relative current sensitivity Ic to magnetic field B, determined by the formula S R = (dIc / dB) / Ic [T -1 ], does not exceed 5%.
Переход от вертикальной структуры транзистора к горизонтальной обеспечил получение значительно более высокой чувствительности /4/. Этот прибор состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Между эмиттером и коллекторами выбрано большое расстояние, а в базе на поверхности кристалла имеется высокая скорость рекомбинации носителей заряда. В этой конструкции наблюдается малый коэффициент передачи тока от эмиттера до коллекторов и невысокие значения тока рабочих коллекторов. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей тока к двум коллекторам текут в противоположных направлениях и под действием силы Лоренца один поток прижимается к поверхности, а другой поток отодвигается от поверхности. Малая величина тока коллектора Ic в магнитном поле В сильно изменяется, например, наблюдается относительная чувствительность по току SR=4 T-1.The transition from the vertical structure of the transistor to the horizontal provided a much higher sensitivity / 4 /. This device consists of a pair of lateral transistors with a common emitter. A large distance was chosen between the emitter and the collectors, and at the base on the surface of the crystal there is a high rate of recombination of charge carriers. In this design, a low current transfer coefficient from the emitter to the collectors and low current values of the working collectors are observed. Essential for the operation of the device is that the carrier currents injected from the emitter to the two collectors flow in opposite directions and under the influence of the Lorentz force one stream is pressed to the surface, and the other stream is moved away from the surface. The small value of the collector current Ic in the magnetic field B varies greatly, for example, there is a relative current sensitivity S R = 4 T -1 .
В патенте США предлагается высокочувствительный датчик магнитного поля с отклонением под действием магнитного поля потоков двух типов носителей заряда, которые протекают в базовой и эмиттерной областях за счет создания двойных контактов к базе и к эмиттеру /5/. Под двумя коллекторами на переходе база-эмиттер возникает Холловское напряжение разного знака и по экспоненте растет ток одного коллектора и уменьшается другого, что позволяет получить более высокую чувствительность.The US patent proposes a highly sensitive magnetic field sensor with deviation under the influence of the magnetic field of the flows of two types of charge carriers that flow in the base and emitter regions due to the creation of double contacts to the base and to the emitter / 5 /. Under two collectors at the base-emitter junction, a Hall voltage of a different sign appears and the current of one collector increases exponentially and the other decreases, which allows for a higher sensitivity.
В патенте США датчик магнитного поля в виде латерального биполярного двухколлекторного транзистора, чувствительного к магнитному полю, формируется в кармане на поверхности кремниевой подложки другого по сравнению с карманом типа проводимости /6/. Электроды расположены на поверхности кармана в следующем порядке: в середине эмиттер, слева и справа коллекторы, далее слева и справа контакты к базе. На p - n-переход между подложкой и карманом с помощью дополнительных контактов к подложке подается обратное смещение, что должно обеспечить изоляцию транзистора от других элементов интегральной схемы. Относительная чувствительность датчика составляет примерно 100% Тл-1. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модулируемая инжекция в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного pn - перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле.In the US patent, a magnetic field sensor in the form of a lateral bipolar two-collector transistor sensitive to a magnetic field is formed in a pocket on the surface of a silicon substrate of a different type of conductivity compared to a pocket / 6 /. The electrodes are located on the surface of the pocket in the following order: in the middle of the emitter, collectors on the left and right, then contacts to the base on the left and right. At the p - n junction between the substrate and the pocket, reverse bias is applied to the substrate using additional contacts, which should provide isolation of the transistor from other elements of the integrated circuit. The relative sensitivity of the sensor is approximately 100% T -1 . The main role in the redistribution of charge carriers is played by modulated injection as a result of potential changes on the left and right boundaries of the emitter pn junction under the action of the Lorentz force in a magnetic field.
В патенте США предложен датчик магнитного поля с латеральным биполярным транзистором, сформированным в кармане, и с двойным контактом к коллектору для повышения чувствительности и снижения шумов /7/.The US patent proposes a magnetic field sensor with a lateral bipolar transistor formed in a pocket and with double contact to the collector to increase sensitivity and reduce noise / 7 /.
В работе /8/ описан биполярный латеральный магниточувствительный транзистор, в котором при слабом легировании периферийной области эмиттера за счет эффекта Холла возникает модуляция инжекции из эмиттера. При низком уровне инжекции модуляция создает повышение магниточувствительности, а при высоком уровне инжекции носители изменяют сопротивление базы, что повышает чувствительность за счет магнитоконцентрационного эффекта.A bipolar lateral magnetosensitive transistor is described in / 8 /, in which, when the peripheral region of the emitter is weakly doped, injection modulation from the emitter arises due to the Hall effect. At a low injection level, modulation creates an increase in magnetosensitivity, and at a high level of injection, carriers change the resistance of the base, which increases the sensitivity due to the magnetoconcentration effect.
В патенте США добавлены два коллекторных электрода и три базовых контакта, создающих тянущее поле в базе /9/. Эта структура, кроме увеличения чувствительности, позволяет совместить транзистор с датчиком Холла и получить два вида магниточувствительности. При малом уровне инжекции в соответствии с эффектом Холла полезный сигнал формируется за счет основных носителей заряда, а при большом уровне инжекции полезный сигнал определяется воздействием силы Лоренца на ток неосновных носителей.In the US patent, two collector electrodes and three base contacts are added, creating a pulling field in the base / 9 /. This structure, in addition to increasing the sensitivity, allows you to combine the transistor with the Hall sensor and get two types of magnetosensitivity. At a low injection level, in accordance with the Hall effect, a useful signal is formed due to the main charge carriers, and at a high injection level, the useful signal is determined by the influence of the Lorentz force on the current of minority carriers.
В патенте США расположение трех коллекторов и четырех базовых контактов обеспечивает формирование потока электронов для повышения чувствительности /10/.In the US patent, the location of three collectors and four base contacts provides the formation of an electron flow to increase sensitivity / 10 /.
Патент РФ применяет тянущее поле в базе магнитотранзистора с эпитаксиальным карманом /11/. Для уменьшения экстракции неосновных носителей заряда в подложку, выполняющую функцию третьего коллектора, на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом формируется скрытый слой, соединенный с базовым электродом сильнолегированной вертикальной областью. В такой конструкции увеличивается ток коллекторов под действием электрического поля в базе, однако чувствительность не увеличивается.The RF patent applies a pulling field in the base of a magnetotransistor with an epitaxial pocket / 11 /. To reduce the extraction of minority charge carriers into the substrate, which serves as the third collector, a hidden layer is formed under the emitter and the adjacent base electrode at the interface between the epitaxial layer and the substrate, which is connected to the base electrode with a highly doped vertical region. In this design, the collector current increases under the action of an electric field in the base, but the sensitivity does not increase.
В патентах США несколько коллекторных электродов располагаются вокруг эмиттера, что позволяет определить направление действия магнитного поля /12, 13/.In US patents, several collector electrodes are located around the emitter, which allows you to determine the direction of action of the magnetic field / 12, 13 /.
В патенте РФ из биполярных магниточувствительных транзисторов формируется интегральная матрица, позволяющая измерять распределение магнитного поля в пространстве /14/.In the RF patent, an integral matrix is formed from bipolar magnetically sensitive transistors, which makes it possible to measure the distribution of the magnetic field in space / 14 /.
В патенте США на поверхность латерального биполярного транзистора, сформированного в кармане наносят концентраторы магнитного поля /15/. Такие же концентраторы, но на обратной стороне прибора вводятся в патенте /16/.In the US patent, magnetic field concentrators / 15 / are applied to the surface of a lateral bipolar transistor formed in a pocket. The same hubs, but on the back of the device are introduced in the patent / 16 /.
Патент РФ основан на применении технологического способа локального окисления к формированию биполярного магниточувствительного транзистора /17/. Введение локального окисла повышает воспроизводимость расположения элементов прибора.The RF patent is based on the application of the technological method of local oxidation to the formation of a bipolar magnetically sensitive transistor / 17 /. The introduction of local oxide increases the reproducibility of the arrangement of the elements of the device.
Патент РФ основан на применении технологических способов самосовмещения и самоформирования к формированию биполярного магниточувствительного транзистора с механизмом чувствительности, основанным на перераспределении под действием силы Лоренца потоков носителей заряда в коллекторе /18/. Известно, что магнитотранзисторы с перераспределением под действием силы Лоренца носителей заряда в коллекторе имеют низкую чувствительность.The RF patent is based on the application of technological methods of self-alignment and self-formation to the formation of a bipolar magnetosensitive transistor with a sensitivity mechanism based on the redistribution of charge carrier flows in the collector / 18 / under the action of the Lorentz force. It is known that magnetotransistors with redistribution under the action of the Lorentz force of charge carriers in the collector have low sensitivity.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент на изобретение, в котором предлагается полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю, в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку, глубокий карман, расположенные внутри кармана области контактов к базе, эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы, расположенные вне кармана первый и второй контакты к подложке, диффузионные области контактов к базе расположены ближе к эмиттеру, чем рабочие коллекторы, размеры областей контактов к базе более или равны ширине и глубине кармана, а контакты к базе и контакты к подложке подключаются к одному источнику питания /19/.The closest analogue adopted by us for the prototype is a patent for an invention in which a magnetic field sensitive semiconductor device is proposed in the form of a lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor containing a single crystal substrate, a deep pocket located inside the pocket of the contact area to the base, emitter, first and second working collectors located outside the pocket; first and second contacts to the substrate; diffusion areas of contacts to the base are located closer to em than itter working collectors, the sizes of the contact areas to the base are more or equal to the width and depth of the pocket, and the contacts to the base and the contacts to the substrate are connected to the same power source / 19 /.
Основной недостаток этого прибора состоит в том, что вместе с инжектированными электронами в подложку проникают дырки, которые создают взаимодействие элементов в интегральной схеме. Транзисторы имеют относительно большой начальный разбаланс токов коллекторов. Применение их в составе интегральных схем затруднено из-за разбаланса токов и влияния токов подложки на соседние элементы интегральной схемы.The main disadvantage of this device is that, together with the injected electrons, holes penetrate the substrate, which create the interaction of elements in the integrated circuit. Transistors have a relatively large initial imbalance of collector currents. Their use as part of integrated circuits is difficult due to the imbalance of currents and the influence of substrate currents on neighboring elements of the integrated circuit.
Цель изобретения - уменьшение влияния токов подложки полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю на соседние элементы интегральной схемы и уменьшение погрешности измерений из-за начального разбаланса токов коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.The purpose of the invention is to reduce the influence of substrate currents of a semiconductor device sensitive to a magnetic field on adjacent elements of the integrated circuit and to reduce measurement errors due to the initial imbalance of collector currents of a bipolar two-collector magnetosensitive transistor.
Суть изобретения состоит во введении в подложку кармана, в котором формируется базовый слой с эмиттером и измерительными коллекторами и введения режима работы с электрическим соединением между контактами к эмиттеру и контактами к подложке. Такая структура и режим работы позволяют направить поток инжектированных из эмиттера носителей заряда в сторону контактов к карману, а инжектированных из контакта к базе носителей заряда в сторону контактов к подложке. Ток эмиттера после инжекции разделяется на составляющую, протекающую в измерительные коллекторы, и на составляющую, протекающую в карман. Ток базы разделяется на составляющую, протекающую в эмиттер и на составляющую, протекающую в подложку.The essence of the invention consists in introducing into the substrate a pocket in which a base layer with an emitter and measuring collectors is formed and introducing an operating mode with an electrical connection between the contacts to the emitter and the contacts to the substrate. This structure and mode of operation make it possible to direct the flow of charge carriers injected from the emitter towards the contacts to the pocket, and those injected from the contact to the base of the charge carriers towards the contacts to the substrate. After injection, the emitter current is divided into a component flowing into the measuring collectors and a component flowing into the pocket. The base current is divided into a component flowing into the emitter and a component flowing into the substrate.
Инжектированные из эмиттера носители заряда в кармане становятся основными носителями, а инжектированные из контакта к базе носители заряда другого знака становятся основными носителями заряда в подложке. Инжектированные в подложку носители заряда являются основными и практически не влияют на соседние элементы интегральной схемы.The charge carriers injected from the emitter in the pocket become the main carriers, and charge carriers of a different sign injected from the contact to the base become the main charge carriers in the substrate. The charge carriers injected into the substrate are basic and practically do not affect neighboring elements of the integrated circuit.
Распределение потоков электронов и дырок, которое имеет симметричный вид без магнитного поля, изменяется на ассиметричное расположение потоков при воздействии магнитного поля, направленного вдоль электродов. В областях перекрытия потоков происходит рекомбинация носителей заряда, которая зависит от изменения положения потоков в магнитном поле, т.е. проявляется концентрационно-рекомбинационная чувствительность полупроводникового магнитного преобразователя к воздействию магнитного поля. Изменение рекомбинации определяет изменение дырочных токов базы и электронных токов эмиттера при воздействии магнитного поля. Изменение токов базы и эмиттера приводит к изменению токов измерительных коллекторов. Таким образом, при биполярном характере протекания тока происходит преобразование магнитного поля в изменение тока полупроводникового магнитного преобразователя.The distribution of electron and hole flows, which has a symmetrical appearance without a magnetic field, changes to an asymmetric arrangement of the flows when exposed to a magnetic field directed along the electrodes. In the regions of overlapping flows, carrier recombination occurs, which depends on the change in the position of the flows in a magnetic field, i.e. the concentration-recombination sensitivity of a semiconductor magnetic transducer to a magnetic field is manifested. The change in recombination determines the change in the hole currents of the base and the electronic currents of the emitter when exposed to a magnetic field. A change in the base and emitter currents leads to a change in the currents of the measuring collectors. Thus, with the bipolar nature of the current flow, the magnetic field is converted into a change in the current of the semiconductor magnetic transducer.
Напряжение смещения задает рабочий режим с током коллектора во много раз меньшим тока эмиттера. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков и их рекомбинацию, что определяет преобразования за счет модуляции концентрации и объемной рекомбинации. Воздействие силы Лоренца на токи эмиттер-карман, база-подложка создает изменение токов измерительных коллекторов, сравнимое с их величиной без магнитного поля, т.е. высокую чувствительность преобразования и снижение влияния начального разбаланса токов коллекторов.The bias voltage sets the operating mode with a collector current many times smaller than the emitter current. The magnetic field affects the carrier fluxes of both signs and their recombination, which determines the transformations due to modulation of the concentration and volume recombination. The effect of the Lorentz force on the emitter-pocket currents, the base substrate creates a change in the currents of the measuring collectors, comparable to their value without a magnetic field, i.e. high conversion sensitivity and reduction of the influence of the initial imbalance of collector currents.
На фиг.1 представлено поперечное сечение структуры полупроводникового магнитного преобразователя. Топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2. Условное обозначение полупроводникового магнитного преобразователя и схема его включения дана на фиг.3. Распределение потоков электронов между эмиттером и контактами к карману и линий тока между эмиттером и измерительными коллекторами показаны на фиг.4. Распределение потоков дырок между контактами к базе и к подложке и линий тока дырок между контактами к базе, эмиттером и контактами к подложке показаны на фиг.5. Зависимость токов измерительных коллекторов и относительной по току магнитной чувствительности от напряжения смещения базы для конкретного прибора дана на фиг.6.Figure 1 shows a cross section of the structure of a semiconductor magnetic transducer. The topology of the planar structure of the device is presented in figure 2. The symbol of the semiconductor magnetic transducer and the circuit for its inclusion is given in figure 3. The distribution of electron flows between the emitter and the contacts to the pocket and streamlines between the emitter and the measuring collectors are shown in Fig.4. The distribution of hole flows between the contacts to the base and to the substrate and the hole flow lines between the contacts to the base, the emitter, and the contacts to the substrate are shown in Fig. 5. The dependence of the currents of the measuring collectors and the relative current magnetic sensitivity on the bias voltage of the base for a particular device is given in Fig.6.
Полупроводниковый магнитный преобразователь состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); глубокого диффузионного кармана второго типа проводимости (4), служащего p - n-переходной изоляцией от остальной схемы; диффузионного базового слоя первого типа проводимости (5), сформированного в кармане (4) и глубиной менее глубины (4); левого (6) и правого (7) омических контактов к базовому слою (5); эмиттера (8) второго типа проводимости, расположенного в центре кармана (5) на главной поверхности кристалла; левого (9) и правого (10) измерительных коллекторов второго типа проводимости, расположенных в базовом слое (5); левого (11) и правого (12) омических контактов к карману (4); левого (13) и правого (14) омических контактов к подложке (1); областей легирования поверхности подложки (15) (Фиг.1).A semiconductor magnetic converter consists of a single-crystal substrate of the first type of conductivity (1) with a main surface (2) and a reverse side (3); a deep diffusion pocket of the second type of conductivity (4), which serves as a p - n-transition isolation from the rest of the circuit; diffusion base layer of the first type of conductivity (5), formed in the pocket (4) and with a depth less than depth (4); left (6) and right (7) ohmic contacts to the base layer (5); an emitter (8) of the second type of conductivity located in the center of the pocket (5) on the main surface of the crystal; left (9) and right (10) measuring collectors of the second conductivity type located in the base layer (5); left (11) and right (12) ohmic contacts to the pocket (4); left (13) and right (14) ohmic contacts to the substrate (1); areas of alloying the surface of the substrate (15) (Figure 1).
На фиг.2 представлена топология планарной структуры полупроводникового магнитного преобразователя, где прибор состоит из монокристаллической подложки (1); левого (13) и правого (14) омических контактов к ней; глубокого диффузионного кармана (4); левого (11) и правого (12) омических контактов к карману (4); диффузионной базовой области (5); левого (6) и правого (7) омических контактов к базовой области (5); эмиттера (8), левого (9) и правого (10) измерительных коллекторов транзистора, расположенных в базовой области (5).Figure 2 presents the topology of the planar structure of the semiconductor magnetic transducer, where the device consists of a single crystal substrate (1); left (13) and right (14) ohmic contacts to it; deep diffusion pocket (4); left (11) and right (12) ohmic contacts to the pocket (4); diffusion base region (5); left (6) and right (7) ohmic contacts to the base region (5); emitter (8), left (9) and right (10) measuring transistor collectors located in the base area (5).
Поперечное сечение на фиг.1 и топология на фиг.2 показывают структуру латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, сформированного в базовом слое с расположением контактов к базе между эмиттером и рабочими коллекторами, легировании контактов к базе на всю глубину и ширину базового слоя, область кармана, в которой располагается базовый слой и контакты к карману.The cross section in figure 1 and the topology in figure 2 show the structure of the lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor formed in the base layer with the location of the contacts to the base between the emitter and the working collectors, doping contacts to the base to the entire depth and width of the base layer, pocket area, in which the base layer and contacts to the pocket are located.
Схема включения напряжения прибора выполнена так, что на области контактов к базе Б1, Б2 и к карману КК подается напряжение смещения базы Ub; на измерительные коллекторы К1 и К2 подключаются напряжения Uc от источника питания через нагрузку; на эмиттер Э и подложку П задается потенциал Ue для создания напряжения смещения базы Ube, при котором протекает ток носителей заряда одного знака из базового контакта в эмиттер и подложку и создается поток носителей заряда другого знака за счет инжекции из эмиттера в базу, в карман и экстракции ностелей заряда в измерительные коллекторы (Фиг.3).The circuit for switching on the voltage of the device is designed so that the bias voltage of the base Ub is applied to the contact area to the base B1, B2 and to the QC pocket; voltage Uc from the power source through the load is connected to the measuring collectors K1 and K2; the potential Ue is set on the emitter E and substrate P to create a bias voltage Ube at which the charge carrier current of one sign flows from the base contact to the emitter and the substrate and a charge carrier of a different sign is created by injection from the emitter into the base, into the pocket, and extraction charge nostels in the measuring collectors (Figure 3).
На фиг.4 приведено распределение в сечении полупроводникового магнитного преобразователя с эмиттером Э, базовыми контактами Б1, Б2, измерительными коллекторами K1, K2, контактами к карману КК, контактами к подложке П плотности потоков электронов j-, А/см2, обозначенной областями разной плотности и линий тока между измерительными коллекторами K1, K2 и эмиттером Э при воздействии магнитного поля В=1 Тл. На чертеже видно, что инжектированные из эмиттера электроны проходят к измерительным коллекторам сложный путь через базовую область в карман, далее обратно из кармана в базовую область и измерительные коллекторы.Figure 4 shows the distribution in cross section of a semiconductor magnetic transducer with emitter E, base contacts B1, B2, measuring collectors K1, K2, contacts to the pocket KK, contacts to the substrate P of the electron flux density j - , A / cm 2 , indicated by different regions density and streamlines between the measuring collectors K1, K2 and the emitter E under the influence of a magnetic field B = 1 T. The drawing shows that the electrons injected from the emitter pass to the measuring collectors a difficult way through the base region into the pocket, then back from the pocket to the base region and the measurement collectors.
На фиг.5 приведено распределение в сечении полупроводникового магнитного преобразователя с эмиттером Э, базовыми контактами Б1, Б2, измерительными коллекторами K1, K2, контактами к карману КК, контактами к подложке П плотности потоков дырок j+, А/см2, обозначенной областями разной плотности и линий тока между контактами к базе Б1, Б2 и контактами к подложке П при воздействии магнитного поля В=1 Тл. На чертеже видно, что дырки из базовых контактов проходят сложный путь через базовую область в направлении эмиттера, далее вместе с потоком электронов в карман, а из кармана в подложку и к контактам к подложке.Figure 5 shows the cross-sectional distribution of a semiconductor magnetic transducer with an emitter E, base contacts B1, B2, measuring collectors K1, K2, contacts to a pocket KK, contacts to a substrate P of hole flux density j + , A / cm 2 , indicated by different regions density and streamlines between the contacts to the base B1, B2 and the contacts to the substrate P under the influence of a magnetic field B = 1 T. The drawing shows that the holes from the base contacts pass a complex path through the base region in the direction of the emitter, then together with the electron flow into the pocket, and from the pocket to the substrate and to the contacts to the substrate.
На фиг.6 дана зависимость токов измерительных коллекторов Ic1, Ic2, токов эмиттера Ie (1), кармана Iw (2), базы Ib (3), подложки Is (4), а также относительной по току магнитной чувствительности Sr от напряжения смещения базы Ube для конкретного прибора. Измерение чувствительности проводилось в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией В=1 Тл, направленной вдоль поверхности транзистора перпендикулярно поперечному сечению прибора (фиг.4). В зависимости от напряжения смещения относительная магнитная чувствительность принимает различные значения и зависит от схемы включения. Токи первого коллектора Ic1 (5) и второго коллектора Ic2 (6) прибора, находящегося в магнитном поле, отличаются от совпадающих токов первого Ic1-0 (7) и второго Ic2-0 (8) коллекторов без поля. Относительная по току магнитная чувствительность Sr определена по формуле при двух режимах работы:Figure 6 shows the dependence of the currents of the measuring collectors Ic1, Ic2, the currents of the emitter Ie (1), pocket Iw (2), base Ib (3), substrate Is (4), as well as the relative magnetic current sensitivity Sr from the base bias voltage Ube for a specific device. The sensitivity was measured in a constant magnetic field with magnetic induction B = 1 T, directed along the transistor surface perpendicular to the transverse section of the device (figure 4). Depending on the bias voltage, the relative magnetic sensitivity takes different values and depends on the switching circuit. The currents of the first collector Ic1 (5) and the second collector Ic2 (6) of the device located in a magnetic field differ from the coinciding currents of the first Ic1-0 (7) and second Ic2-0 (8) collectors without a field. The relative current magnetic sensitivity Sr is determined by the formula for two operating modes:
SR(9)=[(Ic1-Ic1-0)-(Ic2-Ic2-0)]/[(Ic1-0+Ic2-0)*B] при Ub=Uw=Us, Ue=0S R (9) = [(Ic1-Ic1-0) - (Ic2-Ic2-0)] / [(Ic1-0 + Ic2-0) * B] with Ub = Uw = Us, Ue = 0
SR(10) при Ub=Uw, Us=Ue=0S R (10) for Ub = Uw, Us = Ue = 0
В отсутствии магнитного поля носители, инжектируемые из эмиттера, поровну распределяются между измерительными коллекторами и формируют равные токи рабочих коллекторов Ic1 и Ic2. Ток эмиттера складывается из токов подложки, кармана, базы и измерительных коллекторов.In the absence of a magnetic field, the carriers injected from the emitter are evenly distributed between the measuring collectors and form equal currents of the working collectors Ic1 and Ic2. The emitter current is composed of the currents of the substrate, pocket, base and measuring collectors.
Под действием магнитного поля на носители, инжектируемые из эмиттера, действует сила Лоренца, которая отклоняет поток носителей к одной стороне прибора относительно середины эмиттера, а поток носителей другого знака отклоняется в противоположную сторону, что вызывает несимметричное распределение носителей тока в базе. Асимметричное распределение потоков носителей, экстрагируемых измерительными коллекторами, вызывает асимметрию токов этих коллекторов. В итоге разность падений напряжения на равных сопротивлениях нагрузки в цепи измерительных коллекторов является функцией величины магнитного поля, приложенного к прибору.Under the influence of a magnetic field on the carriers injected from the emitter, the Lorentz force acts, which deflects the carrier stream to one side of the device relative to the middle of the emitter, and the carrier stream of a different sign deviates in the opposite direction, which causes an asymmetric distribution of current carriers in the base. The asymmetric distribution of the carrier flows extracted by the measuring collectors causes an asymmetry in the currents of these collectors. As a result, the difference in voltage drops at equal load resistances in the circuit of the measuring collectors is a function of the magnitude of the magnetic field applied to the device.
Схема подачи напряжения на прибор с введением электрического соединения между контактами к базе и контактами к карману, показанная на фиг.3, обеспечивает отсутствие напряжения смещения на p - n-переходе подложка-карман и внешнего электрического поля в кармане. В отсутствии внешнего электрического поля в подложке около кармана данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через базу, переход база-карман, через карман в сторону подложки. В базе, кармане и подложке происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в карман и в подложку, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией зарядов носителей тока разного знака. Таким образом, практически исключается зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.The voltage supply circuit for the device with the introduction of an electrical connection between the contacts to the base and the contacts to the pocket, shown in Fig. 3, ensures that there is no bias voltage at the p - n junction of the substrate-pocket and an external electric field in the pocket. In the absence of an external electric field in the substrate near the pocket, this structure determines the diffusion mechanism of the flow of current carriers injected from the emitter through the base, the base-pocket transition, through the pocket toward the substrate. Injected charge carriers in the semiconductor bulk recombine in the base, pocket, and substrate with current carriers of a different sign, arising from contacts to the base and diffuse into the pocket and substrate, ensuring electroneutrality in the bulk of the semiconductor by compensating charges of different charge carriers. Thus, the dependence of the parameters of the device on the state of the surface of the device is practically eliminated.
Особенность данного прибора в части распределения областей с различной плотностью тока иллюстрируется приведенными на фиг.4, 5 распределениями потоков электронов и дырок в базе, кармане и подложке при приложении магнитного поля. Как видно на этих фигурах, интенсивная рекомбинация проходит по оси симметрии вдоль распространения инжектированного потока электронов. Поток электронов уменьшается по мере удаления от эмиттера за счет рекомбинации и растекания после выхода в карман на потоки, идущие к измерительным коллекторам и контактам к подложке.The peculiarity of this device in terms of the distribution of regions with different current densities is illustrated by the distributions of electron and hole fluxes in the base, pocket, and substrate shown in Figs. 4 and 5 when a magnetic field is applied. As can be seen in these figures, intense recombination proceeds along the axis of symmetry along the propagation of the injected electron flux. The electron flux decreases with distance from the emitter due to recombination and spreading after reaching the pocket for flows to the measuring collectors and contacts to the substrate.
Для определенности считаем, что подложка - кремниевая и имеет р-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области кармана n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки, далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости базового слоя, подлегирования базы и контактов к базе, к подложке. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману, эмиттера и измерительных коллекторов. Для обеспечения соединения прибора с внешней электрической схемой на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка.For definiteness, we consider that the substrate is silicon and has p-type conductivity. The manufacture of the device begins with the formation of the pocket region of the n-type conductivity using photolithography, ion doping and thermal distillation, then using the same technological processes, p-type conductivity regions of the base layer are formed, and the base and contacts to the base and substrate are matched. Fabrication of the structure continues with the formation of n-type conductivity regions of contacts to the pocket, emitter, and measuring collectors. To ensure the connection of the device with an external electrical circuit, a dielectric layer of silicon oxide is applied to the surface of the device, contact windows to all areas and aluminum wiring are formed.
На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и контакты к карману подается положительное напряжение смещение относительно эмиттера, а на подложку одинаковое напряжение с эмиттером. На выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через элементы нагрузки.Voltage is applied to the terminals of the device: a positive voltage offset to the emitter is applied to the base contacts and contacts to the pocket, and the same voltage as the emitter is applied to the substrate. The collector leads are supplied with positive voltage from the power source through the load elements.
Протекание дырочного тока от базы к эмиттеру создает инжекцию электронного тока из эмиттера. Часть потока инжектированных электронов рекомбинирует с дырками в кармане, другая часть проходит в карман и рекомбинирует с дырками, которые приходят в карман из базового контакта для компенсации электрического заряда электронов. Еще одна часть электронного тока доходит до измерительных коллекторов и экстрагируется в них, создавая ток нагрузки. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю.The flow of hole current from the base to the emitter creates an injection of electron current from the emitter. Part of the stream of injected electrons recombines with holes in the pocket, another part passes into the pocket and recombines with holes that come into the pocket from the base contact to compensate for the electric charge of the electrons. Another part of the electronic current reaches the measuring collectors and is extracted into them, creating a load current. The device has a symmetrical structure and the same loads, so the currents of the working collectors are equal and the voltage difference at the outputs between the two collectors is zero.
В магнитном поле, направленном вдоль оси эмиттера, под действием силы Лоренца потоки носителей тока электронов и дырок, текущие в одном направлении испытывают отклонение в противоположные стороны. Потоки дырок, идущих из двух контактов к базе в сторону подложки, отклоняются, например, направо, а поток электронов, идущий из эмиттера в сторону подложки между двух потоков дырок из контактов к базе, отклоняется влево. Под действием магнитного поля происходит усиление перемешивания потока электронов с левым потоком дырок и ослабление перемешивания потока электронов с правым потоком дырок, что приводит к усилению рекомбинации слева и ослаблению рекомбинации справа. Возникает ассиметрия потоков электронов, соответственно, ток рабочего коллектора слева уменьшается, а ток правого коллектора увеличивается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.In a magnetic field directed along the axis of the emitter, under the action of the Lorentz force, the fluxes of current carriers of electrons and holes flowing in one direction experience deviation in opposite directions. The fluxes of holes coming from two contacts to the base toward the substrate are deflected, for example, to the right, and the electron flux coming from the emitter toward the substrate between two fluxes of holes from the contacts to the base is deflected to the left. Under the influence of a magnetic field, the mixing of the electron stream with the left hole stream is intensified and the mixing of the electron stream with the right hole stream is weakened, which leads to increased recombination on the left and weakened recombination on the right. There is an asymmetry of electron flows, respectively, the current of the working collector on the left decreases, and the current of the right collector increases. At the same loads, a difference in the voltage drop occurs and between the collectors there is a voltage difference, which depends on the magnitude of the magnetic field.
Прибор обладает новым качеством - разделение инжектированного потока электронов в кармане и дырок в подложке от токов измерительных коллекторов. Воздействие силы Лоренца на большие токи эмиттера, базы создает их большое изменение и связанное с этим изменение токов измерительных коллекторов намного большее, чем их начальный разбаланс и изменение в магнитном поле. Вместе с повышением чувствительности снижается погрешность измерения из-за разбаланса тока измерительных коллеторов и влияние инжекционных токов на другие элементы интегральной схемы.The device has a new quality - the separation of the injected electron flow in the pocket and the holes in the substrate from the currents of the measuring collectors. The impact of the Lorentz force on large emitter currents, the base creates a large change in them and the associated change in the currents of the measuring collectors is much larger than their initial imbalance and change in the magnetic field. Together with an increase in sensitivity, the measurement error is reduced due to the imbalance of the current of the measuring collectors and the effect of injection currents on other elements of the integrated circuit.
Источники информацииInformation sources
1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника / Учебник. Изд. ДМК Пресс, 2001.1. Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics / Textbook. Ed. DMK Press, 2001.
2. Балтес Г.П., Попович Р.С. Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля // ТИИЭР, т.74. 1986. №8. С.60-90.2. Baltes G.P., Popovich R.S. Integrated semiconductor magnetic field sensors // TIIER, vol. 74. 1986. No. 8. S.60-90.
3. Патент США 3389230.3. US patent 3389230.
4. Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А. Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами // ФТП, 1978, т.12, №1, стр.48-50.4. Mitnikova I.M., Persiyanov T.V., Rekalova G.I., Shtyubner G.A. Study of the characteristics of silicon lateral magnetotransistors with two measuring collectors // FTP, 1978, v. 12, No. 1, pp. 48-50.
5. Патент США 4100563.5. US patent 4100563.
6. Патент США 4700211.6. US patent 4700211.
7. Патент США 5179429.7. U.S. Patent 5,179,429.
8. R.S.Popovic, H.P.Baltes. Dual-collector magnetotransistor optimized with respect to injection modulation// Sensor and Actuators. Vol.4, 1983, pp.155-163.8. R. S. Popovic, H. P. Baltes. Dual-collector magnetotransistor optimized with respect to injection modulation // Sensor and Actuators. Vol.4, 1983, pp. 155-163.
9. Патент США 4939563.9. US patent 4939563.
10. Патент США 5099298.10. U.S. Patent 5,099,298.
11. Патент РФ 2127007 С1.11. RF patent 2127007 C1.
12. Патент США 5323050.12. US Patent 5,323,050.
13. Патент США 5393678.13. US patent 5393678.
14. Патент РФ 2008748 С1.14. RF patent 2008748 C1.
15. Патент США 4607271.15. US patent 4607271.
16. Патент США 6180419 В1.16. U.S. Patent 6,180,419 B1.
17. Патент РФ 2055419 С1.17. RF patent 2055419 C1.
18. Патент РФ 2127007 С1.18. RF patent 2127007 C1.
19. Патент РФ 2239916 - прототип.19. RF patent 2239916 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004132549/28A RU2284612C2 (en) | 2004-11-10 | 2004-11-10 | Semiconductor magnetic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004132549/28A RU2284612C2 (en) | 2004-11-10 | 2004-11-10 | Semiconductor magnetic transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2284612C2 true RU2284612C2 (en) | 2006-09-27 |
Family
ID=37436693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004132549/28A RU2284612C2 (en) | 2004-11-10 | 2004-11-10 | Semiconductor magnetic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2284612C2 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2498457C1 (en) * | 2012-05-15 | 2013-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Three-collector bipolar magnetic transistor |
| RU2515377C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Orthogonal magnetotransistor converter |
| RU2550756C1 (en) * | 2013-11-19 | 2015-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers |
| RU2559161C1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Metal semiconductor device |
| RU2591736C1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Magnetic transistor with collector current compensation |
| RU2629712C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-08-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Double-header metal-semiconductor device |
| RU2743625C1 (en) * | 2020-05-28 | 2021-02-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Реформ" | Magnetic field transducer with functionally integrated structure |
-
2004
- 2004-11-10 RU RU2004132549/28A patent/RU2284612C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2498457C1 (en) * | 2012-05-15 | 2013-11-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Three-collector bipolar magnetic transistor |
| RU2515377C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Orthogonal magnetotransistor converter |
| RU2550756C1 (en) * | 2013-11-19 | 2015-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers |
| RU2559161C1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Metal semiconductor device |
| RU2591736C1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Magnetic transistor with collector current compensation |
| RU2629712C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-08-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Double-header metal-semiconductor device |
| RU2743625C1 (en) * | 2020-05-28 | 2021-02-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Реформ" | Magnetic field transducer with functionally integrated structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9285439B2 (en) | Vertical hall sensor with series-connected hall effect regions | |
| CN102313563A (en) | Hall element | |
| JPH01251763A (en) | Vertical hall element and integrated magnetic sensor | |
| RU2284612C2 (en) | Semiconductor magnetic transducer | |
| RU2439748C1 (en) | Planar bipolar magnetic transistor | |
| RU2422943C1 (en) | Planar magnetic-transistor converter | |
| RU2515377C1 (en) | Orthogonal magnetotransistor converter | |
| RU2498457C1 (en) | Three-collector bipolar magnetic transistor | |
| RU2550756C1 (en) | Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers | |
| RU2239916C1 (en) | Magnetic field sensing semiconductor device | |
| Zieren et al. | Comment on" Magnetic transistor behavior explained by modulation of emitter injection, not carrier deflection" | |
| Leepattarapongpan et al. | A merged magnetotransistor for 3-axis magnetic field measurement based on carrier recombination–deflection effect | |
| RU2127007C1 (en) | Magnetic-field sensing bipolar transistor | |
| JPS6197574A (en) | Semiconductor current detector | |
| RU2591736C1 (en) | Magnetic transistor with collector current compensation | |
| Nagy et al. | 3D magnetic-field sensor using only a pair of terminals | |
| RU2387046C1 (en) | Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor | |
| CN108574040A (en) | Semiconductor device | |
| JP3431326B2 (en) | Hall element and electric quantity measuring device | |
| JP2004296469A (en) | Hall element | |
| RU2300824C1 (en) | Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display | |
| RU2559161C1 (en) | Metal semiconductor device | |
| Kozlov et al. | Dual-collector lateral bipolar magnetotransistor: carrier transport and relative sensitivity | |
| Tikhonov | An integrated magnetotransistor sensor | |
| Phetchakul et al. | The deflection length and emitter width on sensitivity of magnetotransistor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131111 |