RU2300824C1 - Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display - Google Patents

Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display Download PDF

Info

Publication number
RU2300824C1
RU2300824C1 RU2005137764/28A RU2005137764A RU2300824C1 RU 2300824 C1 RU2300824 C1 RU 2300824C1 RU 2005137764/28 A RU2005137764/28 A RU 2005137764/28A RU 2005137764 A RU2005137764 A RU 2005137764A RU 2300824 C1 RU2300824 C1 RU 2300824C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
contacts
magnetic
pocket
base
Prior art date
Application number
RU2005137764/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роберт Дмитриевич Тихонов (RU)
Роберт Дмитриевич Тихонов
Original Assignee
Роберт Дмитриевич Тихонов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Роберт Дмитриевич Тихонов filed Critical Роберт Дмитриевич Тихонов
Priority to RU2005137764/28A priority Critical patent/RU2300824C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2300824C1 publication Critical patent/RU2300824C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: semiconductor electronics; magnetic field sensing semiconductor devices (bipolar structures).
SUBSTANCE: proposed current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display has semiconductor device responsive to magnetic field, as well as magnetic-field responsive loading and amplifying MOS transistors of bipolar double-collector type. Magnetic-field responsive base region of semiconductor device is isolated from substrate by diffusion pocket accommodating beyond-base-region contacts; highly doped contact regions are formed in substrate; substrate contacts and emitter are electrically interconnected and placed at equal potential. Loading and amplifying MOS transistors are disposed in separate pocket and function to transmit signals from magnetic-field sensing double-collector lateral bipolar transistor to light-emitting diode display.
EFFECT: reduced impact of device substrate currents onto integrated-circuit adjacent parts, reduced measurement error brought in by initial unbalance of transistor collector currents.
1 cl, 7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.The present invention relates to semiconductor electronics, semiconductor devices - bipolar structures with sensitivity to the influence of a magnetic field. Semiconductor sensors of magnitude and direction of the magnetic field are becoming more widespread in integrated microsystems due to the possibility of combining them with other components of microsystems using microelectronics methods and the creation of microminiature devices for monitoring and control in automated complexes for various purposes.

Среди многих видов полупроводниковых магниточувствительных элементов резисторов, диодов, датчиков Холла, биполярных и МОП двухколлекторных транзисторов биполярный двухколлекторный магниточувствительный транзистор вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокой чувствительности и избирательности к направлению магнитного поля.Among many types of semiconductor magnetosensitive elements of resistors, diodes, Hall sensors, bipolar and MOS two-collector transistors, a bipolar two-collector magnetosensitive transistor is of particular interest due to the possibility of obtaining high sensitivity and selectivity to the direction of the magnetic field.

В статье /1/ и в патенте /2/ описан датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю, реализованный на магнитотранзисторах по КМОП технологии. Вокруг эмиттера в общем кармане расположены четыре пары коллекторных областей и четыре базовых контакта. Полезный сигнал в виде тока коллекторов получается при подаче напряжении смещения подложки относительно кармана.In the article / 1 / and in the patent / 2 / a sensor is described that is sensitive to a three-dimensional magnetic field, implemented on magnetotransistors according to CMOS technology. Around the emitter in a common pocket are four pairs of collector areas and four base contacts. A useful signal in the form of collector current is obtained by applying a bias voltage to the substrate relative to the pocket.

В патенте /3/ предлагается датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю. Прибор состоит из датчиков Холла, определяющих три компоненты магнитного поля Вх, By, Bz и электронной схемы. Прямоугольные кристаллы датчиков Холла имеют активную область одного типа проводимости. По углам этой области размещены четыре токовых электрода с внешним соединением пар диагонально расположенных электродов. По сторонам прямоугольника имеются четыре потенциальных электрода. Потенциальные электроды соединены с входами компораторов электронной схемы. Суммируя или вычитая потенциалы, электронная схема выдает три сигнала, пропорциональные трем компонентам магнитного поля.The patent / 3 / proposes a sensor sensitive to a three-dimensional magnetic field. The device consists of Hall sensors that detect the three components of the magnetic field Bx, By, Bz and an electronic circuit. The rectangular crystals of the Hall sensors have an active region of one type of conductivity. Four current electrodes with an external connection of pairs of diagonally located electrodes are placed at the corners of this region. There are four potential electrodes on the sides of the rectangle. Potential electrodes are connected to the inputs of the compilers of the electronic circuit. By adding or subtracting potentials, the electronic circuit generates three signals proportional to the three components of the magnetic field.

На основе датчиков, чувствительных к магнитному полю, создаются компасы, позволяющие определить направление магнитного поля Земли и получить данные об ориентации и направлении движения движущихся объектов.Based on sensors sensitive to a magnetic field, compasses are created that allow you to determine the direction of the Earth's magnetic field and obtain data on the orientation and direction of motion of moving objects.

В патенте /4/ предлагается компас с люминесцентной индикацией. В состав прибора входят источник питания, драйвер для люминесцентной панели, люминесцентная панель, панель управления драйвером, схема делителя напряжения и модуль электронного компаса. Модуль электронного компаса выдает сигнал об ориентации, который передается на драйвер и с него на люминесцентную панель. При установке на автомобиль компаса с люминесцентной индикацией получается информация об ориентации и направлении движения автомобиля.In the patent / 4 / a compass with a luminescent indication is proposed. The device includes a power source, a driver for the luminescent panel, a luminescent panel, a driver control panel, a voltage divider circuit, and an electronic compass module. The electronic compass module gives an orientation signal, which is transmitted to the driver and from it to the fluorescent panel. When a compass with a fluorescent display is installed on a car, information is obtained on the orientation and direction of movement of the car.

В патенте /5/ предлагается компас с индикатором направления. Используя спутниковую систему навигации, предлагается портативный компас на основе приемника, декодера и малогабаритного дисплея с указанием сторон света.Patent / 5 / proposes a compass with a direction indicator. Using a satellite navigation system, a portable compass based on the receiver, decoder and small-sized display indicating the cardinal points is offered.

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 /6/.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, the first and second working collectors located outside the pocket - the first and second contacts to the substrate, the diffusion areas of the contacts to the base are located closer to Mitter than working collectors, the dimensions 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 / 6 /.

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 the substrate currents of the semiconductor device sensitive to a magnetic field on adjacent elements of the integrated circuit and to reduce the measurement error due to the initial imbalance of the collector currents of the bipolar two-collector magnetosensitive transistor.

Суть изобретения состоит в изменении структуры латерального биполярного магниточувствительного транзистора за счет введения в подложку кармана для разделения от подложки базового слоя, в котором формируются эмиттер и измерительные коллектора, и введения режима работы с электрическим соединением между контактами к эмиттеру и контактами к подложке. Такая структура и режим работы создают преимущественное направление потока инжектированных из эмиттера носителей заряда в сторону контактов к карману, а инжектированных из контакта к базе носителей заряда - в сторону контактов к подложке. 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. При этом инжектированные в подложку носители заряда являются основными и практически не влияют на соседние элементы интегральной схемы. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков и их рекомбинацию так, что повышается чувствительность и снижается влияние начального разбаланса токов коллекторов. Нагрузочные и усилительный р-канальные МОП-транзисторы располагаются в отдельном кармане на той же подложке.The essence of the invention is to change the structure of the lateral bipolar magnetosensitive transistor by introducing into the substrate a pocket for separation from the substrate of the base layer in which the emitter and measuring collectors are formed, and introducing an operating mode with an electrical connection between the contacts to the emitter and the contacts to the substrate. Such a structure and operation mode create a predominant flow direction of the 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 toward the contacts to the substrate. 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. In this case, the charge carriers injected into the substrate are the main ones and practically do not affect neighboring elements of the integrated circuit. The magnetic field affects the carrier fluxes of both signs and their recombination so that the sensitivity increases and the influence of the initial imbalance of collector currents decreases. Load and amplification r-channel MOS transistors are located in a separate pocket on the same substrate.

На фиг.1 представлено поперечное сечение интегрального токомагнитного датчика, топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2, первая электрическая схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором дана на фиг.3, вторая электрическая схема включения дана на фиг.4, на фиг.5 показаны зависимости токов эмиттера, кармана, базы, измерительного коллектора в полупроводниковом токомагнитном преобразователе от напряжения смещения между базой и эмиттером, на фиг.6 даны зависимости относительной магниточувствительности по току от напряжения смещения базы при нескольких значениях магнитной индукции, на фиг.7 даны зависимости токов измерительных коллекторов при выбранном напряжении смещения базы от угла поворота датчика в горизонтальной плоскости.Figure 1 shows the cross-section of an integrated current-magnetic sensor, the topology of the planar structure of the device is shown in figure 2, the first electrical circuit for energizing an integrated current-magnetic sensor with an LED indicator is shown in figure 3, the second electrical circuit is shown in figure 4, Fig. 5 shows the dependences of the currents of the emitter, pocket, base, measuring collector in a semiconductor current-magnetic converter on the bias voltage between the base and the emitter, and Fig. 6 shows the dependences current sensitivity from the bias voltage of the base at several values of magnetic induction, Fig. 7 shows the dependences of the currents of the measuring collectors at the selected bias voltage of the base on the angle of rotation of the sensor in the horizontal plane.

Интегральный токомагнитный датчик состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1)); глубокого кармана (2) для МОП-транзисторов, глубокого кармана (3) для БМТ, расположенных на поверхности подложки и имеющих малую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; области базы (4) первого типа проводимости, расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3) в виде областей с сильным легированием примесью, создающей второй тип проводимости; областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4), имеющих ширину и глубину не менее глубины и ширины базы и имеющих сильное легирование первого типа проводимости; сильнолегированных областей второго типа проводимости с глубиной меньше глубины базы и расположенных внутри базы эмиттера (8), первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов; области контакта к подложке (12), имеющей сильное легирование первого типа проводимости; контактов (13), (19) к карману (2) в виде областей с сильным легированием примесью, создающей второй тип проводимости; стока нагрузочного МОП-транзистора (14), стока усилительного МОП-транзистора (18), истока нагрузочного и усилительного МОП-транзисторов (16), имеющих сильное легирование первого типа проводимости; затвора нагрузочного МОП- транзистора (15); затвора усилительного МОП-транзистора (17) (Фиг.1).The integrated current-magnetic sensor consists of a single-crystal substrate of the first type of conductivity (1)); a deep pocket (2) for MOS transistors, a deep pocket (3) for BMTs located on the surface of the substrate and having a low concentration of impurities, creating a second type of conductivity; base area (4) of the first type of conductivity located in the pocket (3); contacts (5), (11) to the pocket (3) in the form of regions with strong doping with an impurity that creates a second type of conductivity; areas of contacts to the base (7) and (9) located in the base (4), having a width and depth not less than the depth and width of the base and having strong alloying of the first type of conductivity; heavily doped regions of the second type of conductivity with a depth less than the depth of the base and located inside the base of the emitter (8), the first (6) and second (10) measuring collectors; the area of contact to the substrate (12) having strong doping of the first type of conductivity; contacts (13), (19) to the pocket (2) in the form of regions with strong doping with an impurity that creates a second type of conductivity; the drain of the load MOS transistor (14), the drain of the amplifier MOS transistor (18), the source of the load and amplifier MOS transistors (16) having strong doping of the first type of conductivity; gate of the load MOS transistor (15); the gate of the amplifying MOS transistor (17) (Figure 1).

На фиг.2 представлена топология планарной структуры интегрального токомагнитного датчика, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1)); глубокого кармана (2) для МОП-транзисторов, глубокого кармана (3) для БМТ; области базы (4), расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3); областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4); областей эмиттера (8), первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов, расположенных внутри базы; области контакта к подложке (12); контактов (13), (19) к карману (2); стоков нагрузочных МОП-транзисторов (14), (20), стока усилительного МОП-транзистора (18), истока нагрузочного и усилительного МОП-транзисторов (16); затвора нагрузочных МОП транзисторов (15); затвора усилительного МОП-транзистора (17).Figure 2 shows the topology of the planar structure of an integrated tokomagnetic sensor, where the device consists of a single-crystal substrate of the first type of conductivity (1)); deep pocket (2) for MOS transistors, deep pocket (3) for BMT; base area (4) located in the pocket (3); contacts (5), (11) to the pocket (3); areas of contacts to the base (7) and (9) located in the base (4); areas of the emitter (8), the first (6) and second (10) measuring collectors located inside the base; the area of contact to the substrate (12); contacts (13), (19) to the pocket (2); sinks of load MOS transistors (14), (20), drain of amplification MOS transistor (18), source of load and amplification MOS transistors (16); gate load MOS transistors (15); MOS transistor gate (17).

На фиг.3 дана электрическая схема включения напряжения, где напряжение питания Епит подается на истоки МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2, РМОПЗ и на делитель напряжения R1, R2. Стоки нагрузочных МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2 соединяются с измерительными коллекторами К1 и К2 полупроводникового токомагнитного преобразователя. Затворы нагрузочных МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2 соединяются между собой и с измерительным коллектором К1 полупроводникового токомагнитного преобразователя. Затвор усилительного транзистора РМОПЗ соединяется с измерительным коллектором К2 и стоком нагрузочного МОП-транзистора РМОП2. Сток усилительного МОП-транзистора РМОПЗ соединяется со светодиодом СД. Средняя точка делителя напряжения R1, R2 соединяется с контактами к базе Б1, Б2 и с контактами к карману КК. Делитель напряжения обеспечивает задание напряжения смещения базы Uб относительно общей точки, к которой присоединяютя эмиттер Э полупроводникового токомагнитного преобразователя, контакт к подложке П, второй вывод светодиода СД и делителя напряжения R1, R2. Нагрузочные РМОП-транзисторы включены по схеме токового зеркала.Figure 3 shows the electrical circuit voltage, where the power supply Epit is supplied to the sources of the MOS transistors RMOP1, RMOP2, RMOPZ and the voltage divider R1, R2. The effluent of the load MOS transistors RMOP1, RMOP2 are connected to the measuring collectors K1 and K2 of the semiconductor current-magnetic converter. The gates of the load MOS transistors RMOP1, RMOP2 are connected to each other and to the measuring collector K1 of the semiconductor current-magnetic converter. The gate of the amplifying transistor RMOPZ is connected to the measuring collector K2 and the drain of the load MOS transistor RMOP2. The drain of the amplifying MOSFET transistor RMOPZ is connected to the LED LED. The midpoint of the voltage divider R1, R2 is connected with the contacts to the base B1, B2 and with the contacts to the pocket QC. The voltage divider provides the task of the bias voltage of the base Ub relative to the common point to which the emitter E of the semiconductor current-magnetic converter is connected, contact to the substrate P, the second output of the LED LED and the voltage divider R1, R2. Load RMOS transistors are included according to the current mirror circuit.

На фиг.4 дана вторая электрическая схема включения напряжения, которая отличается от первой схемы тем, что нагрузочные транзисторы РМОП1, РМОП2 соединяются в параллель и имеют вид полевых диодов с соединением затвора и стока.In Fig. 4, a second voltage switching circuit is given, which differs from the first circuit in that the load transistors RMOP1, RMOP2 are connected in parallel and have the form of field diodes with a gate and drain connection.

На фиг.5 показаны зависимости токов эмиттера Ie, кармана Ib, базы Ib, измерительного коллектора Ic в полупроводниковом токомагнитном преобразователе от напряжения смещения между базой и эмиттером Ube в диапазоне от 0,6 до 1,0 В. Быстрый рост тока измерительного коллектора начинается после порога срабатывания Ube=0,77 В.Figure 5 shows the dependences of the currents of the emitter Ie, pocket Ib, base Ib, measuring collector Ic in a semiconductor current-magnetic converter on the bias voltage between the base and emitter Ube in the range from 0.6 to 1.0 V. A rapid increase in the current of the measuring collector begins after response threshold Ube = 0.77 V.

На фиг.6 даны для конкретного прибора зависимости относительной магниточувствительности по току Sr=(Ic1-Ic2)/(Ic1+Ic2) В, 1/Тл от напряжения смещения базы Ube в диапазоне от 0,78 до 1,0 В при значениях магнитной индукции 3, 9, 17, 33, 60, 120, 180 мТл однородного магнитного поля в электромагните. При малых величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора меньше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность имеет отрицательный знак, а по величине изменяется и достигает значения 7 Т-1 в слабом магнитном поле. При больших величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора больше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность имеет положительный знак.Fig. 6 shows, for a particular device, the dependences of the relative current magnetosensitivity Sr = (Ic1-Ic2) / (Ic1 + Ic2) V, 1 / T on the bias voltage of the base Ube in the range from 0.78 to 1.0 V at magnetic induction 3, 9, 17, 33, 60, 120, 180 mT of a uniform magnetic field in an electromagnet. For small values of the bias voltage between the emitter and the base, the current of the left collector is less than the current of the right collector, therefore, the relative magnetosensitivity has a negative sign, and changes in magnitude and reaches 7 T -1 in a weak magnetic field. With large bias voltages between the emitter and the base, the current of the left collector is greater than the current of the right collector, therefore, the relative magnetosensitivity has a positive sign.

На фиг.7 для конкретного прибора даны зависимости токов измерительных коллекторов Ic1, Ic2 при напряжения смещения базы Ube=0,78 В и вращении датчика в горизонтальной плоскости на 360 градусов в неоднородном слабом магнитом поле. Изменение величины токов коллекторов в этом случае больше, чем их относительное различие.In Fig. 7, for a particular device, the dependences of the currents of the measuring collectors Ic1, Ic2 are given for a base bias voltage of Ube = 0.78 V and a rotation of the sensor in the horizontal plane 360 degrees in an inhomogeneous weak magnetic field. The change in the magnitude of the collector currents in this case is greater than their relative difference.

На фиг.3 дана схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик. Контакты к базе и к карману электрически соединены, что обеспечивает отсутствие напряжения смещения на pn-переходе база-карман. В отсутствии внешнего электрического поля данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через базу в карман. В базе и в кармане происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в базе, в кармане и в подложке, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией носителей заряда разного знака. Таким образом, объемный характер процессов в полупроводниковом токомагнитном преобразователе практически исключает зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.Figure 3 is a diagram of the voltage on the integrated tokomagnetic sensor. The contacts to the base and to the pocket are electrically connected, which ensures the absence of bias voltage at the base-pocket pn junction. In the absence of an external electric field, this structure determines the diffusion mechanism of the flow of current carriers injected from the emitter through the base into the pocket. In the base and in the pocket, the injected current carriers in the semiconductor volume recombine with current carriers of a different sign, arising from contacts to the base and diffusing in the base, in the pocket, and in the substrate, ensuring electroneutrality in the semiconductor volume by compensation of charge carriers of different signs. Thus, the volumetric nature of the processes in a semiconductor current-magnetic converter practically eliminates the dependence of the parameters of the device on the state of the surface of the device.

Электрическое соединение между эмиттером и контактами к подложке обеспечивает подачу напряжения смещения на рп-переход подложка-карман в закрытом направлении. Электрическое поле на закрытом pn-переходе подложка-карман помогает дыркам преодолевать переход и уходить из кармана в подложку, в то же время ограничивает перемещение электронов в подложку. Разделение электронов и дырок уменьшает влияние избыточных носителей в подложке на соседние элементы интегральной схемы.The electrical connection between the emitter and the contacts to the substrate provides bias voltage to the substrate-pocket pn junction in the closed direction. The electric field at the closed pn junction of the substrate-pocket helps the holes to overcome the transition and leave the pocket into the substrate, at the same time restricting the movement of electrons into the substrate. The separation of electrons and holes reduces the effect of excess carriers in the substrate on neighboring elements of the integrated circuit.

Механизм чувствительности определяется распределением концентраций электронов и дырок и их рекомбинацией в объеме. В магнитном поле под действием силы Лоренца происходит изменение положения линий тока, концентрации электронов и дырок и соответственно скорости их рекомбинации. Это концентрационно-рекомбинационный механизм магнитной чувствительности по току.The sensitivity mechanism is determined by the distribution of electron and hole concentrations and their recombination in the bulk. In a magnetic field under the action of the Lorentz force, a change occurs in the position of streamlines, the concentration of electrons and holes and, accordingly, their recombination rate. This is the concentration-recombination mechanism of magnetic current sensitivity.

Изменение линий тока приводит к изменению токов измерительных коллекторов, один из них увеличивается, другой - уменьшается. В этом случае схема токового зеркала на нагрузочных транзисторах, представленная на фиг.3, позволяет получить большое усиление сигнала по напряжению. Далее это напряжение поступает на затвор усилительного транзистора, который имеет размеры большие, чем нагрузочные транзисторы. Изменение тока в усилительном транзисторе приводит к изменению тока светодиода, что определяет его свечение. Таким образом, изменение магнитного поля индицируется по силе свечения светодиода.Changing the current lines leads to a change in the currents of the measuring collectors, one of them increases, the other decreases. In this case, the circuit of the current mirror on the load transistors, presented in figure 3, allows to obtain a large gain signal voltage. Further, this voltage is supplied to the gate of the amplifying transistor, which is larger than the load transistors. A change in current in the amplifying transistor leads to a change in the current of the LED, which determines its glow. Thus, a change in the magnetic field is indicated by the strength of the LED.

На фиг.4 дана схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик при изменении тока измерительных коллекторов, превышающем их относительное изменение. В этом случае нагрузочные транзисторы соединяются в параллель и на них происходит изменение напряжения при изменении суммарного тока двух измерительных коллекторов. Это позволяет исключить влияние начального разбаланса токов измерительных коллекторов на точность измерения.Figure 4 is a diagram of the voltage on the integrated tokomagnetic sensor when the current of the measuring collectors exceeds their relative change. In this case, the load transistors are connected in parallel and a voltage change occurs on them when the total current of the two measuring collectors changes. This eliminates the influence of the initial unbalance of the currents of the measuring collectors on the measurement accuracy.

Ток измерительного коллектора вблизи порога срабатывания меньше тока эмиттера на несколько порядков величины (фиг.5). Сила Лоренца пропорциональна величине тока, поэтому отклонение потоков носителей заряда из тока эмиттера может создавать в измерительном коллекторе гораздо большее изменение тока, чем изменение первоначального тока коллектора в магнитном поле. Поэтому полупроводниковый токомагнитный датчик вблизи порога срабатывания обладает высокой чувствительностью по току.The current of the measuring collector near the threshold is less than the emitter current by several orders of magnitude (Fig. 5). The Lorentz force is proportional to the magnitude of the current, so the deviation of the charge carrier flows from the emitter current can create a much larger change in current in the measuring collector than a change in the initial collector current in a magnetic field. Therefore, the semiconductor current-magnetic sensor near the threshold has a high current sensitivity.

Как следует из фиг.6, полупроводниковый токомагнитный преобразователь обладает высокой чувствительностью по току в слабых магнитных полях. Чувствительность по току изменяет свою величину и знак при увеличении напряжения смещения, т.е. при увеличении уровня инжекции.As follows from Fig.6, a semiconductor current-magnetic Converter has a high current sensitivity in weak magnetic fields. The current sensitivity changes its value and sign with increasing bias voltage, i.e. with an increase in injection level.

На фиг.7 показано, как зависят токи измерительных коллекторов при выбраном напряжения смещения и вращении датчика в неоднородном слабом магнитом поле, имеющемся в лабораторных условиях. Изменение величины токов коллекторов в этом случае больше, чем их относительное различие, поэтому для таких условий используется вторая схема включения (фиг.4).Figure 7 shows how the currents of the measuring collectors depend on the selected bias voltage and rotation of the sensor in an inhomogeneous weak magnetic field available in laboratory conditions. The change in the magnitude of the collector currents in this case is greater than their relative difference, therefore, for such conditions, a second switching circuit is used (Fig. 4).

Для определенности считаем, что подложка кремниевая и имеет р-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования областей карманов n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки, далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости базы, подзатворного окисла, поликремниевого затвора, сильнолегированных контактов к базе и подложке, истоки, стоки РМОП-транзисторов и завершается изготовление структуры формированием сильнолегированных областей n-типа проводимости контактов к карману, эмиттера и измерительных коллекторов. Для обеспечения электрического соединения на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка с контактными площадками.For definiteness, we assume that the substrate is silicon and has p-type conductivity. The manufacture of the device begins with the formation of pockets of n-type conductivity using photolithography, ion doping and thermal distillation, then using the same technological processes, p-type conductivity regions of the base, gate oxide, polysilicon gate, highly doped contacts to the base and substrate are formed, the sources , drains of RMOS transistors and the fabrication process is completed by the formation of heavily doped n-type regions of conductivity of contacts to the pocket, emitter, and measuring collector in. To provide an electrical connection, a dielectric layer of silicon oxide is applied to the surface of the device, contact windows to all areas and aluminum wiring with contact pads are formed.

На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и контакты к карману подается положительное напряжение относительно эмиттера и подложки, на выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через нагрузочные РМОП-транзисторы и делитель напряжения. Выходной ток усилительного РМОП-транзистор определяет интенсивность свечения светодиода. Визуально фиксируется интенсивность свечения при вращении датчика и максимальная интенсивность соответствует максимальному значению магнитной индукции. В случае измерения магнитного поля Земли максимальная индукции соответствует направлению север-юг.Voltage is applied to the terminals of the device: positive voltage relative to the emitter and the substrate is applied to the base contacts and contacts to the pocket, and positive voltage from the power source is supplied to the collector terminals through load-carrying RMOS transistors and a voltage divider. The output current of the amplifying RMOS transistor determines the intensity of the LED glow. The luminous intensity is visually fixed during rotation of the sensor and the maximum intensity corresponds to the maximum value of magnetic induction. In the case of measuring the Earth's magnetic field, the maximum induction corresponds to the north-south direction.

Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором позволяет получить микроминиатюрное устройство для определения направления магнитного поля. Параметры прибора определяются объемными свойствами полупроводника и мало зависят от состояния поверхности прибора, что определяет его высокую стабильность и воспроизводимость при изготовлении.An integrated current-magnetic sensor with an LED indicator allows you to get a microminiature device to determine the direction of the magnetic field. The parameters of the device are determined by the bulk properties of the semiconductor and depend little on the state of the surface of the device, which determines its high stability and reproducibility during manufacture.

Источники информацииInformation sources

1. Ristic Lj., Doan M.T., Paranjape M. / 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS Technology // Sensor and Actuators, A21-A23, 1990.1. Ristic Lj., Doan M.T., Paranjape M. / 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS Technology // Sensor and Actuators, A21-A23, 1990.

2. Патент США 5323050.2. US patent 5323050.

3. Патент США 6278271.3. US patent 6278271.

4. Патент США 6742270.4. US patent 6742270.

5. Патент США 6292137.5. US patent 6292137.

6. Патент РФ 2239916 - прототип.6. RF patent 2239916 - prototype.

Claims (1)

Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором, состоящий из латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на монокристаллической подложке первого типа проводимости, с базовой областью на поверхности подложки, имеющей малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, расположенные в базовой области сильно легированные области эмиттера, первого и второго рабочих коллекторов первого типа проводимости с глубиной, меньшей глубины базовой области, области контактов к базе, расположенные ближе к эмиттеру, чем коллекторы, и имеющие глубину не менее глубины базовой области, а длину - не менее ширины базовой области, расположенные вне базовой области первый и второй контакты, соединенные с контактами к базовой области и подключенные к одному и тому же источнику напряжения, отличающийся тем, что базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, в подложке и кармане формируются сильнолегированные области контактов, контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала, нагрузочные и усилительные МОП транзисторы для передачи сигнала с латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на светодиодный индикатор расположены в отдельном кармане.An integrated current-magnetic sensor with an LED indicator, consisting of a lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor on a single-crystal substrate of the first type of conductivity, with a base region on the surface of the substrate having a low concentration of impurities and a second type of conductivity, located in the base region are heavily doped regions of the emitter, the first and second working collectors of the first type of conductivity with a depth less than the depth of the base region, the area of contacts to the base, located closer to the emitter than the collectors, and having a depth not less than the depth of the base region, and a length not less than the width of the base region, the first and second contacts located outside the base region, connected to the contacts to the base region and connected to the same voltage source characterized in that the base region is separated from the substrate by a diffusion pocket, heavily doped contact areas are formed in the substrate and pocket, the contacts to the substrate and the emitter are electrically connected with the same potential, load f and amplifying MOS transistors for transmitting a signal from a lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor to an LED indicator are located in a separate pocket.
RU2005137764/28A 2005-12-06 2005-12-06 Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display RU2300824C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005137764/28A RU2300824C1 (en) 2005-12-06 2005-12-06 Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005137764/28A RU2300824C1 (en) 2005-12-06 2005-12-06 Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2300824C1 true RU2300824C1 (en) 2007-06-10

Family

ID=38312609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005137764/28A RU2300824C1 (en) 2005-12-06 2005-12-06 Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2300824C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7782050B2 (en) Hall effect device and method
US8085035B2 (en) Hall element and magnetic sensor
US7205622B2 (en) Vertical hall effect device
JPH01251763A (en) Vertical hall element and integrated magnetic sensor
US6744250B2 (en) Device for measuring the strength of a vector component of a magnetic field, current-measuring device and use of a field-effect transistor
RU2300824C1 (en) Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display
RU2387046C1 (en) Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor
RU2439748C1 (en) Planar bipolar magnetic transistor
RU2284612C2 (en) Semiconductor magnetic transducer
Xinyu et al. General characteristics and current output mode of MOS magnetic field sensor
RU2515377C1 (en) Orthogonal magnetotransistor converter
SU1702458A1 (en) Lateral bipolar magnetotransistor
RU2498457C1 (en) Three-collector bipolar magnetic transistor
RU2550756C1 (en) Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers
Lozanova et al. A novel three-axis hall magnetic sensor
RU2239916C1 (en) Magnetic field sensing semiconductor device
US20070222017A1 (en) Photodetector arrangement, measurement arrangement with a photodetector arrangement and process for operating a measurement arrangement
RU2437185C2 (en) Integral magnetotransistor sensor with digital output
Nagy et al. 3D magnetic-field sensor using only a pair of terminals
US6777766B2 (en) Device for sensing a magnetic field, magnetic field meter and an ammeter
JPH0369159A (en) Semiconductor device
RU2127007C1 (en) Magnetic-field sensing bipolar transistor
JP2017092466A (en) Semiconductor device, manufacturing method thereof, and controller for vehicle
Devlikanova et al. The Study of SOI Split-drain Field-effect Hall sensor In Partial Depletion Mode
RU2055419C1 (en) Bipolar transistor which is sensitive to magnetic field

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20101207