RU2387046C1 - Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor - Google Patents
Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387046C1 RU2387046C1 RU2008137269/28A RU2008137269A RU2387046C1 RU 2387046 C1 RU2387046 C1 RU 2387046C1 RU 2008137269/28 A RU2008137269/28 A RU 2008137269/28A RU 2008137269 A RU2008137269 A RU 2008137269A RU 2387046 C1 RU2387046 C1 RU 2387046C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- collectors
- contacts
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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-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 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 напряжения 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 using 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 when the bias voltage of the substrate relative to the pocket is applied.
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 компараторов 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 comparators 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.
В патенте /6/ 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.Patent / 6 / proposes a magnetic field sensitive semiconductor device 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, an emitter, the first and second working collectors located outside the pocket - the first and the second contacts to the substrate, the diffusion areas of the contacts to the base are located closer to the emitter than the working collectors, the sizes of the contact areas to the base are more or equal to w irina and the depth of the pocket, and the contacts to the base and the contacts to the substrate are connected to the same power source.
В патенте /7/ предлагается полупроводниковый магнитный преобразователь в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку первого типа проводимости, глубокий карман на поверхности подложки, имеющий малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, области контактов к базе, расположенные в кармане, сильнолегированные области первого типа проводимости с глубиной меньше глубины кармана, расположенные внутри кармана эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы и расположенные вне кармана первый и второй контакты к подложке, отличающийся тем, что 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 присоединены к одному и тому же источнику напряжения.The patent / 7 / proposes a semiconductor magnetic transducer in the form of a lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor containing a single-crystal substrate of the first type of conductivity, a deep pocket on the surface of the substrate having a low concentration of impurities and a second type of conductivity, contact areas to the base located in the pocket, heavily doped regions the first type of conductivity with a depth less than the depth of the pocket, located inside the pocket of the emitter, the first and second working col tori and first and second contacts to the substrate located outside the pocket, characterized in that the diffusion areas of the contacts to the base are closer to the emitter than the 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 substrate attached to the same voltage source.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент на изобретение /8/, в котором предлагается полупроводниковый 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 сильнолегированные области эмиттера, первого и второго рабочих коллекторов первого типа проводимости с глубиной меньше 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.The closest analogue adopted by us for the prototype is the patent for the invention / 8 /, which proposes a semiconductor 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 conductivity type, with a base region on the surface of the substrate having low concentration of impurities and the second type of conductivity, strongly doped regions of the emitter located in the base region, the first and second o working collectors of the first type of conductivity with a depth less than the depth of the base region, contact areas 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, located outside the base region of the first and second contacts 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, and heavily formed in the substrate and pocket The contact areas, the contacts to the substrate, and the emitter are electrically connected with the same potential supply; the load and amplifying MOS transistors for transmitting the signal from the lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor to the LED indicator are located in a separate pocket.
Основной недостаток токомагнитного датчика состоит в том, что разница напряжения на коллекторах транзистора при отсутствии магнитного поля - начальный разбаланс - входит в величину полезного сигнала, которым является разница напряжения между коллекторами при работе токомагнитного датчика в магнитном поле. Магнитотранзисторы имеют относительно большой и не повторяющийся от образца к образцу начальный разбаланс токов коллекторов, что снижает точность измерения и затрудняет их применение в составе интегральных схем. Начальный разбаланс непосредственно связан с режимом работы транзистора - с величиной токов, протекающих в базе, эмиттере и коллекторах.The main disadvantage of the current-magnetic sensor is that the voltage difference across the collectors of the transistor in the absence of a magnetic field - the initial imbalance - is included in the value of the useful signal, which is the voltage difference between the collectors when the current-magnetic sensor operates in a magnetic field. Magnetotransistors have a relatively large and not repeating from sample to sample initial imbalance of collector currents, which reduces the measurement accuracy and makes it difficult to use them as part of integrated circuits. The initial imbalance is directly related to the mode of operation of the transistor - with the magnitude of the currents flowing in the base, emitter and collectors.
Цель изобретения - уменьшение начального разбаланса - разницы напряжения на коллекторах двухколлекторного латерального магнитотранзистора при отсутствии магнитного поля - и уменьшение погрешности измерений, возникающей из-за невоспроизводимого начального разбаланса напряжения коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.The purpose of the invention is to reduce the initial imbalance - the voltage difference across the collectors of a two-collector lateral magnetotransistor in the absence of a magnetic field - and to reduce the measurement error arising from the irreproducible initial voltage imbalance of the collectors of a bipolar two-collector magnetically sensitive transistor.
Суть изобретения состоит в комплексном решении проблемы как за счет изменения структуры, так и за счет изменения электрической схемы включения биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.The essence of the invention is a comprehensive solution to the problem both by changing the structure, and by changing the electrical circuit of the inclusion of a bipolar two-collector magnetosensitive transistor.
Изменение структуры токомагнитного датчика на основе латерального биполярного магниточувствительного транзистора направлено на уменьшение плотности тока в электродах. Достигается это увеличением отношения ширины коллекторов и эмиттеров W, т.е. размеров электродов в направлении, перпендикулярном расстоянию между ними к расстоянию между эмиттером и коллекторами, т.е. длины базы L. Уменьшение плотности тока снижает неоднородность распределения тока в эмиттере, базе и коллекторах и разбаланс токов коллекторов, возникающий из-за неоднородности распределения тока.A change in the structure of a current-magnetic sensor based on a lateral bipolar magnetosensitive transistor is aimed at reducing the current density in the electrodes. This is achieved by increasing the ratio of the width of the collectors and emitters W, i.e. the dimensions of the electrodes in a direction perpendicular to the distance between them to the distance between the emitter and the collectors, i.e. the length of the base L. A decrease in current density reduces the heterogeneity of the current distribution in the emitter, base, and collectors and the imbalance of collector currents resulting from the heterogeneity of the current distribution.
Схемотехническое решение состоит во введении режима работы с заданием тока смещения кармана и электрического соединения двух контактов к базе с двумя коллекторами с помощью сопротивлений. Соединение контактов базы и коллекторов исключает переход биполярного магнитотранзистора в режим насыщения коллекторов и создает отрицательную обратную связь между напряжениями на базе и коллекторе. Отрицательная обратная связь стабилизирует рабочую точку и уменьшает разбаланс напряжения коллекторов. Изготовление сопротивлений в интегральной схеме токомагнитного датчика позволяет свести до минимума разницу между сопротивлениями в нагрузке коллекторов и в цепи коллектор-база и уменьшить разбаланс напряжений на коллекторах, связанный с различием коллекторных сопротивлений.The circuitry solution consists in introducing an operating mode with setting the bias current of the pocket and the electrical connection of two contacts to the base with two collectors using resistors. The connection of the base contacts and the collectors eliminates the transition of the bipolar magnetotransistor to the saturation mode of the collectors and creates a negative feedback between the voltages at the base and the collector. Negative feedback stabilizes the operating point and reduces the voltage imbalance of the collectors. The manufacture of resistances in an integrated circuit of a tokomagnetic sensor makes it possible to minimize the difference between the resistances in the load of the collectors and in the collector-base circuit and reduce the voltage imbalance on the collectors associated with the difference in collector resistances.
Общим положительным эффектом является снижение начального разбаланса напряжения на коллекторах в такой структуре и при таком режиме работы интегрального токомагнитного датчика на основе биполярного магнитотранзистора. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков так, что изменяются токи коллекторов и разность напряжения между коллекторами. Уменьшение начального разбаланса напряжения между коллекторами позволяет увеличить полезный сигнал по отношению к начальному и повысить чувствительность датчика.A common positive effect is a decrease in the initial unbalance of the voltage across the collectors in such a structure and in this mode of operation of the integrated current-magnetic sensor based on a bipolar magnetotransistor. The magnetic field influences the charge carrier flows of both signs so that the collector currents and the voltage difference between the collectors change. Reducing the initial voltage imbalance between the collectors allows you to increase the useful signal relative to the initial one and increase the sensitivity of the sensor.
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 дана на фиг.3. Вторая электрическая схема включения дана на фиг.4. Третья электрическая схема включения дана на фиг.5. На фиг.6 дана электрическая схема при работе в режиме переключения. На фиг.7 показаны зависимости токов и напряжений кармана, базы, измерительных коллекторов в интегральном токомагнитном датчике от напряжения питания. На фиг.8 даны зависимости начального разбаланса напряжения на коллекторах от напряжения питания для трех схем включения. На фиг.9 даны зависимости относительной абсолютной магниточувствительности по току от напряжения питания для трех схем включения.Figure 1 shows a cross section of an integrated tokomagnetic sensor. The topology of the planar structure of the device is presented in figure 2. The first electrical circuit for energizing the integrated magnetic current sensor is given in FIG. 3. The second electrical circuit is given in figure 4. The third wiring diagram is given in FIG. Figure 6 shows the electrical circuit when operating in switching mode. Figure 7 shows the dependences of the currents and voltages of the pocket, base, measuring collectors in the integrated current-magnetic sensor on the supply voltage. On Fig given the dependence of the initial unbalance of the voltage at the collectors from the supply voltage for the three switching circuits. Figure 9 shows the dependences of the relative absolute magnetosensitivity by current on the supply voltage for three switching circuits.
Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора состоит из монокристаллической подложки кремния первого типа проводимости (1); изолирующего окисла для формирования резистора (2), глубокого кармана, расположенного на поверхности подложки и имеющего малую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости (3); 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 первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов, эмиттера (8), области контакта к подложке (12), имеющей сильное легирование первого типа проводимости; контактов (13), (15) к сопротивлению (14) (фиг.1).An integrated current-magnetic sensor based on a bipolar magnetotransistor consists of a single-crystal silicon substrate of the first type of conductivity (1); insulating oxide for forming a resistor (2), a deep pocket located on the surface of the substrate and having a low concentration of impurities, creating a second type of conductivity (3); 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 inside the base of the first (6) and second (10) measuring collectors, emitter (8), the contact area to the substrate (12), which is heavily doped with the first type of conductivity; contacts (13), (15) to the resistance (14) (figure 1).
На фиг.2 представлена топология планарной структуры интегрального токомагнитного датчика, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1); изолирующего окисла для формирования резистора (2), глубокого кармана (3); 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 области базы (4); области контакта к подложке (12); контактов (13), (15) к резистору (14). Особенностью структуры интегрального токомагнитного датчика является отношение расстояния между эмиттером и коллекторами, т.е. ширины коллекторов и эмиттеров W и длины базы L, т.е. размеров электродов в направлении, перпендикулярном расстоянию между ними. Снижение плотности тока эмиттера и коллекторов, необходимое для получения малой разности начальных токов коллекторов, достигается при отношении W/L более 3.Figure 2 presents 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); an insulating oxide to form a resistor (2), a deep pocket (3); 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 area (4); the area of contact to the substrate (12); contacts (13), (15) to the resistor (14). A feature of the structure of the integrated tokomagnetic sensor is the ratio of the distance between the emitter and the collectors, i.e. the width of the collectors and emitters W and the base length L, i.e. the size of the electrodes in a direction perpendicular to the distance between them. The decrease in the current density of the emitter and the collectors, necessary to obtain a small difference in the initial currents of the collectors, is achieved with a W / L ratio of more than 3.
На фиг.3 дана электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы RK1, RK2, RK. Через резистор RK задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами K1, K2, ток в которые задается через сопротивления RK1, RK2. Между коллектором K1 и контактом к базе Б1, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор K1, включается сопротивление RБ1, а между коллектором K2 и контактом к базе Б2, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление RБ2. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов UK1-UK2.Figure 3 is an electrical diagram of the voltage inclusion of the integrated tokomagnetic sensor. The supply voltage Epit is supplied to the resistors R K1 , R K2 , R K. Through the resistor R K, the pocket current K, which is the third collector, is set, along with two measuring collectors K1, K2, the current into which is set through the resistors R K1 , R K2 . Between the collector K1 and terminal to the base B1 disposed on the same side of the emitter as the collector K1, included resistance R B1, and between the collector K2 and the contact to the base B2, positioned on the same side of the emitter as the collector K2 is included resistance R B2 . The output voltage is measured as the potential difference of the measuring collectors U K1 -U K2 .
На фиг.4 дана вторая электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы RK1, RK2, RK. Через резистор RK задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами К1, К2, ток в которые задается через сопротивления RK1, RK2. Между коллектором К1 и контактом к базе Б2, расположенным с другой стороны от эмиттера как коллектор К1, включается сопротивление RБ1, а между коллектором К2 и контактом к базе Б1, расположенным с другой стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление RБ2. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов UK1-UK2.In Fig. 4, a second electrical circuit for voltage inclusion of an integrated tokomagnetic sensor is given. The supply voltage Epit is supplied to the resistors R K1 , R K2 , R K. Through the resistor R K, the current of the pocket K, which is the third collector, is set, along with two measuring collectors K1, K2, the current into which is set through the resistance R K1 , R K2 . Between the collector terminal K1 and to the base B2, positioned on the other side of the emitter as the collector K1 includes resistance R B1 and K2 between the collector and to the base terminal B1 disposed on the other side of the emitter as the collector K2, the resistance R B2 included. The output voltage is measured as the potential difference of the measuring collectors U K1 -U K2 .
На фиг.5 дана третья электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика. Напряжение питания Епит подается на резисторы RK1, RK2, RK. Через резистор RK задается ток кармана К, который является третьим коллектором, наряду с двумя измерительными коллекторами К1, К2, ток в которые задается через сопротивления RK1, RK2. Между коллектором К1 и контактом к базе Б1, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К1, включается сопротивление RБ1, а между коллектором К2 и контактом к базе Б2, расположенным с той же стороны от эмиттера как коллектор К2, включается сопротивление RБ2. Контакты к базе замкнуты. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов измерительных коллекторов UK1-UK2.In Fig. 5, a third electrical circuit for turning on the voltage of an integrated tokomagnetic sensor is given. The supply voltage Epit is supplied to the resistors R K1 , R K2 , R K. Through the resistor R K, the current of the pocket K, which is the third collector, is set, along with two measuring collectors K1, K2, the current into which is set through the resistance R K1 , R K2 . Between the collector K1 and the contact to the base B1 located on the same side of the emitter as the collector K1, the resistance R B1 is turned on, and between the collector K2 and the contact to the base B2 located on the same side of the emitter as the collector K2, the resistance R B2 is turned on . Contacts to the database are closed. The output voltage is measured as the potential difference of the measuring collectors U K1 -U K2 .
На фиг.6 дана электрическая схема включения напряжения интегрального токомагнитного датчика при работе в режиме переключения. Напряжение питания Епит подается на резисторы RK1, RK. Через резистор RK задается ток кармана К, который является третьим коллектором. Измерительные коллекторы К1, К2 подключаются поочередно к сопротивлению RK1, например, через МОП-транзисторы при подаче напряжения управления UУПР. В то время когда коллектор К1 подключен к сопротивлению RK1, коллектор К2 присоединяется к потенциалу земли, например, с помощью МОП-транзистора при подаче напряжения управления UУПР. При этом коллектор К2 выполняет функцию эмиттера. Между сопротивлением RK1 и контактами к базе Б1, Б2 включается сопротивление RБ1. При подаче обратной полярности напряжения управления UУПР роль эмиттера выполняет коллектор К1, а коллектор К2 присоединяется к сопротивлению RK1. Напряжение выходного сигнала измеряется как разность потенциалов UK1-UK2, возникающая при переключении измерительных коллекторов на сопротивлении RK1 и на потенциал земли.Figure 6 shows the electrical circuit for turning on the voltage of the integrated tokomagnetic sensor when operating in switching mode. The supply voltage Epit is supplied to the resistors R K1 , R K. Through the resistor R K, the current of the pocket K, which is the third collector, is set. The measuring collectors K1, K2 are connected alternately to the resistance R K1 , for example, through MOS transistors when the control voltage U UPR is applied. While the collector K1 is connected to the resistance R K1 , the collector K2 is connected to the ground potential, for example, using a MOS transistor when the control voltage U UPR is applied. In this case, the collector K2 performs the function of an emitter. Between the resistance R K1 and the contacts to the base B1, B2, the resistance R B1 is turned on. When applying the reverse polarity of the control voltage U UPR, the role of the emitter is played by the collector K1, and the collector K2 is connected to the resistance R K1 . The voltage of the output signal is measured as the potential difference U K1 -U K2 that occurs when the measuring collectors switch on the resistance R K1 and on the ground potential.
На фиг.7 даны для конкретного прибора зависимости напряжения UK и тока 1к на кармане, на измерительных коллекторах UK1, UK2, IK1, IK2 и на контактах к базе UБ1, UБ2, IБ1, UБ2, в зависимости от напряжения питания Епит.In Fig. 7, for a particular device, the dependences of the voltage U K and current 1k on the pocket, on the measuring collectors U K1 , U K2 , I K1 , I K2 and on the contacts to the base U B1 , U B2 , I B1 , U B2 , in depending on the supply voltage Epit.
На фиг.8 для конкретного прибора даны зависимости начального разбаланса напряжения на измерительных коллекторах UK1-UK2 от напряжения питания Епит для трех схем включения. 1 зависимость дана для схемы на фиг.5, 2 - для схемы на фиг.3, 3 - для схемы на фиг.4. Наибольший разбаланс дает схема с перекрестным соединением коллекторов и контактов к базе, в которой действует положительная обратная связь. Наименьший разбаланс дает схема с соединением соседних коллекторов и контактов к базе, в которой действует отрицательная обратная связь.In Fig. 8, for a particular device, the dependences of the initial voltage imbalance on the measuring collectors U K1 -U K2 on the supply voltage Epit are given for three switching circuits. 1, the dependence is given for the circuit in FIG. 5, 2 for the circuit in FIG. 3, 3 for the circuit in FIG. 4. The greatest imbalance is given by a circuit with a cross-connection of collectors and contacts to the base, in which positive feedback acts. The smallest imbalance is provided by the circuit with the connection of neighboring collectors and contacts to the base, in which negative feedback acts.
На фиг.9 для конкретного прибора даны зависимости дифференциальной абсолютной чувствительности от напряжения питания Епит для трех схем включения. Зависимость 1 дана для схемы на фиг.5, зависимость 2 - для схемы на фиг.3, зависимость 3 - для схемы на фиг.4. Формула для расчета абсолютной дифференциальной чувствительности следующая:In Fig. 9, for a particular device, the dependences of the differential absolute sensitivity on the supply voltage Epit are given for three switching circuits.
SAD=[(UK1-UK2)(при B=10 мТл)]-[(UK1-UK2)(при B=0)]/B.S AD = [(U K1 -U K2 ) (at B = 10 mT)] - [(U K1 -U K2 ) (at B = 0)] / B.
Наибольшей чувствительностью обладает схема с перекрестным соединением коллекторов и контактов к базе, в которой действует положительная обратная связь. Практически одинаковую чувствительность имеют схемы с соединением контактов к базе с соседними коллекторами и при замыкании контактов к базе, в которых действует отрицательная обратная связь.The most sensitive is the circuit with a cross-connection of collectors and contacts to the base, in which positive feedback acts. Circuits with connecting contacts to the base with neighboring collectors and when closing contacts to the base, in which negative feedback acts, have almost the same sensitivity.
Особенностью планарного расположения эмиттера и коллекторов является неравномерное распределение тока по их площади. Максимальная плотность тока протекает на ближайших друг к другу краях электродов. Неравномерность величины тока приводит к разбалансу токов двух коллекторов. Увеличение ширины электродов эмиттера и коллекторов W относительно величины зазора между ними L при одинаковом токе дает меньшую плотность тока через электроды. Этим достигается снижение начального разбаланса напряжений коллекторов.A feature of the planar arrangement of the emitter and collectors is the uneven distribution of current over their area. The maximum current density flows at the edges of the electrodes closest to each other. The unevenness of the current value leads to an imbalance in the currents of the two collectors. An increase in the width of the emitter electrodes and collectors W relative to the gap between them L at the same current gives a lower current density through the electrodes. This achieves a reduction in the initial unbalance of collector voltages.
Протекание тока в базе между эмиттером и коллекторами сопровождается рекомбинацией инжектированых носителей заряда. Если не принимать мер по выравниванию скорости рекомбинации в левой и правой частях магнитотранзистора, то возникает асимметрия прибора и появляется разная величина тока коллекторов. Работа прибора в режиме переключения по схеме, показанной на фиг.6, использует только один промежуток между двумя электродами. Это позволяет снизить начальный разбаланс, связанный с несимметрией структуры. Кроме того, в этом случае используется только одно коллекторное и одно базовое сопротивления, что позволяет исключить разбаланс, связанный с неравенством сопротивлений в двух плечах магнитотранзистора.The flow of current in the base between the emitter and the collectors is accompanied by recombination of the injected charge carriers. If you do not take measures to equalize the recombination rate in the left and right parts of the magnetotransistor, then the asymmetry of the device occurs and a different value of the collector current appears. The operation of the device in the switching mode according to the scheme shown in Fig.6, uses only one gap between two electrodes. This reduces the initial imbalance associated with the asymmetry of the structure. In addition, in this case, only one collector and one base resistance are used, which eliminates the imbalance associated with the inequality of resistance in the two arms of the magnetotransistor.
Схемы включения, представленные на фиг.3, 4, 5, 6, исключают возможность перехода транзистора в режим насыщения, где пропадает чувствительность. Схема на фиг.3 дает отрицательную обратную связь между напряжением на коллекторе и напряжением на ближайшем контакте к базе. Это стабилизирует рабочую точку и уменьшает начальный разбаланс между напряжениями на коллекторах.The switching circuits shown in Figs. 3, 4, 5, 6 exclude the possibility of the transistor switching to saturation mode, where the sensitivity disappears. The circuit in figure 3 gives a negative feedback between the voltage at the collector and the voltage at the nearest contact to the base. This stabilizes the operating point and reduces the initial imbalance between the voltages on the collectors.
Для определенности считаем, что при изготовлении интегрального токомагнитного датчика на основе биполярного магнитотранзистора используется кремниевая подложка с p-типом 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 p-типа проводимости базы, изолирующий окисел, поликремниевые затворы и резисторы, сильнолегированные контакт к базе и подложке, истоки, стоки МОП-транзисторов, сильнолегированные областей n-типа проводимости эмиттера, измерительных коллекторов и контактов к карману. 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 believe that in the manufacture of an integrated tokomagnetic sensor based on a bipolar magnetotransistor, a silicon substrate with p-type conductivity is used. Production 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 base conductivity regions, insulating oxide, polysilicon gates and resistors, heavily doped contact to the base and substrate, sources, sinks of MOS transistors, heavily doped n-type conductivity regions of the emitter, measuring collectors and contacts to pocket. 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 питания. Измерение величины магнитного поля определяется по величине разницы напряжений на контактных площадках измерительных коллекторов при воздействии магнитного поля.The power supply voltage is applied to the terminals of the device. The measurement of the magnitude of the magnetic field is determined by the magnitude of the voltage difference at the contact pads of the measuring collectors when exposed to a magnetic field.
Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора позволяет получить микроминиатюрное устройство для определения величины магнитного поля. Параметры прибора определяются объемными свойствами полупроводника и мало зависят от состояния поверхности прибора, что определяет его высокую стабильность и воспроизводимость при изготовлении. Снижение начального разбаланса напряжения на коллекторах позволяет применять интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора для измерения слабых магнитных полей менее 10 мТл.An integrated current-magnetic sensor based on a bipolar magnetotransistor allows you to get a microminiature device for determining the magnitude 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. Reducing the initial unbalance of voltage across the collectors allows the use of an integrated current-magnetic sensor based on a bipolar magnetotransistor to measure weak magnetic fields of less than 10 mT.
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 2239916.6. RF patent 2239916.
7. Патент РФ 2284612.7. RF patent 2284612.
8. Патент РФ 2300824 - прототип.8. RF patent 2300824 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008137269/28A RU2387046C1 (en) | 2008-09-18 | 2008-09-18 | Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008137269/28A RU2387046C1 (en) | 2008-09-18 | 2008-09-18 | Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2387046C1 true RU2387046C1 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=46275337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008137269/28A RU2387046C1 (en) | 2008-09-18 | 2008-09-18 | Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2387046C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2453947C2 (en) * | 2010-05-20 | 2012-06-20 | Федеральное государственное учреждение Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского института электронной техники | Integrated gradient magnetic transistorised sensor |
| RU2515377C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Orthogonal magnetotransistor converter |
-
2008
- 2008-09-18 RU RU2008137269/28A patent/RU2387046C1/en active IP Right Revival
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2453947C2 (en) * | 2010-05-20 | 2012-06-20 | Федеральное государственное учреждение Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского института электронной техники | Integrated gradient magnetic transistorised sensor |
| RU2515377C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Orthogonal magnetotransistor converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7782050B2 (en) | Hall effect device and method | |
| US8093891B2 (en) | Vertical Hall Effect sensor | |
| KR101429356B1 (en) | Electronic device comprising hall effect region with three contacts | |
| JPH01251763A (en) | Vertical hall element and integrated magnetic sensor | |
| US7205622B2 (en) | Vertical hall effect device | |
| CN102313563A (en) | Hall element | |
| US9252355B2 (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
| RU2387046C1 (en) | Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor | |
| RU2439748C1 (en) | Planar bipolar magnetic transistor | |
| RU2422943C1 (en) | Planar magnetic-transistor converter | |
| RU2300824C1 (en) | Integrated current-magnetic sensor incorporating light-emitting diode display | |
| RU2284612C2 (en) | Semiconductor magnetic transducer | |
| RU2550756C1 (en) | Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers | |
| RU2498457C1 (en) | Three-collector bipolar magnetic transistor | |
| RU2437185C2 (en) | Integral magnetotransistor sensor with digital output | |
| Lozanova et al. | A novel three-axis hall magnetic sensor | |
| US6861717B2 (en) | Device for defecting a magnetic field, magnetic field measure and current meter | |
| Nagy et al. | 3D magnetic-field sensor using only a pair of terminals | |
| US8717015B2 (en) | Linear-with-magnetic field magnetoresistance device | |
| RU2239916C1 (en) | Magnetic field sensing semiconductor device | |
| RU2591736C1 (en) | Magnetic transistor with collector current compensation | |
| Phetchakul et al. | The deflection length and emitter width on sensitivity of magnetotransistor | |
| Lozanova et al. | Magnetotransistor Sensors with Different Operation Modes | |
| Tikhonov et al. | Imbalance of the potentials of a dual-collector lateral bipolar magnetotransistor | |
| Tikhonov | An integrated magnetotransistor sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160919 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170704 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner |