RU2550756C1 - Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers - Google Patents

Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers Download PDF

Info

Publication number
RU2550756C1
RU2550756C1 RU2013151149/28A RU2013151149A RU2550756C1 RU 2550756 C1 RU2550756 C1 RU 2550756C1 RU 2013151149/28 A RU2013151149/28 A RU 2013151149/28A RU 2013151149 A RU2013151149 A RU 2013151149A RU 2550756 C1 RU2550756 C1 RU 2550756C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
emitter
base
contacts
pocket
collector
Prior art date
Application number
RU2013151149/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013151149A (en
Inventor
Антон Викторович Козлов
Михаил Александрович Королев
Роберт Дмитриевич Тихонов
Андрей Андреевич Черемисинов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ)
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ)
Priority to RU2013151149/28A priority Critical patent/RU2550756C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2550756C1 publication Critical patent/RU2550756C1/en
Publication of RU2013151149A publication Critical patent/RU2013151149A/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers contains a silicon single-crystal substrate, base area on the substrate surface with small concentration of impurities, heavily doped emitter areas, the first and the second measuring collectors with the depth less than the depth of the base area and located in base area, the area of heavily doped contacts to the base, the diffusive pocket which separates the base area from the substrate and is the third collector, heavily doped contacts to the pocket and to the substrate. Contacts to the pocket are connected by metallization to contacts to the base, contacts to the substrate are connected by metallization to contacts to the emitter, areas of the emitter and collectors are located near the base at a distance from each other, contacts to the pocket are located in the pocket near p-n junction boundary base-pocket opposite to measuring collectors, the emitter has identical length with the measuring collectors, heavily doped contacts to the base are located end-to-end with end faces of the strip emitter with the orthogonal direction between the emitter and contact to the base with reference to the direction between the emitter and measuring collectors.
EFFECT: enhancement in sensitivity of magnetic field parallel to crystal surface.
5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Датчики величины и направления магнитного поля производят преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал и находят все более широкое применение, благодаря возможности создания их на одном кристалле с последующей схемой обработки сигнала, а также интеграции в элементы микросистемной техники.The present invention relates to semiconductor electronics, semiconductor devices - bipolar structures with sensitivity to the influence of a magnetic field. Magnetic field magnitude and direction sensors convert magnetic field induction into an electrical signal and find wider application due to the possibility of creating them on a single chip with a subsequent signal processing circuit, as well as integration into elements of microsystem technology.

Боковой (латеральный) транзистор с расположением электродов коллекторов, эмиттера и контактов к базе на поверхности кристалла обеспечивает получение высокой чувствительности /1/. Этот прибор состоит из пары латеральных транзисторов с общим эмиттером. Существенное значение для работы прибора имеет то, что инжектированные из эмиттера потоки носителей заряда текут к двум коллекторам в противоположных направлениях. Экспериментально установлено, что магниточувствительность определяется изменением коэффициента передачи тока эмиттер-коллектор между эмиттером и коллекторами во внешнем поперечном магнитном поле. Магнитоконцентрационные явления понимаются, как изменение концентрации инжектированных носителей за счет поверхностной рекомбинации на длине базы в магнитном поле, прижимающем с одной стороны от эмиттера носители к поверхности и отодвигающем от поверхности с другой стороны эмиттера. Этот эффект дает нелинейность изменения тока каждого коллектора в зависимости от величины магнитного поля при больших расстояниях между эмиттером и коллекторами. Разность токов коллекторов имеет линейную зависимость от индукции. Величина магнитоконцентрационного эффекта зависит от параметров базового материала, от отношения длины базы к диффузионной длине неосновных носителей заряда и от скорости поверхностной рекомбинации. Относительная чувствительность по току составила 1,9 Тл-1. Магниточувствительность при магнитоконцентрационном эффекте значительно больше, чем в эффекте отклонения. К недостаткам прибора следует отнести отсутствие изоляции активной части прибора от подложки. Инжектированные носители заряда беспрепятственно проходят во все области кристалла, что оказывает влияние на другие элементы интегральной схемы.The lateral (lateral) transistor with the location of the electrodes of the collectors, emitter, and contacts to the base on the crystal surface provides high sensitivity / 1 /. This device consists of a pair of lateral transistors with a common emitter. It is essential for the operation of the device that the charge carrier flows injected from the emitter flow to two collectors in opposite directions. It was experimentally established that magnetosensitivity is determined by a change in the emitter-collector current transfer coefficient between the emitter and the collectors in an external transverse magnetic field. Magnetoconcentration phenomena are understood as a change in the concentration of injected carriers due to surface recombination at the base length in a magnetic field that presses carriers to the surface on one side of the emitter and pushes the carriers away from the surface on the other side of the emitter. This effect gives a nonlinearity in the change in current of each collector depending on the magnitude of the magnetic field at large distances between the emitter and the collectors. The collector current difference has a linear dependence on induction. The magnitude of the magnetoconcentration effect depends on the parameters of the base material, on the ratio of the length of the base to the diffusion length of minority charge carriers and on the rate of surface recombination. The relative current sensitivity was 1.9 T -1 . The magnetosensitivity with the magnetoconcentration effect is much greater than in the deflection effect. The disadvantages of the device include the lack of isolation of the active part of the device from the substrate. Injected charge carriers pass unhindered into all areas of the crystal, which affects other elements of the integrated circuit.

В патенте США /2/ датчик магнитного поля в виде латерального биполярного двухколлекторного магнитотранзистора формируется в диффузионном кармане на поверхности кремниевой подложки другого по сравнению с карманом типа проводимости. 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 по току составляет примерно 1 Тл-1. Основную роль в перераспределении носителей заряда играет модуляция инжекции в результате изменения потенциалов на левой и правой границах эмиттерного p-n-перехода при действии силы Лоренца в магнитном поле. Этот прибор чувствителен преимущественно к магнитному полю, направленному вдоль поверхности кристалла. Недостатком датчика является то, что через переход карман-подложка проникает ток инжектированных носителей заряда, поэтому переход карман-подложка не обеспечивает достаточную изоляцию прибора.In US Pat. No. 2, a magnetic field sensor in the form of a lateral bipolar two-collector magnetotransistor is formed in a diffusion pocket on the surface of a silicon substrate of a different type of conductivity than a pocket. The electrodes are located on the surface of the pocket in the following order: in the middle is an emitter, collectors on the left and right, then contacts to the base on the left and right. The reverse bias is applied to the pn junction between the substrate and the pocket with the help of additional contacts to the substrate, which should provide isolation of the transistor from other elements of the integrated circuit. The relative current sensitivity of the sensor is approximately 1 T -1 . The main role in the redistribution of charge carriers is played by the modulation of injection as a result of potential changes at the left and right boundaries of the emitter pn junction under the action of the Lorentz force in a magnetic field. This device is sensitive mainly to a magnetic field directed along the surface of the crystal. The disadvantage of the sensor is that the current of the injected charge carriers penetrates through the pocket-substrate transition, therefore, the pocket-substrate transition does not provide sufficient isolation of the device.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент РФ на изобретение /3/, в котором предлагается полупроводниковый магнитный преобразователь в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего кремниевую монокристаллическую подложку; базовую область на поверхности подложки, имеющую малую концентрацию примеси; сильнолегированные области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов с глубиной меньше глубины базовой области и расположенные внутри базовой области; области сильнолегированных контактов к базе; диффузионный карман, отделяющий базовую область от подложки и в котором имеются сильнолегированные контакты; в подложке формируются контакты, которые соединены электрически с контактами к эмиттеру с подачей одинакового потенциала. Между карманом и подложкой образуется p-n-переход, который защищает прибор от токов других элементов, входящих в интегральную схему. Прибор максимально чувствителен к магнитной индукции с вектором, направленным вдоль поверхности кристалла и вдоль длинной стороны полосковых электродов эмиттера и коллекторов. Относительная чувствительность по току для магнитной индукции, направленной параллельно поверхности подложки, составляет 4,5 Тл-1. При полосковой геометрии эмиттера и коллекторов, равноудаленных от эмиттера, чувствительность к магнитному полю, направленному перпендикулярно поверхности подложки, практически равна нулю.The closest analogue adopted for the prototype is the RF patent for the invention / 3 /, which proposes a semiconductor magnetic transducer in the form of a lateral bipolar magnetically sensitive two-collector transistor containing a silicon single crystal substrate; a base region on a substrate surface having a low impurity concentration; heavily doped areas of the emitter, the first and second measuring collectors with a depth less than the depth of the base region and located inside the base region; areas of heavily doped contacts to the base; a diffusion pocket separating the base region from the substrate and in which there are heavily doped contacts; contacts are formed in the substrate, which are electrically connected to the contacts to the emitter with the same potential supply. A pn junction is formed between the pocket and the substrate, which protects the device from the currents of other elements included in the integrated circuit. The device is most sensitive to magnetic induction with a vector directed along the surface of the crystal and along the long side of the strip electrodes of the emitter and collectors. The relative current sensitivity for magnetic induction directed parallel to the surface of the substrate is 4.5 T -1 . With the strip geometry of the emitter and collectors equidistant from the emitter, the sensitivity to a magnetic field directed perpendicular to the surface of the substrate is practically zero.

Задачей изобретения трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда является увеличение чувствительности и снижение начального разбаланса полупроводникового магнитного преобразователя к магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла.The objective of the invention is a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers is to increase the sensitivity and reduce the initial imbalance of the semiconductor magnetic transducer to magnetic induction directed parallel to the surface of the crystal.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехколлекторном биполярном магнитотранзисторе с ортогональными потоками носителей заряда предусмотрены существенные отличия от прототипа. Области эмиттера и коллекторов в виде полосок располагаются в области базы на расстоянии друг от друга. Контактные окна к эмиттеру и измерительным коллекторам имеют также форму полосок. Сильнолегированные области контактов к базе располагаются встык с торцами полоскового эмиттера. Взаимное расположение сильнолегированных областей контактов к базе и эмиттера создает протекание тока эмиттер-база в одном направлении, а взаимное расположение эмиттера и измерительных коллекторов создает ток коллектора в ортогональном направлении. Разница токов коллекторов в магнитном поле соответствует измеряемой составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла, и определяет чувствительность. Протекание токов между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером перпендикулярно токам между измерительными коллекторами и эмиттером исключает совмещение токов в пространстве и уменьшает начальный разбаланс токов измерительных коллекторов, возникающий из-за разбаланса токов между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером.The problem is solved due to the fact that in a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers, significant differences from the prototype are provided. The emitter and collector regions in the form of stripes are located in the base region at a distance from each other. The contact windows to the emitter and the measuring collectors are also in the form of strips. Heavily doped contact areas to the base are end-to-end with the ends of the strip emitter. The mutual arrangement of the heavily doped contact areas to the base and the emitter creates the emitter-base current flowing in one direction, and the mutual arrangement of the emitter and the measuring collectors creates the collector current in the orthogonal direction. The difference of the collector currents in the magnetic field corresponds to the measured component of the magnetic induction vector, parallel to the surface of the crystal, and determines the sensitivity. The flow of currents between heavily doped contacts to the base and the emitter perpendicular to the currents between the measuring collectors and the emitter eliminates the coincidence of currents in space and reduces the initial imbalance of the currents of the measuring collectors, arising from the imbalance of currents between the heavily doped contacts to the base and the emitter.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, p-n-переход база-карман расположен ближе к эмиттеру и служит третьим коллектором. В третий коллектор течет поток инжектированных из эмиттера носителей заряда большей величины, чем в измерительные коллекторы. Токи между двумя сильнолегированными контактами к базе и эмиттером имеют большую величину по сравнению с токами измерительных коллекторов и не равны между собой. Последовательное расположение эмиттера, контактов к базе и измерительных коллекторов приводит к наложению токов эмиттер-база и эмиттер-измерительные коллекторы. При начальном разбалансе токов сильнолегированных контактов к базе и эмиттера возникает последовательное падение напряжений в пространстве между эмиттером и измерительными коллекторами, что влияет на начальный разбаланс токов эмиттер-измерительные коллекторы. Протекание потоков носителей заряда между сильнолегированными контактами к базе и эмиттером в общей области базы с потоками носителей между измерительными коллекторами и эмиттером приводит к разбалансу начальных токов измерительных коллекторов. Ортогональное расположение сильнолегированных контактов к базе и коллекторов относительно эмиттера исключает взаимное влияние токов сильнолегированных контактов к базе-эмиттер на начальный разбаланс токов измерительных коллекторов.Between the totality of the essential features of the claimed object and the achieved technical result, there is a causal relationship, the p-n-base-pocket junction is located closer to the emitter and serves as the third collector. A larger stream of charge carriers injected from the emitter flows into the third collector than into the measuring collectors. The currents between two heavily doped contacts to the base and the emitter are large in comparison with the currents of the measuring collectors and are not equal to each other. The sequential arrangement of the emitter, the contacts to the base and the measuring collectors leads to the imposition of the currents of the emitter-base and emitter-measuring collectors. With the initial imbalance of currents of heavily doped contacts to the base and emitter, a sequential voltage drop occurs in the space between the emitter and the measuring collectors, which affects the initial imbalance of currents of the emitter-measuring collectors. The flow of charge carriers between heavily doped contacts to the base and the emitter in the common region of the base with carrier flows between the measuring collectors and the emitter leads to an imbalance in the initial currents of the measuring collectors. The orthogonal arrangement of heavily doped contacts to the base and collectors relative to the emitter eliminates the mutual influence of the currents of heavily doped contacts to the base-emitter on the initial imbalance of currents of the measuring collectors.

При воздействии магнитной индукции, направленной перпендикулярно потокам инжектированных из эмиттера носителей заряда, под действием силы Лоренца происходит ассиметричное изменение распределения потоков. В один измерительный коллектор течет больше поток, а в другой меньше. За счет паразитного начального разбаланса токов происходит изменение величины потоков измерительных коллекторов, что увеличивает порог чувствительности магнитотранзистора.Under the influence of magnetic induction directed perpendicular to the flows of charge carriers injected from the emitter, an asymmetric change in the distribution of flows occurs under the action of the Lorentz force. More flow flows into one measuring collector, and less into another. Due to the parasitic initial imbalance of currents, the magnitude of the flows of the measuring collectors changes, which increases the sensitivity threshold of the magnetotransistor.

Изобретение трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда позволяет снизить порог чувствительности полупроводникового магнитного преобразователя к составляющей вектора магнитной индукции, направленной параллельно поверхности кристалла. Прибор работает с малым начальным разбалансом, поэтому возрастает относительная чувствительность по току

Figure 00000001
, которая определяется как изменение тока измерительных коллекторов IK1(В)-IK2(В) в магнитном поле с индукцией В при разбалансе начального тока коллекторов IK1(0)-IK2(0) относительно суммы начального тока коллекторов IK1(0)+IK2(0).The invention of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers makes it possible to lower the threshold of sensitivity of a semiconductor magnetic converter to a component of the magnetic induction vector directed parallel to the surface of the crystal. The device operates with a small initial imbalance, so the relative current sensitivity increases
Figure 00000001
, which is defined as the change in the current of the measuring collectors I K1 (B) -I K2 (B) in a magnetic field with induction B when the initial current of the collectors I K1 (0) -I K2 (0) is unbalanced relative to the sum of the initial current of the collectors I K1 (0 ) + I K2 (0).

Figure 00000002
Figure 00000002

На фиг.1 представлено поперечное сечение объемной структуры трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда, где:Figure 1 presents a cross section of the volumetric structure of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers, where:

1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;1 - heavily doped contact to the base of the first type of conductivity;

2 - эмиттер второго типа проводимости;2 - emitter of the second type of conductivity;

3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;3 - a single-crystal silicon substrate of the first type of conductivity;

4 - диффузионный карман второго типа проводимости;4 - diffusion pocket of the second type of conductivity;

5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;5 - measuring collector of the second type of conductivity;

6 - база первого типа проводимости.6 - the base of the first type of conductivity.

Топология трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.2, где обозначение элементов:The topology of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers is presented in figure 2, where the designation of the elements:

Э - эмиттер;E - emitter;

К1 - измерительный коллектор первый;K1 - measuring manifold first;

К2 - измерительный коллектор второй;K2 - measuring manifold second;

Б - сильнолегированные области контактов к базе;B - heavily doped areas of contacts to the base;

IБЭ - направление тока между базой и эмиттером;I BE - current direction between the base and the emitter;

IКЭ - направление тока между измерительными коллекторами и эмиттером.I KE - current direction between the measuring collectors and the emitter.

Схема изменения в магнитном поле линий тока инжектированных из эмиттера носителей заряда трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.3, где:The scheme of changes in the magnetic field of the streamlines injected from the emitter of the charge carriers of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers is presented in figure 3, where:

1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;1 - heavily doped contact to the base of the first type of conductivity;

7 - поток дырок из сильнолегированного контакта к базе в эмиттер;7 - hole flow from a heavily doped contact to the base to the emitter;

8 - поток электронов из эмиттера в контакт к базе;8 - electron flow from the emitter to the base;

2 - эмиттер второго типа проводимости;2 - emitter of the second type of conductivity;

3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;3 - a single-crystal silicon substrate of the first type of conductivity;

9 - поток электронов из эмиттера в измерительный коллектор через область базы;9 - electron flow from the emitter to the measuring collector through the base region;

4 - диффузионный карман второго типа проводимости;4 - diffusion pocket of the second type of conductivity;

10 - поток электронов из эмиттера в измерительный коллектор через область p-n-перехода база-карман;10 - electron flow from the emitter to the measuring collector through the base-pocket p-n junction region;

5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;5 - measuring collector of the second type of conductivity;

6 - база первого типа проводимости.6 - the base of the first type of conductivity.

В - вектор магнитной индукции, направленный параллельно поверхности подложки;B is the magnetic induction vector directed parallel to the surface of the substrate;

Jh - поток носителей заряда из сильнолегированного контакта к базе в эмиттер;J h is the flow of charge carriers from the heavily doped contact to the base to the emitter;

Jeb - поток носителей заряда из эмиттера в сильнолегированный контакт к базе;J eb — charge carrier flux from the emitter to a heavily doped contact to the base;

Jec - поток носителей заряда измерительного коллектора без магнитного поля;J ec is the carrier stream of the measuring collector without a magnetic field;

dJec - поток носителей заряда измерительного коллектора в магнитном поле;dJ ec — carrier flux of the measuring collector in a magnetic field;

Jew - поток носителей заряда, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор-карман;J ew is the flow of charge carriers passing from the flow of charge carriers to the third collector-pocket;

dJew - дополнительный поток носителей заряда измерительного коллектора в магнитном поле, переходящий от потока носителей заряда в третий коллектор-карман.dJ ew is an additional carrier stream of the measuring collector in a magnetic field, passing from the carrier stream to the third collector-pocket.

Схема включения напряжения на электроды прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда в составе датчиков выполнена так, как показано на фиг.4, где:The voltage switching circuit for the electrodes of the device of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers in the composition of the sensors is made as shown in figure 4, where:

П - вывод от контакта к подложке;P - output from contact to the substrate;

К - вывод от контактов к карману;K - output from contacts to the pocket;

Б - вывод от контактов к базе;B - output from contacts to the database;

Э - вывод от эмиттера;E - output from the emitter;

К1 - вывод от первого коллектора;K1 - output from the first collector;

К2 - вывод от второго коллектора;K2 - output from the second collector;

UЭП - напряжение на эмиттере и подложке;U EP - voltage on the emitter and the substrate;

UБК - напряжение смещения на базе и на кармане;U BC - bias voltage at the base and on the pocket;

UK1 - напряжение на первом коллекторе;U K1 is the voltage at the first collector;

UK2 - напряжение на втором коллекторе.U K2 - voltage on the second collector.

На фиг.5 дана для конкретного прибора трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда зависимость от тока эмиттера IЭ начального разбаланса напряжения измерительных коллекторов UK1(0)-UK2(0), абсолютной чувствительности по напряжению

Figure 00000003
и их отношения при величине магнитной индукции В=5 мТл при сопротивлении нагрузки коллекторов 219 кОм.Figure 5 is given for a particular device of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal carrier currents depending on the emitter current I E of the initial voltage unbalance of the measuring collectors U K1 (0) -U K2 (0), the absolute voltage sensitivity
Figure 00000003
and their relationship with a magnetic induction of B = 5 mT with a collector load resistance of 219 kOhm.

Представленное на фиг.1 объемное поперечное сечение структуры трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда показывает, что в монокристаллической подложке первого типа проводимости 3 формируется диффузионный карман второго типа проводимости 4 и слой базы первого типа проводимости 6. На поверхности подложки в слое базы формируют сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости 1, эмиттер второго типа проводимости 2, измерительный коллектор второго типа проводимости 5. Поток дырок из сильнолегированного контакта к базе протекает в эмиттер. Из эмиттера поток электронов протекает в сильнолегированный контакт к базе и в измерительный коллектор через область базы, а также через область p-n-перехода база-карман. Особенность структуры состоит во взаимно ортогональных направлениях протекания токов сильнолегированный контакт к базе-эмиттер и измерительный коллектор-эмиттер.The volume cross-section of the structure of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal carrier flows shown in Fig. 1 shows that a diffusion pocket of the second conductivity type 4 and a base layer of the first conductivity type 6 are formed in a single-crystal substrate of the first conductivity type 6. On the surface of the substrate, a heavily doped form contact to the base of the first conductivity type 1, emitter of the second conductivity type 2, measuring collector of the second conductivity type 5. Hole flow k from a heavily doped contact to the base flows into the emitter. From the emitter, an electron stream flows into a heavily doped contact to the base and into the measuring collector through the base region, as well as through the base-pocket pn junction region. A feature of the structure is the mutually orthogonal directions of the flow of currents, a heavily doped contact to the base-emitter and a measuring collector-emitter.

Три топологических конфигурации на фиг.2 показывают отличие расположения электродов. Three topological configurations in figure 2 show the difference in the location of the electrodes.

А. Обычно принятая топология с последовательным расположением электродов Э - эмиттера, К1 и К2 - измерительных коллекторов, Б - сильнолегированных областей контактов к базе. В этом случае IБЭ - направление тока между базой и эмиттером совпадает с IКЭ - направлением тока между измерительными коллекторами и эмиттером. Происходит наложение токов.A. Usually accepted topology with a sequential arrangement of electrodes of the E - emitter, K1 and K2 - measuring collectors, B - heavily doped contact areas to the base. In this case, the I BE - the direction of the current between the base and the emitter coincides with the I CE - the direction of the current between the measuring collectors and the emitter. Overcurrents occur.

Б. Топология с расположением сильнолегированных областей контактов к базе около торцов полоски эмиттера.B. Topology with the location of heavily doped contact areas to the base near the ends of the emitter strip.

В. Топология с расположением сильнолегированных областей контактов к базе около торцов полоски эмиттера. Имеется два контакта по краям полоски эмиттера, с размером более полосок коллекторов. Сильнолегированные области контактов к базе охватывают торцы эмиттера, выступающие за габарит полосок коллекторов.B. Topology with the location of heavily doped contact areas to the base near the ends of the emitter strip. There are two contacts along the edges of the emitter strip, with the size of more than the strips of collectors. Highly doped contact areas to the base cover the ends of the emitter, protruding beyond the dimension of the strips of the collectors.

В топологических конфигурациях Б, В направление тока между базой и эмиттером IБЭ ортогонально направлению токов между измерительными коллекторами и эмиттером IКЭ.In topological configurations B, the current direction between the base and emitter of BE I orthogonally to the direction between the current collectors and the emitter measuring I TBE.

Схема изменения в магнитном поле с индукцией В линий тока инжектированных носителей заряда из эмиттера трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда представлена на фиг.3. Без магнитного поля поток дырок Jh из сильнолегированного контакта к базе 1 вызывает из эмиттера 2 потоки инжектированных носителей заряда Jeb(0)+Jec(0)+Jew(0), которые проходят к сильнолегированному контакту к базе 1 и к измерительному коллектору 5 через базу и через p-n-переход между базой 6 и карманом 4. Вектор магнитной индукции В направлен параллельно поверхности подложки и параллельно длинной стороне полосковых электродов. Протекающие к коллектору потоки инжектированных носителей заряда Jec(B), Jew(B) под действием силы Лоренца отклоняются к поверхности dJec(B), dJew(B) или удаляются от поверхности, что приводит к изменению длины линий тока. В соответствии с действием двух эффектов поток измерительного коллектора возрастает или уменьшается, что определяет дифференциальную относительную магниточувствительность по току трехколлекторного биполярного магнитотранзистора

Figure 00000004
. На потоки между эмиттером и сильнолегированными контактами к базе Jeb(B), Jh(B) магнитная индукция, направленная параллельно токам, не действует.A diagram of a change in a magnetic field with induction In the current lines of the injected charge carriers from the emitter of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers is shown in FIG. 3. Without a magnetic field, the hole flux Jh from the heavily doped contact to base 1 induces from the emitter 2 flows of injected charge carriers Jeb (0) + Jec (0) + Jew (0), which pass to the heavily doped contact to base 1 and to the measuring collector 5 through the base and through the pn junction between base 6 and pocket 4. The magnetic induction vector B is directed parallel to the surface of the substrate and parallel to the long side of the strip electrodes. The flows of injected charge carriers Jec (B), Jew (B) flowing to the collector under the action of the Lorentz force deflect to the surface dJec (B), dJew (B) or move away from the surface, which leads to a change in the length of streamlines. In accordance with the action of two effects, the flow of the measuring collector increases or decreases, which determines the differential relative magneto-sensitivity for current of a three-collector bipolar magnetotransistor
Figure 00000004
. The fluxes between the emitter and heavily doped contacts to the base Jeb (B), Jh (B) are not affected by magnetic induction parallel to the currents.

В составе датчиков магнитного поля схема включения напряжения трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда выполнена так (фиг.4), что на контакты к базе Б и к карману К подаются напряжения смещения базы и кармана UБК относительно эмиттера и контактов к подложке UЭП. В соответствии с величиной тока смещения базы и кармана IБК, напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки измерительных коллекторов К1 и К2 на коллекторах устанавливаются потенциалы UK1, UK2. Из базового контакта в эмиттер протекает ток носителей заряда одного знака и создается поток носителей заряда другого знака за счет инжекции из p-n-перехода эмиттера в базу. В базе инжектированные носители заряда доходят до измерительных коллекторов и ими экстрагируются.In the composition of the magnetic field sensor circuit energization trehkollektornogo bipolar magnetotransistor orthogonal charge carrier flow is formed as follows (Figure 4), which contacts to the base B and K are supplied to the pocket base voltage bias and the pocket U BK emitter relative to the substrate and contacts U EPO . In accordance with the magnitude of the bias current of the base and pocket I of the BC , the voltage of the power source and the load resistance of the measuring collectors K1 and K2, the potentials U K1 , U K2 are established on the collectors. A charge carrier current of one sign flows from the base contact to the emitter and a charge carrier of another sign is created due to injection from the pn junction of the emitter into the base. In the base, the injected charge carriers reach the measuring collectors and are extracted by them.

Как видно на фиг.5, при увеличении тока эмиттера значение начального разбаланса изменяется от небольшого положительного значения 1 мВ до минус 100 мВ, а чувствительность по напряжению увеличивается до 11 В/Тл. При максимальной чувствительности значение отношения разбаланса и чувствительности составляет 7,7 мВ/В/Тл или 7,7 мТл. В работе /4/ эквивалентное разбалансу магнитное поле при данной чувствительности называется offset и для магнитотранзистора с подавлением боковой инжекции этот параметр определен ±200 мТл. В трехколлекторном биполярном магнитотранзисторе с ортогональными потоками носителей заряда этот параметр значительно лучше.As can be seen in Fig. 5, with an increase in the emitter current, the initial unbalance value changes from a small positive value of 1 mV to minus 100 mV, and the voltage sensitivity increases to 11 V / T. At maximum sensitivity, the value of the ratio of imbalance and sensitivity is 7.7 mV / V / T or 7.7 mT. In [4], the magnetic field equivalent to imbalance at a given sensitivity is called offset, and for a magnetotransistor with suppression of lateral injection this parameter is determined to be ± 200 mT. In a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal charge carrier flows, this parameter is much better.

Функционирование трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда происходит следующим образом. В отсутствие магнитного поля носители заряда, инжектируемые из эмиттера, проходят через базу и поровну распределяются между измерительными коллекторами и формируют равные токи рабочих коллекторов IK1(0) и IK2(0). В магнитном поле на носители, инжектируемые из эмиттера, действует сила Лоренца, которая отклоняет поток носителей к одной стороне базы относительно середины эмиттера, а поток носителей другого знака отклоняется в противоположную сторону, что вызывает несимметричное распределение носителей тока в базе. Асимметричное распределение потоков носителей при экстракции 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, действующего параллельно поверхности кристалла.The functioning of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers occurs as follows. In the absence of a magnetic field, the charge carriers injected from the emitter pass through the base and are evenly distributed between the measuring collectors and form equal currents of the working collectors I K1 (0) and I K2 (0). In a magnetic field, the carriers injected from the emitter are affected by the Lorentz force, which deflects the carrier stream to one side of the base 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 carrier flows during extraction by measuring collectors causes asymmetries 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 acting parallel to the surface of the crystal.

Перечисленные на фиг.1 конструктивные элементы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда выполнены по технологии КМОП интегральных схем следующим образом.Listed in figure 1, the structural elements of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers are made according to the CMOS technology of integrated circuits as follows.

1 - сильнолегированный контакт к базе первого типа проводимости;1 - heavily doped contact to the base of the first type of conductivity;

2 - эмиттер второго типа проводимости;2 - emitter of the second type of conductivity;

3 - монокристаллическая кремниевая подложка первого типа проводимости;3 - a single-crystal silicon substrate of the first type of conductivity;

4 - диффузионный карман второго типа проводимости;4 - diffusion pocket of the second type of conductivity;

5 - измерительный коллектор второго типа проводимости;5 - measuring collector of the second type of conductivity;

6 - база первого типа проводимости.6 - the base of the first type of conductivity.

Для определенности считаем, что монокристаллическая подложка 3 - кремниевая и имеет p-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования области диффузионного кармана 4 n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки. Далее с применением тех же технологических процессов формируются области p-типа проводимости слоя базы 6, легирование омических контактов к базе 1, к подложке 3. Изготовление структуры продолжается формированием областей n-типа проводимости контактов к карману 4, эмиттера 2 и измерительного коллектора 5. Для обеспечения соединения планарного биполярного магнитотранзистора с внешней электрической схемой интегрального датчика на поверхности кристалла выращивается диэлектрический слой диоксида кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка. Для уменьшения влияния поверхностной рекомбинации на потоки инжектированных из эмиттера носителей заряда граница кремний-диоксид кремния имеет малую скорость поверхностной рекомбинации, что достигается применением хлорсодержащих газов при выращивании диоксида кремния.For definiteness, we assume that the single-crystal substrate 3 is silicon and has p-type conductivity. The manufacture of the device begins with the formation of the region of the diffusion pocket 4 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 6 layer are formed, ohmic contacts are doped to base 1, to substrate 3. Fabrication of the structure continues by forming n-type conductivity regions of contacts to pocket 4, emitter 2, and measuring collector 5. For to ensure the connection of a planar bipolar magnetotransistor with an external electrical circuit of the integrated sensor, a dielectric layer of silicon dioxide is grown on the crystal surface, contact windows are formed to all areas and aluminum wiring. To reduce the effect of surface recombination on the flows of charge carriers injected from the emitter, the silicon-silicon dioxide interface has a low surface recombination rate, which is achieved by using chlorine-containing gases during the growth of silicon dioxide.

Описанный выше трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда используется для создания датчиков магнитного поля различного назначения следующим образом. На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и на контакты к карману подается положительное напряжение смещения относительно эмиттера, а на подложку - одинаковое напряжение с эмиттером. На выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через сопротивления нагрузки коллекторов. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю.The above-described three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers is used to create magnetic field sensors for various purposes as follows. Voltage is applied to the terminals of the device: a positive bias voltage relative to the emitter is applied to the base contacts and to the contacts to the pocket, and the same voltage with the emitter is applied to the substrate. The collector leads are supplied with positive voltage from the power source through collector load resistances. 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 с вектором магнитной индукции, направленным параллельно поверхности кристалла, под действием силы Лоренца потоки инжектированных из эмиттера носителей заряда - электронов, текущие в противоположных направлениях к двум измерительным коллекторам трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с ортогональными потоками носителей заряда, испытывают отклонение в базе в разные стороны. При этом линии тока напротив одного коллектора укорачиваются, а напротив другого удлиняются. Возникает асимметрия линий тока, соответственно, ток одного рабочего коллектора увеличивается, а ток другого коллектора уменьшается. На одинаковых нагрузках возникает различие падения напряжения, и между коллекторами возникает разность напряжений, которая зависит от величины магнитного поля.In a magnetic field with a magnetic induction vector parallel to the surface of the crystal, under the influence of the Lorentz force, the flows of charge carriers - electrons injected from the emitter, flowing in opposite directions to the two measuring collectors of a three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers, experience a deviation in the base in different directions . In this case, the current lines opposite one collector are shortened, and opposite the other lengthen. There is an asymmetry of streamlines, respectively, the current of one working collector increases, and the current of another collector decreases. At identical loads, a difference in voltage drop occurs, and a voltage difference arises between the collectors, which depends on the magnitude of the magnetic field.

Трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда обладает новым качеством - повышенной чувствительностью к магнитной индукции, направленной параллельно к поверхности кристалла. Вместе с повышением чувствительности снижается погрешность измерения из-за начального разбаланса тока измерительных коллекторов, что приводит к снижению порога чувствительности.A three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal charge carrier flows has a new quality - increased sensitivity to magnetic induction directed parallel to the surface of the crystal. Together with an increase in sensitivity, the measurement error decreases due to the initial current imbalance of the measuring collectors, which leads to a decrease in the sensitivity threshold.

Источники информацииInformation sources

1. Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А. / Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами / ФТП, 1978 г., т.12, №1, стр.48-50.1. Mitnikova I.M., Persiyanov T.V., Rekalova G.I., Shtyubner G.A. / Study of the characteristics of silicon side magnetotransistors with two measuring collectors / FTP, 1978, vol. 12, No. 1, pp. 48-50.

2. Патент США 4700211.2. US patent 4700211.

3. Патент РФ 2284612 - прототип.3. RF patent 2284612 - prototype.

4. A. Häberli, М. Schneider, P. Malcovati, R. Castagnetti, F. Maloberti, H. Baltes / 2D Magnetic Microsensor with On-Chip Signal Processing for Contactless Angle Measurement // IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.31, pp.1902-1907, 1996.4. A. Häberli, M. Schneider, P. Malcovati, R. Castagnetti, F. Maloberti, H. Baltes / 2D Magnetic Microsensor with On-Chip Signal Processing for Contactless Angle Measurement // IEEE Journal of Solid-State Circuits, v .31, pp. 1902-1907, 1996.

Claims (1)

Трехколлекторный биполярный магнитотранзистор с ортогональными потоками носителей заряда, содержащий кремниевую монокристаллическую подложку, базовую область на поверхности подложки, имеющую малую концентрацию примеси, сильнолегированные области эмиттера, первого и второго измерительных коллекторов с глубиной меньше глубины базовой области и расположенные внутри базовой области, области сильнолегированных контактов к базе, диффузионный карман, который отделяет базовую область от подложки и является третьим коллектором, сильнолегированные контакты к карману и подложке, контакты к карману соединены металлизацией с контактами к базе, контакты к подложке соединены металлизацией с контактами к эмиттеру, области эмиттера и коллекторов располагаются в области базы на расстоянии друг от друга, контакты к карману располагаются в кармане около границы p-n-перехода база-карман напротив измерительных коллекторов, отличающийся тем, что эмиттер имеет одинаковую длину с измерительными коллекторами, сильнолегированные контакты к базе располагаются встык с торцами полоскового эмиттера с ортогональным направлением между эмиттером и контактом к базе относительно направления между эмиттером и измерительными коллекторами. A three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal charge carrier flows, containing a silicon single crystal substrate, a base region on the substrate surface, having a low impurity concentration, heavily doped emitter regions, first and second measurement collectors with a depth less than the depth of the base region and located inside the base region, regions of heavily doped contacts to base, a diffusion pocket that separates the base region from the substrate and is the third collector, a strong the contacts to the pocket and the substrate, the contacts to the pocket are connected by metallization with the contacts to the base, the contacts to the substrate are connected by metallization with the contacts to the emitter, the emitter and collector regions are located in the base region at a distance from each other, the contacts to the pocket are located in the pocket near the boundary pn -junction of the base-pocket opposite the measuring collectors, characterized in that the emitter is the same length as the measuring collectors, heavily doped contacts to the base are located end to end with strip ends emitter with an orthogonal direction between the emitter and the contact to the base relative to the direction between the emitter and the measuring collectors.
RU2013151149/28A 2013-11-19 2013-11-19 Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers RU2550756C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013151149/28A RU2550756C1 (en) 2013-11-19 2013-11-19 Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013151149/28A RU2550756C1 (en) 2013-11-19 2013-11-19 Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2550756C1 true RU2550756C1 (en) 2015-05-10
RU2013151149A RU2013151149A (en) 2015-05-27

Family

ID=53284743

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013151149/28A RU2550756C1 (en) 2013-11-19 2013-11-19 Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2550756C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107356885A (en) * 2017-08-18 2017-11-17 黑龙江大学 A kind of single-chip integration two-dimensional magnetic field sensor and its manufacture craft

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9515198B1 (en) 2015-12-11 2016-12-06 International Business Machines Corporation Magnetic-field and magnetic-field gradient sensors based on lateral SOI bipolar transistors

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6960816B2 (en) * 2003-04-28 2005-11-01 Knowles Electronics, Llc. System and method for sensing a magnetic field
RU2284612C2 (en) * 2004-11-10 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Semiconductor magnetic transducer
RU2422943C1 (en) * 2010-04-21 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) Planar magnetic-transistor converter
RU2439748C1 (en) * 2010-10-07 2012-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Planar bipolar magnetic transistor
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6960816B2 (en) * 2003-04-28 2005-11-01 Knowles Electronics, Llc. System and method for sensing a magnetic field
RU2284612C2 (en) * 2004-11-10 2006-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Semiconductor magnetic transducer
RU2422943C1 (en) * 2010-04-21 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) Planar magnetic-transistor converter
RU2439748C1 (en) * 2010-10-07 2012-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Planar bipolar magnetic transistor
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

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107356885A (en) * 2017-08-18 2017-11-17 黑龙江大学 A kind of single-chip integration two-dimensional magnetic field sensor and its manufacture craft
CN107356885B (en) * 2017-08-18 2023-06-02 黑龙江大学 Monolithic integrated two-dimensional magnetic field sensor and manufacturing process thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013151149A (en) 2015-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9735345B2 (en) Vertical hall effect sensor
JP3602611B2 (en) Horizontal Hall element
CN102313563A (en) Hall element
CN102315382A (en) Hall element
US9252355B2 (en) Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor
US20150323613A1 (en) Vertical hall effect-device
CN105810815A (en) Hall element
US4100563A (en) Semiconductor magnetic transducers
RU2550756C1 (en) Three-collector bipolar magnetotransistor with orthogonal flows of charge carriers
CN103996704B (en) IGBT with precise detection function and manufacturing method thereof
RU2422943C1 (en) Planar magnetic-transistor converter
RU2439748C1 (en) Planar bipolar magnetic transistor
RU2515377C1 (en) Orthogonal magnetotransistor converter
RU2498457C1 (en) Three-collector bipolar magnetic transistor
RU2284612C2 (en) Semiconductor magnetic transducer
RU2591736C1 (en) Magnetic transistor with collector current compensation
RU2239916C1 (en) Magnetic field sensing semiconductor device
RU2387046C1 (en) Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor
JP2002162303A (en) Pressure sensor
CN108574040A (en) Semiconductor device
JP3431326B2 (en) Hall element and electric quantity measuring device
RU2127007C1 (en) Magnetic-field sensing bipolar transistor
Nagy et al. 3D magnetic-field sensor using only a pair of terminals
CN214753745U (en) Resistance unit, high-precision resistor adopting same and sampling circuit
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: 20181120