ecosnos.ru |
Главная Микромагнитоэлектроника: направление технологии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [ 22 ] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 В длинных торцевых магнитотранзисторах на коэффициент усиления сильно влияет поперечное магнитное поле вследствие уменьшения эффективной длины диффузионного смеш;ения. Она уменьшается как из-за искривления линий тока, так и в результате уменьшения подвижности носителей заряда. Продольное магнитное поле тоже оказьшает сильное влияние. Увеличивается эффективная длина диффузионного смеш;ения, так как под воздействием сильных магнитных полей В/с 1) практически все инжектированные из эмиттера неравновесные носители движутся по кратчайшему пути к коллектору параллельно оси. Их рекомбинация заметно снижается, а коэффициент усиления транзистора возрастает [24]. Магнитную чувствительность магнитотранзисторов принято связьшать с тремя основными физическими механизмами: с эффектом отклонения носителей, обусловленным действием силы Лоренца на неосновные носители в базовой области, в обедненном слое перехода база-коллектор и в слаболегированной области коллектора МТ; с эффектом Холла, относяш;имся к любым воздействиям, создаваемым холлов-ским электрическим полем, которое возникает под действием силы Лоренца на основные носители в базовой области МТ; с магнитоконцентрационным эффектом, являюпщмся результатом действия силы Лоренца на носители обоих типов и вьфажаюпщмся в изменении концентрации носителей, необходимом для поддержания нулевого объемного заряда. Более подробно с физическими основами и особенностями функционирования магнитотранзисторов можно ознакомиться в [6, 15, 16, 20, 24, 40, 57]. Двухколлекторные магнитотранзисторы Для изготовления магнитотранзисторов используются все современные технологии, применяемые в производстве интегральных микросхем: биполярная эпитаксиально-планарная, МОП и др. Двухколлекторный магнитотранзистор (ДМТ) представляет собой обьганый торцевой биполярный р-п-р транзистор, коллектор которого разделен на две части (рис. 2.81). 1 1 т 1 Э Выход Y Обыщи Рис. 2.81. Двухколлекторный магнитотранзистор: а, б-структура; в-схема включения Принцип действия двухколлекторного магнитотранзистора заключается в следующем. При включении ДМТ по схеме с общим эмиттером и нагрузочными резисторами Rj в цепях коллекторов (мостовая схема) в отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекторами. Токи коллекторов К1 и К2 равны, и напряжение (U) между ними отсутствует. В поперечном магнитном поле В* происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами, при этом ток коллектора К2 увеличивается, а ток коллектора К1 уменьшается, что вызьшает разбаланс моста. Это приводит к изменению напряжения между коллекторами причем с ростом магнитного поля оно увеличивается. При изменении направления магнитного поля (В) ток коллектора К2 уменьшается, а ток коллектора К1 увеличивается и соответственно изменяется знак напряжения U между коллекторами. Наряду с указанным перераспределением инжектированных носителей заряда между коллекторами, происходит изменение эффективной толщины базы. При этом в рассмотренной конструкции в магнитном поле уменьшается эффективная толщина базы левой части транзистора, то есть ток коллектора К1 увеличивается, а ток коллектора К2 уменьшается. Этот эффект противоположен эффекту перераспределения носителей заряда и приводит к уменьшению магнитной чувствительности ДМТ [24]. Этот недостаток устраняется при использовании ДМТ с вертикальными коллекторами, в котором омический контакт к базе и эмиттер расположены по разные стороны от коллекторов (рис. 2.81.6). Магнитное поле, наряду с эффектом перераспределения носителей между коллекторами, уменьшает эффективную толщину базы, если ток коллектора К2 увеличивается, и соответственно увеличивает толщину базы для коллектора К1. Таким образом, изменение толщины базы дополнительно увеличивает ток коллектора К2, и уменьшает ток коллектора К1. Это приводит к росту магнитной чувствительности ДМТ. Рис. 2.82. Торцевой германиевый двухколлекторныймагнитотранзистор: а- структура; б- статические выходные характеристики Максимальная магнитная чувствительность и линейность характеристики магнитотранзистора наблюдаются в области слабых магнитных полей. Удельная магнитная чувствительность германиевого магнитотранзистора достигает значений у^= (2...4) X 10В/Тл-х-А при В < 0,4 Тл, что на 2-4 порядка вьппе чувствительности элементов Холла [15, 16]. 2.4.3. Кремниевые двухколлекторные магнитотранзисторы На рис. 2.83 приведена планарная структура кремниевого планарного двухколлекторного магнитотранзистора. Роль эмиттеров и коллекторов играют диффузионныер -области. Базой служит подложка п типа, активной областью базы -область между эмиттером и коллекторами, активными участками эмиттерного и коллекторного р-п= переходов и их боковые стенки. Структура функционирует следуюпщм образом. Нри прохождении тока через участок Б2-Б1 в поперечном магнитном поле в базе появляется ЭДС -Холла, которая отклоняет носители в ту же сторону, что и сила Лоренца. Это приводит к увеличению перераспределения инжектированных носителей между коллекторами. Одновременно приложенное к контактам Б2-Б1 напряжение увеличивает электрическое поле в базе, которое и вызьшает рост скорости движения носителей и, следовательно, рост силы Лоренца. Рис. 2.83. Планарный кремниевый двухкол- лекторный магнитотранзистор: а - структура; б -статические выходные характеристики 30 20 О
0,6 б) 2.4.2. Германиевые двухколлекторные магнитотранзисторы На рис. 2.82 приведены выходные характеристики торцевого ДМТ, изготовленного из германия с размером кристалла 1х 1х 4 мм. Вольт=амперные характеристики коллекторов транзистора (рис. 2.82.6) подобны характеристикам обычного биполярного транзистора. Вследствие некоторого различия коллекторных р-п-- переходов (по площади и токам утечки), их токи в отсутствие магнитного поля также несколько различаются. Нри воздействии магнитного поля ток одного коллектора увеличивается, а другого - уменьшается. Напряжение между коллекторами с ростом индукции магнитного поля растет и при В > 0,7 Тл достигает насьпцения. В рассмотренной структуре, изменяя ток через базовые контакты Б2, Б1, можно устанавливать необходимую напряженность электрического тока в базе. На рис. 2.83.6 приведены зависимости напряжения между коллекторами планарного ДМТ от индукции магнитного поля для различных соотношений токов, протекаюпщх через эмиттер и прилегаюпщй базовый контакт. Нри постоянстве обш;его тока 1 + Г^действие омического контакта Б2 сводится к шунтированию эмиттера и снижению его эффективности. Тем не менее; магнитная чувствительность значительно растет, так как с увеличением электрического поля в базе растет отклоняюш;ее действие силы Лоренца на инжектированные носители заряда. Нри достаточно больших значениях напряженности электрического поля магнитная чувствительность уменьшается. Магнитная чувствительность такого ДМТ с дополнительным омическим контактом к базе, определенная для линейного участка, составляет около 10В / Тл г А, что на порядок вьппе чувствительности такого же ДМТ, но с отключенным контактом Б2 [24, 16]. Кремниевые вертикальные магнитотранзисторы На рис. 2.84 приведена структура двухколлекторного биполярного вертикального п-р-п магнитотранзистора. Магнитотранзистор обладает чувствительностью к составляюш;ей магнитного поля, параллельной поверхности кристалла. 3 2 15 4 Рис. 2.84. Структура двухколлекторного биполярного вертикального п-р-п= магнитотранзистора: 1 - -эмиттер; 2 --база; 3, 4 - -коллекторные области; 5 -эпитаксиальная область коллектора
Структура магнитотранзистора функционирует следуюш;им образом. Электроны, инжектируемые эмиттером 1, движутся вниз, проходя последовательно через базу 2, слаболегированную область коллектора 5, и достигают высоколегированных областей 3 и 4, выполненных в виде скрытого слоя. В отсутствие управляюш;его магнитного поля токи двух коллекторов 3 и 4 практически равны при условии, что структура полностью симметрична. Нри воздействии внешнего магнитного поля, параллельного поверхности кристалла и перпендикулярного плоскости рисунка, поток носителей (в данном случае электронов) отклоняется на угол Холла, в результате чего возникает разбаланс токов, величина и знак которого однозначно определяются величиной и направлением вектора магнитной индукции. Относительная магнитная чувствительность (S) приборов такого типа достигает 10-11%/Тл, при температурном коэффициенте -0,3% на градус Цельсия. Двухколлекторные магнитотранзисторы характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от напряженности магнитного поля в широком диапазоне значений магнитной индук11ии, чувствительностью к направлению магнитного поля и высокой реальной чувствительностью, поскольку Д ЛТ являются балансными приборами. Кроме того, зависимость выходных параметров от двух задаваемых из не независимых величин ( тянуш;ее электрическое поле в базе ДМТ и от эмиттера) вместо одной из ни схемотехнические применения ДМТ [6, 20, 24, 69]. 2.4.4. Кремниевые двухстоковые магнитотранзист эры К магниточувствительнымх приборам, оригинальной конструкции можно отне ;ти которые изготавливаются в едином технологическом цикле с формированием кремн ювых интегральных схем. Они характеризуются оригинальной топологией (рис. 2.85). 4 1 Рис. 2.85. Топология магнитотранзистора: стоковые области; 3 -область канала значительно расширяет магнитотранзисторы, МОН(илиКМОН) )вухстокового МОП , 2 - измерительные область истока; 4- |