магниточувствительный биполярный транзистор

Формула изобретения

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий в полупроводниковой пластине первого типа проводимости две подконтактных области базовых контактов того же типа проводимости, между которыми расположены две области коллекторов второго типа проводимости и между которыми на равном расстоянии от коллекторов расположена область эмиттера второго типа проводимости, и контакты к этим областям, отличающийся тем, что вокруг областей эмиттера, коллекторов и подконтактных областей базовых контактов сформирована изолирующая область с толщиной, равной или больше глубины области эмиттера, под изолирующей областью выполнена низкоомная область первого типа проводимости с глубиной, меньшей или равной глубине областей коллекторов, а контакты к областям эмиттера, коллекторов и подконтактным областям базовых контактов выполнены таким образом, что границы контактных окон ко всем этим областям совпадают с краями изолирующей области.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть применено для измерения магнитных полей в виде датчика в магнитоуправляемых схемах электронной автоматики или в качестве чувствительного элемента в интегральных магнитоуправлямых схемах.

Известна конструкция магниточувствительного биполярного транзистора [1] в которой для повышения магниточувствительности выполняется эмиттер, имеющий низкую эффективность, что достигается формированием слаболегированной n^-типа области вокруг мелкозалегающей высоколегированной n⁺области эмиттера. В данной конструкции обратносмещенная область базы относительно подложки позволяет увеличить чувствительность магнитотранзистора к компоненте магнитного поля, параллельной поверхности кристалла, но при этом значительно увеличивается ток потребления самого элемента в целом. Это обусловлено тем, что коэффициент усилия латерального биполярного магнитотранзистора на порядок меньше, чем у вертикального паразитного биполярного транзистора, коллектором которого служит кремниевая подложка. В данной конструкции прибора область базы p-типа выполнена не самосовмещенно относительно областей эмиттера, коллектора и контактов к базе, что обуславливает наличие невоспроизводимой изначальной значительной разности токов измерительных коллекторов и требует дополнительных методов или схемных решений для ее устранения.

Наиболее близким к предлагаемому является кремниевый ферромагнитотранзисторный преобразователь М2АПКО522, в котором базовая область выполнена на основе подложки p-типа, что позволяет увеличить длину базы паразитного биполярного транзистора и уменьшить его коэффициент усиления. Область эмиттера n⁺типа располагается между n⁺ областями двух измерительных коллекторов на равном расстоянии от каждого из них, которые в свою очередь расположены между подконтактными областями базовых контактов, что позволяет при подаче смещающего напряжения на структуру в присутствии внешнего магнитного поля фиксировать полезный сигнал в виде разности токов измерительных коллекторов. Недостатком прототипа является то, что конструкция магниточувствительного элемента не позволяет исключить инжекцию электронов эмиттером в горизонтальном направлении. При этом горизонтальная составляющая тока эмиттера незначительно изменяется при воздействии внешнего магнитного поля и, соответственно, вносит малый вклад в общую магниточувствительность элемента. Данная конструкция предусматривает выполнение контактов к диффузионным областям с помощью отдельной фотолитографической операции, определяющей контактные окна, неточность совмещения которых относительно этих областей определяет наличие начального разбаланса токов коллекторов до 0,5% от общего тока.

Для решения задач повышения магниточувствительности и уменьшения величины начального разбаланса коллекторных токов магниточувствительного биполярного транзистора предлагается конструкция, содержащая в полупроводниковой пластине первого типа проводимости две подконтактных области базовых контактов того же типа проводимости, между которыми расположены две области коллекторов второго типа проводимости и между которыми на равном расстоянии от коллекторов расположены область эмиттера второго типа проводимости и контакты к этим областям.

Повышение магниточувствительности биполярного транзистора достигается тем, что вокруг областей эмиттера, коллекторов и подконтактных областей базовых контактов сформирована изолирующая область с толщиной, равной или больше глубины области эмиттера, под изолирующей областью выполнена низкоомная область первого типа проводимости с глубиной, меньшей или равной глубине областей коллекторов.

Уменьшение начального разбаланса коллекторных токов достигается тем, что контакты к областям эмиттера, коллекторов и подконтактным областям базовых контактов выполнены таким образом, что границы контактных окон ко всем этим областям совпадают с краями изолирующей области.

Для определенности считают первый тип проводимости дырочным, второй электронным.

На фиг. 1 показана схема структуры предлагаемого магниточувствительного биполярного транзистора (где 1 базовая область пластины, 2 изолирующая область, 3 подконтактные области базовых контактов, 4 область коллектора, 5 область эмиттера, 6 низкоомная область первого типа проводимости, 7 проводящие контакты); на фиг.2 электрическая схема включения биполярного магнитотранзистора (где Э эмиттер, Б база, К1, К2 коллекторы, R1, R2 нагрузочные резисторы, Еп источник питания, Еб источник питания, задающий смещение на базу магнитотранзистора, U измерительный вольтметр).

На полупроводниковой пластине 1 первого типа проводимости (фиг.1) выполнены две подконтактные области 3 базовых контактов, между которыми расположены две области 4 коллекторов, и между которыми на равном расстоянии от коллекторов расположена область 5 эмиттера. Под изолирующими областями 2 выполнена область 6, края которой, например, могут совпадать с краями изолирующих областей 2. Глубина изолирующей области 2 выполнена равной или большей, чем глубина области 5 эмиттера. Области 4 коллекторов имеют глубину, равную или большую, чем глубина области 6. Контакты к области 5 эмиттера, области 4 коллекторов, подконтактным областям 3 базовых контактов выполнены так, что края контактных окон к данным областям для проводящих контактов 7 совпадают с краями окон в изолирующей области 2.

На фиг. 2 показан вариант электрической схемы включения биполярного магнитотранзистора. Эмиттер магнитотранзистора (Э) заземлен, положительное напряжение от источника питания (Еп) подается на нагрузочные резисторы (R1, R2), подсоединенные к коллекторам магнитотранзистора (К1, К2). В качестве нагрузочных сопротивлений R1, R2 могут также использоваться, например, МОП транзисторы или резисторы, выполненные на одном кристалле с магнитотранзистором. Положительное напряжение (Еб), прикладываемое к базовому электроду (Б), обеспечивает прямое смещение перехода эмиттер база. Выходное напряжение измеряется непосредственно между коллекторными выводами с помощью вольтметра (U).

Предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор работает следующим образом.

При отсутствии магнитного поля электроны, инжектированные эмиттером в подложку (фиг. 1), являющуюся базовой областью биполярного транзистора, под действием тянущего электрического поля в базовой области диффундируют к коллекторным областям и экстрагируются ими практически в равной степени, что обусловлено их симметричным расположением относительно области эмиттера, а также выполнением контактов к областям эмиттера, коллекторов и подконтактным областям базовых контактов таким образом, что границы контактных окон ко всем этим областям совпадают с краями изолирующей области. Причем инжекция электронов в горизонтальном направлении существенно меньше, чем в вертикальном, ввиду наличия расположенного по периметру области эмиттера изолирующей области 2 и диффузионной области 6 первого типа проводимости. В результате через нагрузочные резисторы R1 и R2 (фиг.2) протекают практически равные токи, которые создают на них одинаковые падения напряжения и, следовательно, вольтметр регистрирует нулевую разность потенциалов.

При включении магнитного поля, направленного параллельно поверхности кристалла и перпендикулярно поперечному сечению структуры, изображенной на фиг.1, потоки электронов, инжектированные эмиттером, перераспределяются между коллекторными областями в результате отклонения носителей заряда в базовой области биполярного магнитотранзистора под действием силы Лоренца. В результате токи коллекторов получают одинаковое приращение тока противоположных знаков. Причем знак и величина самого приращения тока для каждого из коллекторов определяются направлением и величиной вектора индукции магнитного поля соответственно. Это приводит к увеличению падения напряжения на одном и уменьшению на другом нагрузочных резисторах R1 и R2, а результирующая разность потенциалов регистрируется вольтметром U (фиг.2).

Был изготовлен прибор на кремниевой подложке p-типа проводимости, являющейся базовой областью биполярного магнитотранзистора, с использованием планарной технологии с локальной изоляцией окислом кремния. Области эмиттера, базы и коллекторов выполнены иной имплантацией соответствующего типа примеси. Под изолирующей областью, имеющей толщину, большую глубины залегания эмиттерного перехода, была выполнена с помощью ионной имплантации область p-типа проводимости, имеющая концентрацию примеси, на порядок превышающую концентрацию примеси в базовой области. Коллекторные области выполнены на глубину, большую глубины низкоомной области первого типа проводимости, и имели концентрацию примеси не менее, чем на порядок превышающую концентрацию примеси в базовой области. В целом данное выполнение коллекторных областей обеспечило их высокую эффективность при экстракции отклоненных в базовой области электронов под воздействием внешнего магнитного поля. Измеренная величина относительной магниточувствительности по суммарному току потребления биполярного магнитотранзистора, определяемая как отношение разности токов коллекторов, возникающей при воздействии внешнего магнитного поля величиной 1 Тл, к суммарному току потребления сенсора, составила 15-20% Разбаланс токов коллекторов в отсутствии магнитного поля составил менее 0,02% Таким образом предлагаемый магниточувствительный биполярный транзистор по сравнению с известными имеет в 3-4 раза большее значение относительной магниточувствительности по току потребления и в 3 раза меньшую величину начального разбаланса коллекторных токов, что позволяет его использовать в качестве чувствительного элемента в прецизионных магниточувствительных устройствах.