МАГНИТОТРАНЗИСТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L29/84 

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей магнитного поля и может использоваться при создании измерительных приборов и автоматических систем управления.

Известны магнитотранзисторы, состоящие из базы с одним или двумя электродами, эмиттера и одного или нескольких коллекторов [1] .

Наиболее близким к предлагаемому является магнитотранзистор, сформированный в полупроводниковой базовой пластине первого типа проводимости и содержащий два параллельных полосковых базовых электрода первого типа проводимости, между которыми расположены две полосковые коллекторные области второго типа проводимости, направленные перпендикулярно базовым электродам, а между коллекторами размещена эмиттерная область второго типа проводимости [2] .

Недостаток такого магнитотранзистора состоит в том, что при изготовлении его в стандартном биполярном ИС-процессе на основе эпитаксиальной структуры (эпитаксиальный слой первого типа проводимости, выращенный на подложке второго типа проводимости) обнаруживается низкая магниточувствительность, поскольку подложка, выполняющая функцию третьего коллектора, экстрагирует значительную часть инжектированных в базу неосновных носителей.

Цель изобретения - повышение магниточувствительности магнитотранзистора.

Указанная цель достигается тем, что на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом формируется скрытый слой первого типа проводимости, соединенный с этим базовым электродом сильнолегированным вертикальным слоем первого типа проводимости. При достаточной протяженности указанной области ток основных носителей в базе протекает между противоположным базовым электродом и участком скрытого слоя, расположенным под эмиттером. При этом вектор плотности тока и, следовательно, вектор электрического поля, приобретают вертикальную (направленную к поверхности слоя) компоненту. В результате инжектированные носители начинают испытывать действие электрической силы, препятствующей их диффузии в подложку; все большая часть их начинает попадать в коллекторы и вследствие увеличения коллекторных токов чувствительность магнитотранзистора возрастает.

На фиг. 1 показаны магнитотранзистор и схема его включения; на фиг. 2 - сечение структуры по оси симметрии. Для определенности будем считать, что эпитаксиальный слой имеет n-тип проводимости, а подложка - р-тип. На схеме обозначены 1 - эпитаксиальный слой (база магнитотранзистора), 2 - подложка, 3 и 4 - омические контакты к базе (базовые электроды), 5 - эмиттер, 6 и 7 - коллекторы, 8 - скрытый слой, 9 и 10 - источники базового и эмиттерного токов соответственно, 11 - источник смещающего напряжения коллекторных переходов, 12 и 13 - нагрузочные резисторы, 14 - вольтметр.

Работает прибор следующим образом. Током источника 9 в базе создается ускоряющее электрическое поле Е₀, а током источника 10 эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Инжектированные из эмиттера дырки дрейфуют в ускоряющем поле по направлению к электроду 4 и одновременно диффундируют к коллекторам. При отсутствии магнитного поля в силу пространственной симметрии структуры коллекторные токи равны между собой и вольтметр 14 показывает нулевое напряжение. При включении магнитного поля дырки под действием сил Лоренца и поля Холла отклоняются преимущественно к одному из коллекторов, что придает коллекторным токам различные по знаку приращения. Показание вольтметра в этом случае несет информацию о величине и знаке магнитной индукции.

Ослабление потока дырок, замыкающегося на подложку, достигается следующим образом (на фиг. 2 штриховой линией показан путь тока основных носителей). Видно, что линии тока наклонены к поверхности слоя в среднем на угол α≡arctg(η/α). Такое же направление будет иметь и электрическое поле в базе. При этом его вертикальная компонента Е_n вызовет дрейфовый ток неосновных носителей от подложки, который при определенном выборе напряженности этого поля ослабит их диффузионный ток в подложку.

Необходимое значение величины α (фиг. 2) может быть получено из следующих соображений. Имея для средней скорости диффузии в подложку
V_dif ≈ 2D/η , (1) где D - коэффициент диффузии дырок, а для скорости дрейфа от подложки
V_dr = μE_n, (2) где μ - их подвижность, потребуем равенства этих скоростей по абсолютной величине. Тогда, приравнивая правые части равенств, с учетом Е_n = E₀tg( α) и соотношения Эйнштейна получаем
α≈ η - 1 , (3) где ϕ_т≡ kT/e - температурный потенциал. Поскольку же на практике, как правило, выполняется Е₀ η>> 2 ϕ_т, запись можно упростить
α≈E_nη²/2ϕ_т, (4)
Для оценки необходимой протяженности скрытого слоя предположим, что: η<<α ; толщина скрытого слоя и глубина области 4 пренебрежимо малы в сравнении с η ; левая граница скрытого слоя (с областью 3) и правая граница области 4 удалены на бесконечность (соответственно влево и вправо); поверхности скрытого слоя и области 4 эквипотенциальны (проводимости слоя и области бесконечно велики).

При этом можно показать, что зависимость Е_n на поверхности скрытого слоя от расстояния от его правой границы х имеет вид E_n(x)= · + 1, (5) где V - напряжение между этим слоем и областью 4. Используя выражение (5), легко оценить расстояние х, на котором Е_nв достаточное количество раз уменьшается по сравнению со средней напряженностью V/α и разместить на этом расстоянии область 3. Тем самым достигается положение, при котором поток основных носителей замыкается почти полностью на горизонтально расположенный скрытый слой и отношение Е_n/E_t принимает наибольшее значение (при меньшем значении этого отношения увеличится горизонтальная компонента тока, замыкающаяся на вертикальную стенку области 3, что влечет за собой возрастание Е_t) .

Для опытной проверки действия прибора использовались магнитотранзисторы, сформированные в стандартной эпитаксиальной структуре . Расстояние между коллекторами выбиралось равным 200 мкм, их протяженность 350 мкм, размер эмиттера 30*30 мкм, расстояние между базовыми электродами 600 мкм, а их длина - 200 мкм. Расстояние между областями 3 и 5 равнялось протяженности скрытого слоя и составляло 200 мкм (тестовая структура). Одновременно исследовалась подобная структура без скрытого слоя (структура сравнения). Для обеих структур ток базы задавался равным 2 мА, эмиттера 0,7 мА. Напряжение источника 11 составляло 24 В, сопротивления нагрузочных резисторов R 10 кОм. В ходе измерений определялась абсолютная чувствительность структур S по формуле
S= где V_в и V₀ - показания вольтметра при включенном и выключенном магнитном поле; В - индукция этого поля (В = 0,3 Тл). При этом для тестовой структуры было получено значение S ≈200 мкА/Тл, а для структуры сравнения около 30 мкА/Тл. Следовательно, использование предлагаемого технического решения дает выигрыш в чувствительности почти в семь раз. (56) 1. Балтес Г. П. , Попович Р. С. Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля. ТИИЭР, 1986, т. 74, N 8, с. 60-90.

2. Викулин И. М. и др. Влияние электрического поля в базе на чувствительность двухколлекторных магнитотранзисторов. ФТП, т. 10, N 4, с. 785-787.

Использование: при создании измерительных приборов и автоматических систем управления. Сущность изобретения: предлагается двухколлекторный планарный магнитотранзистор, сформированный в эпитаксиальном слое первого типа проводимости, выращенном на подложке второго типа проводимости, содержащий два параллельных полосковых базовых электрода первого типа проводимости, между которыми расположены две полосковые коллекторые области второго типа проводимости, направленные перпендикулярно базовым электродам, а между коллекторами размещена эмиттерная область второго типа проводимости. Для повышения магниточувствительности на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом сформирован скрытый слой первого типа проводимости. Кроме того, прилегающий к эмиттеру базовый электрод соединен со скрытым слоем через вертикальный сильнолегированный слой первого типа проводимости. 1 з. п ф-лы, 2 ил.

1. МАГНИТОТРАНЗИСТОР, сформированный в эпитаксиальном слое первого типа проводимости, расположенный на подложке второго типа проводимости, содержащий два параллельных полосковых базовых электрода первого типа проводимости, между которыми расположены две полосковые коллекторные области второго типа проводимости, направленные перпендикулярно базовым электродам, а между коллекторами размещена эмиттерная область второго типа проводимости, отличающийся тем, что на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки, под эмиттером и прилегающим к нему базовым электродом, сформирован скрытый слой первого типа проводимости. 2. Магнитотранзистор по п. 1, отличающийся тем, что прилегающий к эмиттеру базовый электрод соединен со скрытым слоем через вертикальный сильнолегированный слой первого типа проводимости.