Преобразователь магнитного поля с функционально интегрированной структурой Российский патент 2021 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании различного типа сенсоров, в частности магнитного поля.

Известны аналоги - полупроводниковые сенсоры магнитного поля, использующие отклонения магнитным полем траектории диффузионного движения неосновных носителей заряда (далее ПСМПД) [1. Козлов А.В., Королёв М.А., Тихонов Р.Д., Черемисов А.А., «Планарный биполярный магнитотранзистор», Патент РФ 2439748; 2. R.Popovic, H.P.Bakes / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент США 4,700,211; 3. L.W. Davies, M.S. Wells Magneto - transistors incorporated in an IC // Proceding IREE Australia, 1971, №6, p. 235-238; 4. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. «Полупроводниковый магнитный преобразователь Патент РФ 2284612] в базе биполярных транзисторов.

Основой известных конструкций ПСМПД [1. Козлов А.В., Королёв М.А., Тихонов Р.Д., Черемисов А.А., «Планарный биполярный магнитотранзистор», Патент РФ 2439748; 2. R.Popovic, H.P.Bakes / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент США 4,700,211; 3. L.W. Davies, M.S. Wells Magneto - transistors incorporated in an IC // Proceding IREE Australia, 1971, №6, p. 235-238; 4. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. «Полупроводниковый магнитный преобразователь Патент РФ 2284612] является горизонтальный биполярный транзистор, расположенный на поверхности подложки, на областях эмиттера, коллектора и базы которого размещены соответствующие электроды, конструкция также содержит диэлектрик и нагрузочный резистор.

Недостатками аналогов является необходимость преобразования выходного сигнала, аналогового в цифровой код, что существенно усложняет их конструкцию и технологию изготовления, увеличивает энергию потребления и уменьшает точность измерения магнитного поля.

Этих недостатков частично лишена наиболее близкая, по технической сущности, конструкция, описанная в патенте [4. Козлов А.В., Тихонов Р.Д. «Полупроводниковый магнитный преобразователь Патент РФ 2284612], которая взята за прототип. Ее электрическая схема конструкция и топология показаны соответственно на фиг.1, фиг.2, фиг.3.

Электрическая схема прототипа содержит n-р-n(р-n-р) биполярный транзистор, эмиттер которого подсоединен к общей шине питания, база к управляющей шине, коллектор к выходной шине и через нагрузочный резистор к шине питания.

Конструкция прототипа показанная на фиг.2 представляет собой конструкцию горизонтального биполярного транзистора, расположенного на поверхности подложки, который содержит диэлектрик, области коллектора и эмиттера n (p) типа проводимости и область базы р (n) типа проводимости, на поверхности которых размещены соответствующие электроды, т. е. на области эмиттере - электрод общей шины, на области базы электрод управляющей шины, на области коллектора - электрод выходной шины, электрод шины питания и нагрузочный резистор. На фиг.3 показана топология прототипа.

Данное устройство также имеет недостатки, заключающиеся в аналоговом виде сигнала, в непрерывном по времени потреблении энергии, и ограниченной шумами точности измерения магнитного поля.

Техническим эффектом изобретения является повышение точности измерения и уменьшение энергии потребления.

Данные эффекты достигаются тем, что:

Электрическая схема предлагаемого ПСМПД (фиг.4) содержит двух коллекторный n-р-n (р-n-р) биполярный транзистор, эмиттер которого подсоединен к общей шине питания, база соединена со вторым выводом конденсатора и первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого, подсоединен к общей шине, первый вывод конденсатора соединен с управляющей шиной, первый коллектор транзистора подсоединен к выходной шине и через нагрузочный резистор к шине питания, дополнительный резистор, первый вывод которого подсоединен к общей шине, а второй к базе транзистора, а второй коллектор биполярного транзистора соединен с общей шиной питания.

Конструкция ПСМПД (фиг.5), топология (фиг.6) содержит, диэлектрик расположенный на поверхности области базы, на поверхности которого расположен дополнительный электрод управляющей шины образующий с диэлектриком и областью базы функционально интегрированную структуру МОП конденсатора, при этом сопротивление подложки образует резистор базы, на поверхности подложки также расположена область дополнительного - второго коллектора n (р) типа проводимости, а на его поверхности расположен соответствующий электрод второго коллектора, подсоединенный к шине питания.

Принцип действия

Физический принцип действия прототипа и изобретения аналогичен и основан на отклонении траектории движения электронов магнитным полем (закон Лоренца).

Данное обстоятельство, при наличии магнитного поля, приводит к увеличению расстояния проходящего электронами от области эмиттера до области коллектора, т.е. к увеличению эффективной толщиной базы транзистора, и соответственно к пропорциональному уменьшению тока коллектора горизонтального биполярного транзистора, поскольку его величина связана квадратичной зависимостью с эффективной толщиной базы транзистора

I_k = I_б×β

где β = τ₀∙D_п / W_эфф²

где β - коэффициент усиления транзистора,

I_k - ток коллектора,

I_б - ток базы;

τ₀ - время жизни неосновных носителей заряда;

D_п - коэффициент диффузии;

W_эфф - эффективная толщина базы.

Принцип действия изобретения (см. фиг.7, фиг.8) состоит в подаче на вход сенсора (конденсатора - C) импульсного прямоугольного импульсного напряжения - сигнала, который дифференцируется - R_d∙C цепочкой. В результате этого образуются «короткие» отрицательный и положительный импульсы. При этом положительный импульс (в случае n-р-n) биполярного транзистора) полностью открывает транзистор, до режима глубокого насыщения, в котором он находится в течение времени - τ_н, которое должно превышать время перезарядки входной емкости через дополнительное сопротивление R_d∙C:

τ_н = I_б∙L_n I_б (τ₀∙ D_п/ W_эфф²)∙I_k

В этом случае мы имеем зависимость времени насыщения τ_н, которое легко и точно измеряется на осциллографе от эффективной толщины базы, соответственно величины магнитного поля – В, т.е. τ_н = F (В).

При этом важно, что чувствительность сенсора магнитного поля может быть значительно улучшена в случае организации его в виде последовательно соединенной цепочки пиксель, в которой вход каждой пиксели соединен с выходом предыдущей (фиг.7). В этом случае суммируются времена сигналов пиксель сенсора, при этом шум сенсора уменьшается пропорционально корню квадратному от количества пиксель цепочки.

При этом мощность потребления энергии сенсором практически не зависит от количества ее элементов - пиксель.

Второй дополнительный коллектор ПСМПД предназначен для сбора «побочного сигнала» - неосновных носителей, которые не участвуют в формировании выходного сигнала.

Электрическая схема изобретения представлена на фиг.4, состоит из двухколлекторного биполярного транзистора, база - 1 которого через дополнительное сопротивление - 2 соединена с управляющей шиной - 8 и через конденсатор - 4 с входной шиной - 5, его эмиттер - 6 подключен к общей шине - 3, первый коллектор - 11 подсоединен к выходной шине - 7 и через нагрузочный резистор - 9 к шине питания - 10, второй коллектор подсоединен к шине питания - 10.

Конструкция представлена на фиг.5, а топология на фиг.6, которая содержит двухколлекторный горизонтальный биполярный транзистор n-р-n (р-n-р) типа, расположенный на поверхности слаболегированной подложки - 13 р (n) типа проводимости, содержащий, диэлектрик - 14, области n (р) типа проводимости, первого коллектора - 15 и второго дополнительного коллектора - 16, область эмиттера - 17 n⁺ (р⁺) типа проводимости и область базы - 18 р (n) типа проводимости на области эмиттера - 19 размещен электрод общей шины - 20, на подконтактной области базы р⁺ типа - 18 размещен электрод общей шины - 20, на области первого коллектора - электрод выходной шины - 21 на области дополнительного второго коллектора - электрод шины питания - 22, на поверхности подложки также размещены нагрузочный резистор - 23, соединенный соответственно первым выводом с электродом первого коллектора, вторым с электродом шины питания - 24, при этом на поверхности области подложки - 1, расположен тонкий диэлектрик - 25, а на его поверхности расположен дополнительный электрод управляющей шины - 26, образующий с диэлектриком и областью базы функционально интегрированную структуру МОП конденсатора, при этом сопротивление подложки - 13 образует резистор базы.

Технология изготовления представлена на фиг.9, фиг.10, фиг.11, фиг.12, фиг.13.

Пример практической реализации электрическая схема цепочки пиксель сенсора, экспериментально исследовалась макете, который был собран из кремниевых транзисторов КТ315, конденсаторов 0,1 мкФ и сопротивлений ОМТ с номиналами 1 кОм нагрузочный и 22 кОм дополнительный.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 Электрическая схема прототипа.

Фиг.2 Конструкция прототипа.

Фиг.3 Топология прототипа.

Фиг.4 Электрическая схема изобретения.

Фиг.5 Конструкция изобретения.

Фиг.6 Топология изобретения.

Фиг.7 Цепочка преобразователя магнитного поля.

Фиг.8 Временные зависимости входного и выходного импульса от времени.

Фиг.9 Формирование коллектора диффузией фосфора.

Фиг.10 Формирование контактов области - ионное легирование мышьяком.

Фиг.11 формирование МОП структуры - тонкое окисление.

Фиг.12 Формирование контактов.

Фиг.13 Осаждение Al.

Изобретение относится к высокоточным сенсорам магнитного поля с чувствительностью до долей нанотесла, создание таких приборов расширит область их применения особенно в медицине. Конструкция преобразователя магнитного поля содержит горизонтальный биполярный транзистор n-p-n (p-n-p), расположенный на поверхности подложки, содержащий диэлектрик, область коллектора и область эмиттера n (р) типа проводимости, область базы р (n) типа проводимости, на области эмиттера размещен электрод общей шины, на области базы - электрод управляющей шины, на области коллектора - электрод выходной шины, на поверхности подложки также размещены электрод шины питания, нагрузочный резистор, соединенный соответственно первым выводом с электродом коллектора, вторым выводом с электродом шины питания, отличающаяся тем, что диэлектрик расположен на поверхности области базы, на поверхности диэлектрика расположен дополнительный электрод управляющей шины, образующий с диэлектриком и областью базы функционально интегрированную структуру МОП конденсатора, при этом сопротивление подложки образует резистор базы, а на поверхности подложки расположена область дополнительного коллектора n (р) типа проводимости, на поверхности которого расположен электрод шины питания. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения и уменьшение энергии потребления. 13 ил.

Конструкция преобразователя магнитного поля, содержащая горизонтальный биполярный транзистор n-p-n (p-n-p), расположенный на поверхности подложки, содержащий диэлектрик, область коллектора и область эмиттера n (р) типа проводимости, область базы р (n) типа проводимости, на области эмиттера размещен электрод общей шины, на области базы - электрод управляющей шины, на области коллектора - электрод выходной шины, на поверхности подложки также размещены электрод шины питания, нагрузочный резистор, соединенный соответственно первым выводом с электродом коллектора, вторым выводом с электродом шины питания, отличающаяся тем, что диэлектрик расположен на поверхности области базы, на поверхности диэлектрика расположен дополнительный электрод управляющей шины, образующий с диэлектриком и областью базы функционально интегрированную структуру МОП конденсатора, при этом сопротивление подложки образует резистор базы, а на поверхности подложки расположена область дополнительного коллектора n (р) типа проводимости, на поверхности которого расположен электрод шины питания.