Lab2_MvST

Лабораторная работа №3 «Исследование латерального двухколлекторного биполярного

магниточувствительного транзистора средствами программ TCAD»

Теоретические сведения

В современной микроэлектронике в последнее время широкое распространение получили датчики физических величин, такие как датчики температуры, давления,

ускорения, угла (наклона), поворота и т.д. Наиболее важными среди них являются датчики магнитных полей. Вообще любой датчик состоит из преобразователя магнитного поля и схемы обрамления, куда входят схемы фильтрации, усиления и преобразования выходного сигнала.

Необходимость измерения магнитных полей Измерение параметров магнитных полей МП находит применение в различных

областях науки и техники, т.к. медицина, биология, геология, дефектоскопия и т.д.

Исследование геомагнитных аномалий и добыча некоторых полезных ископаемых построено также на измерении МП. Большую роль измерение МП также играет в автомобилестроении, авиастроении и исследовании космоса. Магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Постоянные магниты и электромагниты стоят в генераторах, вырабатывающих ток, и в электромоторах, его потребляющих; без них не может обойтись большинство транспортных средств – автомобиль, троллейбус, тепловоз, самолет, корабль. Магниты облегчают нашу жизнь и развлекают нас, служа нам в различных электробытовых приборах, а также в магнитофонах, радиолах и всевозможных игрушках. Наконец, магниты – неотъемлемая часть многих научных приборов, начиная от небольших, располагающихся на столе исследователя, и до огромных ускорителей с размерами, измеряемыми многими километрами. Но магнитные явления интересуют сейчас не только инженеров, создающих новую технику. Эти явления изучают применительно к своей специальности врачи,

биологи, геологи, представители других профессий. Например, геологи по аномалиям магнитного поля Земли ищут полезные ископаемые, врачи наряду с электрокардиограммой снимают у больного магнитокардиограмму – она им дает дополнительную информацию о работе сердца, а биологи изучают магнитные поля,

создаваемые живыми организмами, и влияние на них, в свою очередь, внешних магнитных полей.

Преобразователи магнитного поля Преобразователями магнитного поля могут быть любые магниточувствительные

элементы, преобразующие воздействие магнитного поля в выходной электрический сигнал. Наиболее известными ПМП являются дискретный и интегральный датчик Холла, “монолитный” и “тонкопленочный” магниторезисторы, датчик Виганда, магнитодиод,

магнитотранзистор, магнитотиристор, датчики на полевых эффектах, ГМР преобразователи, магнитоиндуктивные преобразователи, микроферрозонды. Каждый из перечисленных преобразователей магнитного поля имеет определенный набор параметров и характеристик, обладает преимуществами и особенностями, которые учитываются при проектировании микроэлектронной аппаратуры в зависимости от конкретных условий ее применения. Функции дискретных ПМП существенно ограничены, практически все они требуют специального источника питания. Напряжение сигнала (или ток сигнала),

снимаемое с выхода этих приборов, как правило, характеризуется минимальной величиной – от долей до десятков милливольт или микроампер – что затрудняет их использование в высокочувствительной аппаратуре и оборудовании. Технология изготовления подавляющего большинства современных преобразователей магнитного поля в одно- и многоэлементном исполнении базируется на тех же принципах, что и производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (с

использованием процессов диффузии, ионного легирования, фотолитографии,

микросварки и т.п.). Рассмотрим некоторые преобразователи магнитных полей:

Элементы Холла. В настоящее время самыми простыми и довольно хорошо изученными датчиками магнитного поля являются датчики Холла. Они выпускаются промышленностью уже давно. В виде дискретных элементов – с середины 1950 - х гг., а в виде монолитных кремниевых пластин – с начала 1970 – х гг. За этот весьма продолжительный срок датчики Холла были хорошо изучены и описаны в большом количестве работ по данной тематике. Холловский элемент представляет собой датчик магнитного поля, в котором используется эффект Холла. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему магнитном поле. Чувствительным элементом является тонкая, обычно прямоугольная пластинка из полупроводникового материала со сравнительно высоким удельным сопротивлением, снабженная четырьмя омическими контактами (рис.1).

Принцип работы такого датчика заключается в следующем: при пропускании тока смещения между контактами 1 и 2 возникает холловское напряжение между контактами 3

и 4.

Рис.1. Структурная схема прямоугольного элемента Холла

Магнитодиоды. В дискретном исполнение эти приборы почти не встречаются.

Наиболее часто они производятся в составе магниточувствительных и магнитоуправляемых ИС. Принцип действия магнитодиода основан на сочетании магнитоконцентрационного эффекта и явления двойной инжекции. Электроны и дырки,

инжектируемые в прямоугольную полупроводниковую пластинку торцевыми контактами,

отклоняются магнитным полем к одной и той же поверхности пластинки, и модуляция концентрации носителей определяется скоростью рекомбинации на этой поверхности.

Результирующий поперечный градиент концентрации носителей непосредственно влияет на ток диода.

Первые работы по этой теме Стафеева и Каракушана появились примерно 25 лет назад. В течение этого времени было проведено множество исследований и опубликовано большое количество работ, посвященных магнитодиодам. Серийное изготовление в промышленности таких диодов началось 15 лет назад. При частоте магнитного поля свыше 10 кГц чувствительность этих диодов снижается.

Носители инжектируются из сильно легируемых областей n+ и p+ в пластинку из слабо легируемого полупроводника длиной l, шириной w и толщиной t. В

полупроводниковой пластине они дрейфуют под действием электрического поля E. Одна из поверхностей пластинки имеет низкую скорость рекомбинации – S1, другая высокую –

S2. Под действием магнитного поля электроны и дырки отклоняются за счет силы Лоренца в сторону одной из поверхностей S1 или S2 в зависимости от направления вектора магнитной индукции B. Таким образом, создается градиент концентрации носителей в направлении, перпендикулярном векторам E и B. В конечном итоге происходит

модуляция вольтамперной характеристики магнитодиода магнитным полем. Для

нормального функционирования такого диода должен выполняться ряд условий:

1)скорости рекомбинации двух поверхностей S1 и S2 полупроводниковой пластинки должны отличаться друг от друга;

2)толщина пластинки t должна быть порядка длины амбиполярной диффузии;

3)необходим высокий ток инжекции, чтобы было достигнуто состояние квазисобствен-

ной проводимости.

Рис.2 Интегральный магнитодиод, изготовленный по технологии КМОП ИС

Магнитотранзистор. Однако наиболее важным магниточувствительным элементом является двухколлекторный биполярный магниточувствительный транзистор,

обладающий высокой магнитной чувствительностью и хорошо воспроизводимый по базовой КМОП – технологии. Вообще биполярные магниточувствительные транзисторы бывают двух типов: вертикальные и горизонтальные (латеральные). Вертикальными магниточувствительными транзисторами являются транзисторы, перенос носителей в которых от одной области к другой осуществляется через объемную часть структуры,

горизонтальными – перенос носителей вдоль поверхности транзистора. Как известно,

биполярный двухколлекторный магниточувствительный транзистор ДКБМТ представляет собой сдвоенный биполярный транзистор, имеющий симметричную структуру относительно базовых контактов или эмиттерной области, а также два коллектора.

Обычно двухколлекторный магнитотранзистор выглядит в соответствие с рис.3. В

подложке одного типа формируется в центре область эмиттера, далее симметрично от эмиттера формируются области коллекторов, а за ними располагаются омические базовые области. Транзистор также может располагаться в диффузионном кармане обратного типа проводимости подложки. Для изготовления магнитотранзисторов используются все современные технологии, применяемые в производстве интегральных схем: биполярная,

эпитаксиально-планарная, МОП и др.

Рис.3 Латеральный биполярный двухколлекторный транзистор

Принцип действия магниточувствительного двухколлекторного транзистора заключается в следующем. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером в отсутвитвие магнитного поля носители заряда (электроны для n-p-n и дырки для p-n-p

транзистора), инжектируемые из эмиттера, пробегая через область базы, практически поровну распределяются между первым и вторым рабочими коллекторами, создавая одинаковый ток рабочих коллекторов Ic1 и Ic2, соответственно.

Под действием магнитного поля B+, приложенным параллельно эмиттеру,

происходит перераспределение носителей заряда и часть носителей заряда,

инжектируемых из эмиттера, при пролете через базу в магнитном поле под действием силы Лоренца прижимаются к поверхности в одной из частей транзистора и отклоняются в объем в другой части транзистора, тем самым, создавая асимметрию токов рабочих коллекторов Ic1 и Ic2. Ток коллектора Ic1 увеличивается, а ток коллектора Ic2

уменьшается. При изменении направления магнитного поля B- ток коллектора Ic1

уменьшается, а ток коллектора Ic2, наоборот, увеличивается. На рис.4 схематично показано распределение носителей заряда в отсутствие и под действием магнитного поля.

Рис.4 Распределение неосновных носителей заряда в базе

a) в отсутствие магнитного поля; б) под действием поперечного магнитног поля B+

Распределение носителей заряда в магнитном поле в объеме и на поверхности транзистора приводит к появлению ∆Ic, равной разнице между токами рабочих коллекторов Ic1 и Ic2 и, как следствие, магнитной чувствительности по току. По

определению относительная магнитная чувствительность по току SRI – отношение разницы токов рабочих коллекторов к произведению их суммы на величину индукции магнитного поля B, т.е. относительная чувствительность по току равна:

Вообще, магнитная чувствительность магнитотранзисторов принято связывать с тремя основными физическими механизмами:

o 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;

o с эффектом Холла, относящимся к любым воздействиям, создаваемым холловским электрическим полем, которое возникает под действием силы Лоренца на основные носители в базовой области МТ;

oс магнитоконцентрационным эффектом, который является результатом действия силы Лоренца на носители обоих типов и выражается в изменении концентрации носителей, необходимым для поддержания нулевого объемного заряда.

Помимо распределения инжектированных носителей заряда между коллекторами происходит изменение эффективной толщины базы. При этом в рассмотренной конструкции n-p-n транзистора в магнитном поле B+ увеличивается эффективная толщина базы левой части транзистора, то есть ток коллектора К1 уменьшается, а ток коллектора К2 увеличивается. Этот эффект противоположен эффекту перераспределения носителей заряда в магнитном поле и приводит к уменьшению магнитной чувствительности.

Вообще ДКБМТ ранее изучался и до сих пор изучается многими авторами. За это время появились различные конструкции транзисторов, проводилась оптимизация электрических параметров, разрабатывались новые технологии, проводилось объяснение механизмов функционирования транзистора. Неизменным осталось одно – все это проводилось с целью повысить чувствительность транзистора к магнитному полю,

улучшить линейность выходной характеристики, уменьшить величину оффсета (разбаланс токовых характеристик рабочих коллекторов в отсутствие магнитного поля), создать на основе трех магнитотранзисторов электронный магнитный компас.

Из литературы известно, что на основной параметр относительную чувствительность к магнитному полю транзистора влияют различные технологические и электрические параметры. Целью лабораторной работы является исследование

двухколлекторного биполярного магниточувствительного транзистора, сформированного в диффузионном кармане. Расчет коэффициента передачи базового тока Iб/Iэ. Изучение влияния дозы легирования кармана на токи биполярного транзистора, а, следовательно, и

на относительную чувствительность транзистора (1).

Моделирование магниточувствительного эффекта в DESSIS

Для учета влияния магнитного поля на характеристики полупроводниковых приборов традиционная система уравнений, известная как диффузионно-дрейфовая модель, дополняется членами, описывающими влияние силы Лоренца на движение носителей. С точки зрения практического расчета, входной файл DESSIS (n3_des.cmd)

практически идентичен файлу для расчета характеристик обычного биполярного транзистора. Отличия следующие:

- В разделе Physics дополнительно описана величина и направление магнитного поля,

например: MagneticField=(0,0,1) – магнитное поле 1 Tл вдоль оси Z

-В модели Recombination необходимо отключить модель ударной ионизации Avalanche

-В разделе Math вместо NewDiscretization вводится EdgeMagneticDiscretization

Ниже представлено содержание файла n3_des.cmd:

File {

output = "n3_des.log"

}

Electrode {

{Name="c" Voltage=0 }

{Name="l" Voltage=0 }

{Name="r" Voltage=0 }

}

Physics {

Mobility(dopingdependence HighFieldsaturation ) Recombination(SRH(dopingdep)Auger) **Модель ударной ионизации отключена

Plot {

Potential Electricfield eDensity hDensity eCurrent hCurrent TotalCurrent Avalanche SpaceCharge }

Math { Iterations=25

EdgeMagneticDiscretization **Обязательная опция

RelerrControl Extrapolate Derivatives

}

Solve {

Poisson

coupled { Poisson Electron hole }

Quasistationary(

InitialStep=1e-2

MaxStep=0.05

Minstep=1e-15

increment=2

decrement=2 Goal{name=l voltage=2} Goal{name=r voltage=2}

)

{Coupled { Poisson Electron hole }} ****Решать систему уравнений

}

Контрольные вопросы

1.Обосновать необходимость измерения магнитных полей.

2.Структура и принцип работы датчика Холла.

3.Структура и принцип работы магнитодиода.

4.Структура и принцип работы магнитотранзистора.

Варианты заданий для самостоятельной работы

Исследовать с помощью средств TCAD заданную конструкцию двухколлекторного биполярного транзистора, сформированного в диффузионном кармане.

При выполнении работы необходимо заполнить все части таблиц 2 и 3 для заданного варианта задания. Номер варианта задания определяется по номеру обучаемого в списке

(группы) и в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 Номера вариантов

Таблица 2

Таблица 3

-α –коэффициент передачи эмиттерного тока

-αлев.- коэффициент передачи эмиттерного тока относительно левого коллектора при В=1Тл

-αправ.- коэффициент передачи эмиттерного тока относительно правого коллектора при В=1Тл