Технические науки / Электротехника и радиоэлектроника

Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В., Стовбчата О.П.

Вінницький національний технічний університет

Сенсори магнітного поля на основі біполярних

транзисторів

Ідея використання транзисторів як перетворювачів, які чутливі до магнітного поля, була відома давно. Звичайний біполярний транзистор – це напівпровідникова структура p-n-p- і n-p-n-типу з контактами до кожної з цих областей. В більшості випадків один p-n-перехід (емітер) вмикається в прямому напрямку і є джерелом нерівноважних носіїв заряду. Другий p-n-перехід (колектор) вмикається в зворотному напрямку. Опір колектора модулюється нерівноважними носіями заряду, інжектованими з емітера. Центральний шар напівпровідника називається базою. Коефіцієнт підсилення транзистора визначається коефіцієнтом перенесення β, коефіцієнтом інжекції γ_і і коефіцієнтом підсилення колектора α_k (відношення зміни струму колектора до зміни струму неосновних носіїв, які дійшли до колектора): h₂₁ = β∙ γ_і∙ α_k

У звичайному біполярному транзисторі, наприклад p-n-p- типу, інжектовані з емітера носії рухаються симетрично відносно осі транзистора. Основна їхня частина проходить шлях, який дорівнює товщині бази W₀ Магнітне поле приводить до відхилення траєкторій руху інжектованих носіїв від початкового напрямку приблизно на кут Холла φ. Оскільки товщина бази набагато менша розмірів емітера і колектора, то практично всі носії, що пройшли базову область, потраплять у колектор. Однак середній шлях, який пройдено носіями в базовій області, трохи зросте, що приведе до збільшення їхньої частки, яка прорекомбінувала у базовій області. Коефіцієнт передачі струму зменшиться. При оцінюванні магніточутливості таких магнітотранзисторів можна приблизно вважати, що зросла ефективна товщина бази [1]

Кут Холла звичайно малий, тому і магніточутливість «звичайних» транзисторів мала.

Для збільшення магніточутливості транзисторів необхідно, щоб викривлення траєкторії руху інжектованих носіїв приводило не тільки до збільшення W, але і до відхилення частини носіїв від колектора.

Для цього можна, наприклад, використовувати таку ж структуру транзистора, але із збільшеною довжиною бази. За рахунок дифузії потік інжектованих носіїв на шляху до колектора розширюється. Геометричні розміри емітера і колектора завжди можна вибрати такими, щоб Δl дорівнювала різниці I_K-I_E і всі носії попадали в колектор (приблизно I_K = I_E + 2W₀). Магнітне поле викривляє траєкторію руху інжектованих носіїв так, що частина носіїв, що раніше попадала в колектор, відхиляється від нього. Таким чином, у цій структурі магнітне поле приводить до додаткового в порівнянні з «звичайним» транзистором зменшення коефіцієнта передачі струму. Останній ефект збільшується зі зменшенням розмірів емітера і колектора.

Щоб носії, що відхиляються магнітним полем, не накопичувалися в базовій області, необхідно, щоб швидкість поверхневої рекомбінації, особливо біля колектора, була високою. Одночасно зі зменшенням коефіцієнта передачі струму в поперечному магнітному полі відбувається збільшення опору бази r_B, як і в магнітодіоді. Обидва ці ефекти можуть змінювати І_K в одному напрямку. При живленні бази від джерела з постійною напругою на базі

і

Збільшення r_В і зменшення h_21E. в поперечному магнітному полі приводить до більш сильного зменшення І_К, ніж при дії тільки одного з цих факторів. Відповідно магніточутливість підвищується [2].

Подальший розвиток ідеї збільшення магніточутливості біполярних "торцевих" транзисторів реалізовано в двоколекторному магнітотранзисторі (ДМТ) з горизонтальними колекторами [3]. ДМТ – це звичайний біполярний p-n-p-транзистор, колектор в якому поділено на дві частини (рис. 1., а). Його принцип дії такий. При ввімкненні ДМТ за схемою зі спільним емітером і резисторами навантаження в колах колекторів (мостова схема), коли відсутнє магнітне поле, інжектовані емітером носії заряду (дірки) приблизно порівну розподіляться між колекторами. Струми обох колекторів будуть однаковими, і різниця потенціалів між ними буде дорівнювати нулю. У поперечному магнітному полі В⁺ відбувається перерозподіл інжектованих зарядів між колекторами, при цьому струм колектора К2 збільшується, а струм колектора К1 зменшується, що спричиняє розбалансування мостової схеми. Це приводить до зміни напруги між колекторами. При цьому із зростанням магнітного поля напруга збільшується. Коли змінюється напрям магнітного поля (В^–), струм колектора К2 зменшується, а струм колектора К1 збільшується і, відповідно, змінюється знак напруги U між колекторами.

а) б)

Рис. 1. Структури двоколекторних магнітотранзисторів

Поряд з вказаним перерозподілом інжектованих носіїв заряду між колекторами відбувається також зміна ефективної товщини бази. При цьому в розглянутій конструкції у магнітному полі відбувається зменшення ефективної товщини бази лівої частини колектора і, відповідно, збільшення правої частини, тобто струм колектора К1 збільшується, а струм К2 - зменшується. Цей ефект протилежний ефекту перерозподілу носіїв заряду і приводить до зменшення магніточутливості ДМТ.

Цей недолік усувають ДМТ з "вертикальними" колекторами [4], в яких омічний контакт до бази і емітер розміщені з різних боків від колекторів.

Структура двухколекторного планарного магнітотранзистора подана у роботі [5]. В даній роботі визначалась абсолютна чутливість структури S по формулі

,

де та – покази вольтметра при включеному та виключеному магнітному полі, В – індукція цього поля (В=0,3 Тл). Було отримано значення S≈200 мкА/Тл.

У роботі [6] представлений магніточутливий біполярний транзистор. Даний сенсор зроблений на напівпровідниковій пластинці, яка містить дві області базових контактів, між якими розташовані дві області вимірювальних колекторів. Між ними на однаковій відстані розташована область емітера. Навколо областей емітера, колекторів та під контактних областей базових контактів виконана ізолююча область на товщину, рівній або більшій глибини області емітера, а під ізолюючою областю виконана низькоомна область першого типу провідності. Контакти до областей емітера, колекторів та підконтактних областей базових контактів виконані таким чином, що границі контактів вікон до всіх цих областей співпадають з краями ізолюючої області. На рис. 2 показана схема структури даного транзистора, де 1-базова область пластини, 2-ізолююча область, 3-підконтактні області базових контактів, 4-область колектора, 5-область емітера, 6-низькоомна область першого роду провідності, 7- контакти

Рис. 2. Структура біполярного магніточутливого транзистора

Даний винахід може бути використано для вимірювання магнітних полів у вигляді датчика в магнітокеруючих схемах електронної автоматики або в якості чутливого елемента в інтегральних магнітокеруючих схемах.

Як вказувалось вище, інтерес представляють дослідження впливу радіації на характеристики магніточутливих елементів як з погляду роботи елементів в умовах радіаційного опромінення, так і з погляду спрямованої зміни параметрів елементів шляхом їхнього опромінення. У роботі [7] розглядається залежність чутливості магнітотранзисторів з високоомного кремнію від впливу радіації. При опроміненні напівпровідника важкими частками – нейтронами або протонами, а також гама – випромінюванням спостерігається зменшення часу життя неосновних носіїв. Крім того, при опроміненні поверхні напівпровідника гамма-випромінюванням дозою до 10⁷ Р, магніточутливість збільшується в 3 рази, а при опроміненні потоком нейтронів до 5·10¹² н/см² вона зменшується в 2 рази. З цього випливає, що гамма-випромінювання дозою до 10⁷ Р може використовуватися як технологічний спосіб підвищення чутливості магнітотранзисторів.

Для створення малогабаритних і екологічно безпечних промислових систем керування виробництвом, використовуються інтегральні напівпровідникові сенсори магнітного поля (ІНДМП) [8]. Особлива увага приділяється ІНДМП, формованим у єдиному технологічному циклі з виготовленням інтегральних схем без застосування додаткових операцій. Основна частина, що реєструє, ІНДМП являє собою диференціальну пару біполярних n-p-n- транзисторів, виготовлених за стандартною технологією формування НВІС КМОН - схем із самосполученим полікремнієвим електродом затвора. Таку магніточутливу конструкцію, активні області якої розташовані поздовж однієї осі (вісь структури) симетрично по дві сторони від загального емітера, прийнято називати бічним магнітотранзистором (БМТ). Включення БМТ здійснюється за мостовою схемою. Перерозподіл носіїв заряду і зміна струмів у колекторах: збільшення в одному і зменшення в іншому виникає при впливі магнітного поля, вектор індукції якого перпендикулярний осі структури БМТ. Це приводить до розбалансу мостової схеми і появі між колекторами вихідного сигналу U_ВИХ, що лінійно і полярно змінюється при зміні величини і напрямку вектора . У порівнянні з іншими магніточутливими транзисторними структурами, структури БМТ мають високий ступінь стабільності вихідного сигналу при зміні параметрів зовнішнього середовища (температура, тиск, випромінювання та інше). Розглянута магніточутлива структура являє собою стандартну структуру БМТ, що розміщена в “кишені” p-типу провідності (10¹⁶ см^-3). При цьому додатково сформовано омічний контакт до початкової кремнієвої підкладки (10¹⁵ см^-3), що разом з “кишенею” являє собою несиметричний n-p- перехід. У даній конструкції ДМП закладена функціональна можливість керування дрейфом вихідного сигналу U_ВИХ, обумовленого впливом підвищеної температури зовнішнього середовища, як при дії магнітного поля, так і при його відсутності [8].

У роботі [9, 10] описані принципи дії і приведені основні електромагнітні характеристики магніточутливих транзисторів, у яких сила струму, що протікає, залежить від зовнішнього магнітного поля. На рис. 3 представлено схематичне зображення магнітотранзистора і показана теоретична та експериментальна залежності для n-p-n- МТ із кремнію p-типу з =20 кОм·см.

Найбільша магніточутливість спостерігається при включенні МТ як двополюснику (коло “емітер - колектор”) з відключеною базою. На рис. 4 показана залежність при різній напрузі на МТ при двополюсному включенні. З
рис. 4 видно, що з ростом напруги і струму магніточутливість збільшується, це пояснюється збільшенням із ростом струму.

Рис. 4. а) Схематичне зображення одноколекторного магнітотранзистору p-n-p-типу: Е - емітер; К – колектор; Б – база; пунктиром позначена область об'ємного заряду колекторного p-n-переходу; б) залежність коефіцієнта передачі струму від величини магнітної індукції В для магнітотранзистора n-p-n-типу

Рис. 4. Залежність сили струму, що протікає через магнітотранзистор, від величини магнітної індукції при різній напрузі

В даний час магнітотранзистори знаходять широке застосування в якості безконтактних магнітокеруючих перемикачів струму. На їхній основі створюються безколекторні електродвигуни постійного струму, пристрою синхронізації швидкості обертання електродвигунів, схеми електронного запалювання автомобілів, безіндукційні голівки зчитування магнітних записів та інше.

Література

1. Киреев П. С. Физика полупроводников / П. С. Киреев. – М.: Высшая школа, 1975. – 583 с.

2. Осадчук В. С. Сенсори тиску і магнітного поля / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук. – Вінниця: «УНІВЕРСУМ–Вінниця», 2005. – 207 с.

3. Davies L.W. Magnetotransistor incorporated in an integrated circuit / L. W. Davies, M. S. Wells // Proceedings I.R.E.E. – Australia, 1971. – P. 235 – 238.

4. Викулин И.М. Двухколекторные магнитотранзисторы / И. М. Викулин,
М. А. Глауберман, Г. А. Егиазарян и др. // ПиСУ. – 1981. – №10. – С. 34 – 35.

5. Пат. № 2008748 Україна, МКИ Н 01 L 29/82. Магнітотранзистор / І. М. Вікулін, М.А.Глауберман, В.В.Егоров//Заявлено 11.02.1992; Опубл. 28.02.1994.– 4 с.

6. Пат. № 2055419A1 Росія, МКИ Н 01 L 29/82. Магниточувствительный биполярный транзистор: Пат. № 2055419A1 Россия / А. И. Галушков, А. Н. Сауров, Ю. А. Чаплычин // Заявлено 25.01.1994; Опубл. 27.02.1996. – 4 с.

7. Викулина Л.Ф. Действие радиации на чувствительность магнитотранзисторов из высокоомного кремния / Л. Ф. Викулина, П. Ю. Марколенко, О. Б. Шевчук // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2000. – № 5 – 6. – С. 50 – 51.

8. Амеличев В.В. Интегральные датчики магнитного поля / В. В. Амеличев,
А. И. Галушков, Ф.Г. Зубенко, Ю. А. Чаплыгин // Электронная промышленность. – 1992. – № 3. – С. 58 – 59.

9. Козлов А. В. Распределение плотности тока в латеральном двухколлекторном магниточувствительном транзисторе / А. В. Козлов, М. А. Ревелева, Р. Д. Тихонов // Труды восьмой международной научно-технической конференции. – Дивноморское, Россия. – 2002. – С. 175 – 178.

10. Викулина Л. Ф. Магниточувствительные транзисторы / Л. Ф. Викулина // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 1998. – № 1. – С. 25 – 28.