Исследование и разработка трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким коллекторным разбалансом для работы в слабых и переменных магнитных полях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Черемисинов, Андрей Андреевич

• Черемисинов, Андрей Андреевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Черемисинов, Андрей Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ДАТЧИКИ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1. Преобразователи магнитного поля

1.1.1. Элементы Холла

1.1.2. Магниторезисторы

1.1.3. Магнитодиоды

1.1.4. Магнитотранзисторы

1.2. Двухколлекторный биполярный магнитотранзистор

1.3. Критерии качества двухколлекторного биполярного магнитотранзистора

1.4. Датчики регистрации перемещений на основе полупроводниковых преобразователей магнитного поля

1.5. Применение магнитных датчиков в автомобильной технике

Выводы и постановка задачи

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТРЕХКОЛЛЕКТОРНОГО БИПОЛЯРНОГО МАГНИТОТРАНЗИСТОРА (ЗКБМТБК) С НИЗКИМ ЗНАЧЕНИЕМ

НАЧАЛЬНОГО РАЗБАЛАНСА КОЛЛЕКТОРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1 .Структура БМТБК

2.2. Гальваномагнитные эффекты в магнитотранзисторе

2.3. Приборно-технологическое моделирование магнитотранзистора с подлегированием поверхности базы

2.4. Исследование границы раздела $¿-5ЧО2 на основе вольт-фарадных характеристик

2.5. Технология изготовления ЗКБМТБК

2.6. Сравнение начального разбаланса коллекторных напряжений

Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЗКБМТБК В СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

3.1. Исследование работы магнитотранзисторов ЗКБМТБК

3.2. Сравнение типов магнитотранзисторов

3.3. Собственные шумы магнитотранзисторов

3.4. Методика измерения магниточувствительности магнитотранзистора

в слабых магнитных полях

Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. МИКРОСИСТЕМА МЕХАТРОННОГО УСТРОЙСТВА С МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

4.1. Структура кремниевой консоли

4.2. Моделирование и анализ колебаний кремниевой консоли

4.3. Схема преобразователя магнитного поля

4.4. Макет микросистемы мехатронного устройства с использованием магнитотранзистора

4.5. Методика измерений и анализ полученных результатов

Выводы по 4 главе

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким коллекторным разбалансом для работы в слабых и переменных магнитных полях»

ВВЕДЕНИЕ

За последние полвека исследовано, апробировано и нашло свое серийное применение большое количество датчиков магнитного поля. Используются они как для измерения непосредственно величины и направления магнитного поля, так и для создания более сложных датчиков для регистрации перемещений, датчиков приближений, координаточувствительных датчиков, щелевых датчиков, датчиков угла поворота, скорости вращения, датчиков угла наклона, датчиков измерения тока и многих других [1]. Также они используются для создания бесконтактных пусковых устройств, например в автомобиле. На работу таких устройств не влияют загрязнения и другие факторы, ухудшающие работу контактных развязок.

Основным элементом датчика магнитного поля является преобразователь магнитного поля. Наиболее используемыми в мире для создания датчиков магнитного поля преобразователями магнитного поля являются элементы Холла и магниторезисторы. Основная доля производимых датчиков магнитного поля приходится на элементы Холла. Достаточно простые в изготовлении, дешевые, они работают в полях от 10"4 до 102 Тл. Однако сложности при разработке элементов Холла и датчиков на их основе вносят термокомпенсация и остаточное напряжение на выходе.

Магниторезистивный эффект материалов был открыт еще в XIX веке, но активное развитие исследования магниторезистивных элементов началось после открытия в 1988 году гигантского магниторезистивного (ГМР) эффекта. Магниторезисторы чувствительных к слабым полям до 10'9 Тл, но не работают в сильных полях. При создании магниторезистивных элементов необходимо создание сложных многослойных структур, содержащих ферромагнитные пленки. Наличие гистерезиса вынуждает использовать дополнительные элементы для

перемагничивания пленок с целью возврата в рабочую точку. Также присутствует нелинейность выходных характеристик и затруднено интегральное исполнение магниторезисторов с дальнейшей схемой обработки сигнала.

Хорошей альтернативой элементам Холла и магниторезисторам представляется использование магнитотранзисторов. К достоинствам магнитотранзисторов можно отнести достаточно простое изготовление при использовании стандартной КМОП технологии, работа в широком спектре магнитных полей, высокая чувствительность к магнитному полю, низкие токи потребления, маленькие размеры.

Однако серийное использование серийного производства датчиков на основе магнитотранзисторов ограничена наличием начального разбаланса. Также необходимо увеличивать магниточувствительность, как для увеличения величины дифференциального сигнала с коллекторов, так и для увеличения разрешающей способности. Для создания более сложных датчиков на основе магнитотранзисторов необходимо иметь представление о диапазоне магнитных полей, в котором чувствителен магнитотранзистор, оценить работу в переменном магнитном поле.

Цель диссертационного исследования

Основной целью работы являлось исследование и разработка трехколлекторного биполярного магнитотранзистора (ЗКБМТБК) с высоким значением магниточувствительности и с низким значением начального коллекторного разбаланса, а так же исследование его работы в слабых и переменных магнитных полях. Для этого решались следующие задачи:

1) Анализ существующих преобразователей магнитного поля и их применение для создания датчиков магнитного поля и более сложных датчиков на их основе. Оценка существующих видов

магнитотранзисторов. Выбор типа магнитотранзистора для дальнейших исследований и улучшения характеристик по следующим критериям:

- возможность применения КМОП технологии;

- максимальная магниточувствительность;

- низкий начальный коллекторный разбаланс.

2) Создание в среде приборно-технологического моделирования БупорБуз 8еЫаигт ТСАО модели трехколлекторного биполярного магнитотранзистора и оценка зависимости магниточувствительности от подлегирования поверхности базы и поверхностной рекомбинации.

3) Исследование технологических возможностей снижения начального коллекторного разбаланса и изготовление партии трехколлекторных магнитотранзисторов на основе полученных решений.

4) Исследование внутренних шумов различных магнитотранзисторных структур.

5) Исследование влияния включения р-п перехода база-карман в качестве третьего коллектора в магнитотранзисторе на магниточувствительность.

6) Разработка методики и исследование работы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в слабых магнитных полях.

7) Разработка макета датчика микроперемещений на основе трехколлекторного магнитотранзистора и исследование его работы на частотах 0,9-1,2 кГц.

Научная новизна

1) Исследование начального разбаланса при различных технологиях создания области базы показало, что низкая концентрация примеси вблизи поверхности, а также создание термического окисла с предварительным газофазным подтравливанием поверхности в среде

3% HCl позволяет снизить начальный коллекторный разбаланс трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в 3,3 раза.

2) Впервые исследована работа трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в слабых полях до 10"6 Тл. Установлено, что ЗКБМТБК имеет линейную зависимость изменения дифференциального сигнала коллекторов от величины магнитного поля.

3) Исследование внутренних шумов различных магнитотранзисторных структур показало, что создание дополнительного кармана в теле магнитотранзистора и использование его в качестве третьего коллектора приводит к снижению внутренних шумов в 15 раз.

Практическая значимость

1. Разработан маршрут и получены образцы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора (ЗКБМТБК) с низким разбалансом коллекторных напряжений.

2. Схема включение с использованием третьего коллектора позволяет увеличить магниточувствительность различных структур биполярных магнитотранзисторов в пределах от 3 до 100 раз.

3. Экспериментально подтверждено, что максимальная магниточувствительность трехколлекторного биполярного магнитотранзистора достигается при среднем уровне инжекции и одинаковом потенциале на базе и на кармане (третьем коллекторе).

4. Разработана методика исследования магнитотранзисторов в слабых магнитных полях с учетом начального разбаланса коллекторных напряжений. Показана возможность использования трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в качестве датчика магнитного поля Земли.

5. Разработана и получена микросистема мехатронного устройства с МЭМС датчиком вибраций и магнитотранзисторным

преобразователем магнитного поля для контроля линейных микроперемещений.

6. Разработана методика исследования магнитотранзисторов в переменном магнитном поле с помощью микромеханической системы на основе кремниевой балки.

На защиту выносятся

1) Новая структура и маршрут изготовления трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким значением начального разбаланса коллекторных напряжений.

2) Методика исследования магнитотранзисторов в слабых магнитных полях с учетом влияния начального разбаланса коллекторных напряжений.

3) Методика исследования магнитотранзисторов в переменном магнитном поле с помощью микромеханической структуры на основе балки.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) IX научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, Россия, 2010.

2) 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Москва, Зеленоград, Россия, 2011.

3) IEEE 12th International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2011), Erlagol, Altai, Russia, 2011.

4) 2-я Международная конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике», Москва, Зеленоград, Россия, 2011.

5) 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика— 2012» Москва, Зеленоград, Россия, 2012.

6) 2nd International Conference on Materials and Applications for Sensors and Transducers (IC-MAST 2012), Budapest, Hungary, 2012.

7) The International Conference "Micro- and Nanoelectronics - 2012" (ICMNE-2012), Zvenigorod, Russia, 2012.

8) 3-я Международная научно-техническая конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике. Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база», Москва, Зеленоград, Россия, 2012.

9) 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2012» Москва, Зеленоград, Россия, 2013.

10) IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology, Kyiv, Ukraine, 2013.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тихонов Р. Д., Черемисинов A.A. / Новый магнитоконцентрационный эффект - магнитоконцентрационная модуляция рп- перехода // Материалы IX научно-технической конференции «Пульсар-2010» 1-3 декабря 2010, Звенигород, с. 147-149.

2. Козлов A.B., Королев М.А., Поломошнов С.А., Тихонов Р.Д., Черемисинов A.A. / Способы повышения разрешающей способности элементов микросистемной техники // Материалы IX научно-технической конференции «Пульсар-2010» 1-3 декабря 2010, Звенигород, с. 208-210.

3. Черемисинов А. А. / Методика исследования частотных характеристик магниточувствительного двухколлекторного транзистора // Сборник тезисов докладов 18-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011» Зеленоград, 19-21 апреля 2011, с. 93.

4. Kozlov А.V., Cheremisinov А.А., Polomoshnov S.A., Tikhonov R.D., Shamanaev S.V. / Model of effect of ^«-junction magnetic field modulation // «Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM)» International Conference and Seminar of Young Specialists, June 30 -July 4, 2011, Erlagol, Altai, Book of abstracts, p 137 - 139.

5. Козлов A.B., Королев M.A., Поломошнов C.A., Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А., Шаманаев С.В. / Конструктивные и схемотехнические способы повышения чувствительности биполярных магнитотранзисторов для прецизионного контроля перемещений микромеханических элементов // Нано- и микросистемная техника, № 12, 2011, с. 19-20.

6. Черемисинов А.А. / Сравнение схем включения биполярного латерального двухколлекторного магнитотранзистора // Сборник тезисов докладов 19-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2012», 20 - 22 апреля 2012, с. 90.

7. Козлов А.В., Королев М.А., Поломошнов С.А., Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А., Шаманаев С.В. / Приборно-технологическое моделирование чувствительности биполярных магнитотранзисторов для прецизионного контроля перемещений микромеханических элементов. // Известия вузов. Электроника, №2, 2012, с. 90-92.

8. Козлов А.В., Королев М.А., Шаманаев С.В., Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А. / Трехколлекторный магнитотранзистор: механизм чувствительности с отклонением двух потоков носителей заряда. // Радиопромышленность №3, 2012, с. 58-66.

9. Amelichev V.V., Cheremisinov А.А., Polomoshnov S.A., Tikhonov

и

R.D. / Mechanism of sensitivity of a three-collector magnetotransistor // International Conference "Micro- and Nanoelectronics -2012"(MNE-2012), Book of Abstracts, 1-5 October 2012, Moscow-Zvenigorod, Russia, p. Pl-36.

10. Козлов A.B., Королев M.A., Черемисинов А.А., Жуков A.A., Тихонов Р.Д. / Влияние конструктивно-технологических параметров на характеристики трехколлекторного биполярного магнитотранзистора // Известия высших учебных заведений «Электроника», №6, 2012, с. 43-50.

11. Amelichev V.V., Cheremisinov А.А., Polomoshnov S.A., Tikhonov R.D. / Mechanism of sensitivity of a three-collector magnetotransistor // SPIE Digital Library, 2013, http://dx.doi.org/10.1117/12.2018388.

12. Амеличев B.B., Тихонов P. Д., Черемисинов A. A. / Исследование влияния схемы включения на характеристики трехколлекторного магнитотранзистора // Измерительная техника, 2013, № з, с. 40-43.

13. Красюков А.Ю., Черемисинов А.А, Тихонов Р.Д. / Зависимость чувствительности магнитотранзистора от легирования базы // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, №2, 2013, с. 45-50.

14. Черемисинов А.А., Григорьев Д.М., Завражина А.Ю. / Исследование работы биполярного латерального трехколлекторного магнитотранзистора в переменном магнитном поле // Сборник тезисов докладов 20-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2013» Зеленоград, 17-19 апреля 2013, с. 119.

15. Amelichev V.V., Tikhonov R.D., Cheremisinov А.А. / The three-collector magnetotransistor: variable sensitivity // IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology, April 16-19, 2013, Kyiv, Ukraine, p. 99 - 103.

16. Никифоров C.B., Поломошнов С. А., Тихонов P. Д., Черемисинов А.А. / Исследование микросистемы с использованием преобразователя магнитного поля // Нано- и микросистемная техника, № 4,

2013, с. 36-37.

17. Krasyukov A.Yu., Tikhonov R.D., Cheremisinov A.A. / Influence of doping the base surface on parameters of a bipolar dual-collector lateral magnetotransistor// Russian Microelectronics, 2013, Vol. 42, No. 4, p. 220-229.

18. Красюков А.Ю., Тихонов Р.Д., Черемисинов A.A. / Влияние легирования поверхности базы на параметры биполярного двухколлекторного латерального магнитотранзистора // Микроэлектроника, т. 42, № 4, 2013, с. 279-289.

19. Планарный биполярный магнитотранзистор : пат. 2439748 Рос. Федерация : МПК51 Н 01 L 29/82 / Козлов A.B., Королев М.А, Тихонов Р.Д., Черемисинов A.A.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ). - № 2010140872/28 ; заявл. 07.10.2010 ; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1. - 14 с.

20. Преобразователь магнитного поля для контроля вектора магнитной индукции на основе магнитотранзисторной структуры : топология интегральной микросхемы №2013630013 Рос. Федерация / Суханов B.C., Прокофьев И.В., Тихонов Р.Д., Черемисинов A.A.; заявитель и правообладатель федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ» -№2012630161 ; заявл. 27.11.2012; опубл. 09.01.2013.

ГЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ДАТЧИКИ НА ИХ ОСНОВЕ

Для современного человека жизненно необходимо контролировать происходящие вокруг него процессы. Он должен знать окружающую температуру, давление, влажность воздуха. Знать свое артериальное давление, пульс. Сидя в машине - скорость, уровень бензина, температуру двигателя. Во всем этом ему помогают датчики.

Датчик - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем [2].

Основным элементом датчика является чувствительный элемент. Задача чувствительного элемента преобразовать физическую величину в электрический сигнал. Основная классификация датчиков строится как раз на принципе преобразования измеряемой величины в сигнал:

• магнитоэлектрические датчики;

• пьезоэлектрические датчики;

• датчики на основе тензопреобразователей;

• емкостные датчики;

• потенциометрические датчики;

• оптические датчики (фотодатчики).

Магнитоэлектрические датчики занимают достаточно большую нишу среди выпускаемых в мире датчиков. Принцип действия их основан на преобразовании магнитного поля или изменения магнитного поля в электрический сигнал за счет гальваномагнитных эффектов, происходящих в теле преобразователя магнитного поля. Так одни из них - эффект Холла и магнетосопротивление открыты еще в 19 веке. Основное развитие датчиков магнитного поля началось в середине 20 века, что привело к созданию новой науки - микромагнитоэлектроники [1].

1.1. Преобразователи магнитного поля

Для магииточувствительиых датчиков основным элементом является преобразователь магнитного поля [1]. Преобразователь магнитного поля представляет собой магниточувствительный элемент (МЧЭ), а так же схему обработки сигнала и выводы. Для создания МЧЭ используются те материалы, которые меняют свои свойства под действием магнитного поля.

Чаще всего в качестве преобразователей магнитного поля используются:

• элементы Холла;

• магниторезисторы;

• магнитодиоды;

• магнитотранзисторы.

Для детектирования магнитного поля используют как дискретные преобразователи магнитного поля, так и матрицы на их основе [3,4].

1.1.1. Элементы Холла

Элементы Холла на данный момент самые выпускаемые преобразователя магнитного поля в мире [1]. Количество выпускаемых элементов Холла превышает миллиард штук в год.

В основе действия элементов Холла лежит эффект Холла, открытый Эдвином Холлом в 1879 году. Принцип действия эффекта Холла представлен на рис. 1.1. Его сущность состоит в следующем: если через проводящую пластину пропускать ток, а перпендикулярно пластинке направить магнитное поле, то в направлении поперечном току и направлению магнитного поля на пластине появится разность потенциалов [5,6,7].

Данное напряжения вычисляется по формуле: _(Д„хЯх А

= - (1.1)

где Як - коэффициент Холла, зависящий от материала проводника; В -индукция магнитного поля; / - ток в проводнике; с1 - толщина материала.

Рис. 1.1. Элемент Холла.

Коэффициент Холла определяется как:

л* = У

р /ЯР

(1.2)

или

(1.3)

где Янр - постоянная Холла для дырок, Янп - постоянная Холла для электронов, q - заряд электрона, р - концентрация дырок, п -концентрация электронов.

Для изготовления элементов Холла чаще всего используются следующие материалы: кремний (67), германий (Ое), арсенид индия (1пЛя), антимонид индия (1п5Ь), арсенид галлия (СаАя). Все они обладают высоким коэффициентом Холла.

Известны датчики Холла, полученные по технологии биполярных интегральных схем, МОП, эпитаксиальной, КНИ. По направлению чувствительности относительно поверхности элемента Холла к

К =

магнитному полю разделяют вертикальные и горизонтальные элементы Холла.

Элементы Холла просты в изготовлении, вследствие этого обладают низкой себестоимостью. Так же элементы Холла обладают линейной выходной характеристикой, что позволяет им работать в широком диапазоне полей. Основные же минусы элементов Холла заключаются в том что, они обладают значительной величиной остаточного напряжения, разрешающая способность в области слабых магнитных полей ограничена величиной 1 мТл.

1.1.2. Магниторезисторы

Принцип работы магниторезисторов построен на изменении сопротивления материалов, из которых изготовлен магниторезистор, в магнитном поле. Данный гальваномагнитный эффект был известен еще в 19 веке. Основные же успехи исследования и производства магниторезисторов связаны с открытием в 1988 году «гигантского» магниторезистивного (ГМР) эффекта.

Магнитотранзистор представляет из себя сложную многослойную структуру, содержащую ферромагнитные материалы, диэлектрические прослойки, металлические контакты[8-14]. Разделяют анизотропные, спин-тунельные магниторезистивные (СТМР) и спин-вентильные магниторезистивные (СВМР) структуры [15].

Основные параметры тонкопленочных магниторезистивых структур:

- остаточная намагниченность (Яу);

- коэрцитивная сила (Не);

- поле анизотропии (Нк);

- коэффициент магниторезистивного эффекта (Ар/р).

-наличие оси легкой (ОЛН) и трудной (ОТН) намагниченности.

Анизотропные структуры представляют собой многослойные структуры, где в качестве магнитных материалов используется пермаллой (ЕеШ), а так же ГеШСо. Разделительными областями выступают пленки тантала (Та) и титана (77). Магниторезистивный эффект таких структур достигает 2,5%.

Спин-вентильные структуры представляют более сложные структуры содержащими в себе магнитные материалы с различными значениями параметров, в частности коэрцитивной силы. Магниторезистивный эффект в таких структурах достигает 30%.

В спин-тунельных структурах происходит изменение значения туннельного тока в структуре под действием магнитного поля. Магниторезистивный эффект в таких структурах достигает 50%.

Изготовление магниторезисторов связано с напылением сложных структур, содержащих в себе от 3 до 10 и более слоев магнитных, фиксирующих, немагнитных слоев. Для изготовления таких структур используются ШРе, РеШСо, Со, Си, РеМп, А1203, £7 С, 77, Та. Использование этих веществ совместно со стандартной КМОП технологией затруднено.

В качестве схемы включения чаще всего используют мостовую схему включения магниторезисторов, представленную на рис. 1.2. В зависимости от расположения магниторезистивных элементов относительно ОЛН различают схемы с четной и нечетной характеристикой вход-выход.

Рис. 1.2. Магниторезистивный дифференциальный мост.

В схемах с четной характеристикой вход-выход (рис. 1 .За) соседние магниторезисторы располагаются перпендикулярно на интегральной схеме. При этом получается, что в одной паре плеч ОЛН направлено параллельно телу магниторезистора, а в другой перпендикулярно. При появлении магнитного поля, перпендикулярного ОЛН, вектор М в магнитных пленках магниторезистивных структур отклоняется, при этом сопротивление элементов перепендикулярных ОЛН растет, а параллельных уменьшается.

Достоинства такой схемы в ее простоте, но при этом присутствует достаточно большой гистерезис, что приводит к необходимости введения катушек перемагничивания для возврата в линейную область характеристик данной схемы.

U,mB

U,MB

2 —

2 —

Н,Э

н,э

2

4

4

а)

б)

Рис. 1.3. Характеристики вход-выход магниторезистивного моста а) четная; б) нечетная.

В схеме с нечетной характеристикой вход выход (рис. 1.36) все магниторезистивные элементы расположены параллельно относительно OJIH. Под действием магнитного поля направленного перпендикулярно OJIH магниторезистивных элементов в одной паре вектор М отклоняется на угол -<р, а в другой на +(р, что приводит к изменению выходного сигнала. Гистерезис в таких схемах меньше, чем в схемах с четной характеристикой вход - выход, но при этом необходимо создание управляющего проводника.

Магниторезисторы работают в диапазоне магнитных полей от 10"9 до

-у __Л

10 Тл, обладают широким спектром рабочих температур от -60 до 150 С. Магниторезисторы используются для изготовления систем навигации, цифровых компасов, измерения частоты вращения, угла и т.д. Основные сложности при создании датчиков на основе магниторезисторов связаны со сложностью интеграции на одном кристалле со схемой обработки сигнала и наличием гистерезиса.

1.1.3. Магнитодиоды

В основу действия магнитодиодов заложен принцип изменения сопротивления базы в магнитном поле [1, 16-18]. Это возможно в том случае, если поверхностная рекомбинация намного больше, чем объемная. Линии тока носителей заряда отклоняются к поверхности диода, к области с высокой рекомбинацией, изменяя тем самым концентрацию носителей и сопротивление базы. Данный гальваномагнитный эффект называют магнитоконцентрационным.

а)

б)

Рис. 1.4. Магнитодиод: а) конструкция, б) В АХ.

Технологически создание разницы в поверхностной и объемной рекомбинации достигается созданием высокоомной области базы, проводимость которой близка к собственной, и большой длинной базы, большей диффузионной длины Ь. В связи с этим падение напряжения происходит не нар-п переходе, а на высокоомной базе.

Для производства магнитодиодов в основном используется кремний и германий. Сложность использования магнитодиодов связана с нелинейностью выходного сигнала, а также температурной нестабильностью.

1.1.4. Магнитотранзисторы

Магнитотранзисторами называются транзисторы, конструктивные и рабочие параметры которых оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю [1,19,20]. Изготавливаются магнитотранзисторы как и обычные транзисторы по стандартным биполярной, МОП, КМОП, эпитаксиальной технологиям. Это дает возможность выполнения магнитотранзистора с последующей схемой обработки, усиления и оцифровки сигнала на одном кристалле.

В зависимости от того, к какой компоненте вектора магнитной индукции чувствителен магнитотранзистор, их разделяют на вертикальные и горизонтальные (латеральные).

Исследованы и получены различные конструктивы магнитотранзисторов: тонкие и "длинные торцевые" магнитотранзисторы, кремниевые двухколлекторные и германиевые двухколлекторные магнитотранзисторы, кремниевые вертикальные и двухстоковые магнитотранзисторы, биполярные горизонтальные МОП транзисторы, полярные и полевые, однопереходные и одноколлекторные магнитотранзисторы, многоколлекторные и многостоковые магнитотранзисторы.

Анализ данных видов магнитотранзисторов показал, что самым исследованным и обладающим лучшими параметрами, такими как, магниточувствительность, потребление, геометрические размеры, интеграция в схемы обработки и многие другие, является двухколлекторный биполярный магнитотранзистор с базой в кармане [19-30].

1.2. Двухколлекторный биполярный магнитотранзистор

Двухколлекторный магнитотранзистор (ДМТ) представляет собой обычный латеральный биполярный р-п-р транзистор, с двумя коллекторами (рис.1.5) [19,20,31].

Б К1 Э К2 Б

Рис. 1.5. Структура двухколлекторного биполярного магнитотранзистора.

Принцип действия двухколлекторного магнитотранзистора заключается в следующем. При включении ДМТ по схеме с общим эмиттером (Рис. 1.6.) и нагрузочными резисторами И-к в цепях коллекторов (дифференциальное включение) в отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекторами. Токи коллекторов К1 и К2 равны, и напряжение Ца-кг между ними отсутствует. В поперечном магнитном поле В+ происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами, при этом ток коллектора К2 увеличивается, а ток коллектора К1 уменьшается, что вызывает разбаланс напряжения между коллекторами, причем с ростом магнитного поля он увеличивается. При изменении направления магнитного поля индукции (В") ток коллектора К2 уменьшается, а ток коллектора К1 увеличивается и соответственно изменяется знак напряжения иКьк2 между коллекторами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черемисинов, Андрей Андреевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Бараночников M.JI. Микромагнитоэлектроника. // Учебник, том 1. - Москва. ДМК Пресс, 2001, 544 с.

2) ГОСТ 51086-97. Датчики и преобразователи величин электронные. Москва: изд-во стандартов, 1997. - 9 с.

3) Абакумов А. А. Магнитная интроскопия. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 272 с.

4) Крупнов Ю.А. Интегральные магниточувствительные матрицы для измерения параметров вектора индукции магнитного поля. Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук.- М., МИЭТ.- 2009.

5) Аксененко М. Д., Бараночников М. JL, Смолин О. В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. - М.:Энергоиздат, 1984.-208 с.

6) Викулин И. М., Викулина Л. Ф., Стафеев В. И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. -104 с.

7) Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. -М.: Мир, 1989.-630 с.

8) Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьев A.M. / Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы // Институт проблем управления РАН, 2001, 188 с.

9) Аверин Н. Н., Васильева Н.П. и др. Разработка тонкопленочных двухслойных магниторезисторных датчиков.// Приборы и системы управления, № 2, 1995. - С. 24-26.

10) Бараночников М. Л. Магниторезисторы //Радио, № 7, - с. 42; № 8, - с. 45-46; № 9, - с. 41-42, 1994.

11) Васильева Н. П., Касаткин С. И., Аверин Н. Н. и др. Разработка тонкопленочных двухслойныхмагниторезистивных датчиков// Приборы и системы управления, № 2, 1995. - С. 24-26.

12) Васильева Н. П., Касаткин С. И., Муравьев А. М. Магниторезистивные датчики на тонких ферромагнитных пленках. Обзор// Приборы и системы управления, № 8, 1994. - С. 20-23.

13) Васильева Н. П., Касаткин С. И., Муравьев А. М. Магниторезистивные датчики на тонких ферромагнитных пленках. Обзор// Приборы и системы управления, № 12, 1994. - С. 26-28.

14) Зайцев Ю. В., Марченко А. Н., Ващенко В. И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. - М.:Энергоиздат, 1988.- 136 с.

15) Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьев A.M. Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе.

16) Егиазарян Г. А., Лещенко Г. И. Магнитодиодные считывающие модули для цифровых преобразователей угла // Электронная промышленность. 1983. Вып. 3. - С. 6-8.

17) . Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.

18) Каракушан Э. П., Стафеев В. И. Магнитодиоды // ФТТ. Т. 3, № 3,1961.-677 с.

19) Г.П. Балтес, P.C. Попович/ Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля// ТИИЭР, т.74, №8, 1986, стр. 60-86.

20) Roumenin Ch.S./ Bipolar magnetotransistor. An invited review.// Sensors and Actuators, 1990, v.24, #2, pp.83-105.

21) A.B. Козлов, P.Д. Тихонов / "Исследование структурной зависимости чувствительности биполярного магнитотранзистора, сформированного в диффузионном кармане" // ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России, №4, 2003, стр. 56-60.

22) M. Metz, "Offset in CMOS Magnetotransistors. Analysis and Reduction.", DISS. ETH № 13275, 1999

23) V.Zieren, "Geometrical analysis of the offset in buried collector vertical magnetotransistor," Sensors and Actuators, 5 (1984) pp.199-206.

24) Cornel Panait, George Caruntu, The Offset of Magnetotransistors, International Workshop "Computational Problems of Electrical Engineering", Zakopane 2004, pp. 93-96.

25) M.A. Королёв, Ю.А. Чаплыгин, B.B. Амеличев, Р.Д. Тихонов, М.В. Шорин/ Исследование возможности повышения чувствительности биполярных латеральных магниточувствительных транзисторов// Изв. ВУЗов. Электроника. 2002, №1, С. 40-43.

26) Р.Д. Тихонов/ Исследование механизмов чувствительности биполярного магнитотранзистора с базой в кармане// Микроэлектроника, 2005, том 34, № 2, С. 111-124.

27) Р.Д. Тихонов/ Исследование биполярного магнитотранзистора с базой в кармане// Датчики и системы, № 12, 2004, С. 42- 46.

28) Митникова И.М., Персиянов Т.В., Рекалова Г.И., Штюбнер Г.А./ Исследование характеристик кремниевых боковых магнитотранзисторов с двумя измерительными коллекторами// ФТП, 1978 г., т. 12, №1, стр. 48-50.

29) Викулин И. М., Глауберман М. А., Егиазарян Г. А. и др. Двухколлекторные магнитотранзисторы // Приборы и системы управления, № 10, 1981. - С. 3-5.

30) Левитас Н. С., Регаускас А. В. Магнитотранзисторы на основе полевого гальваномагниторекомбинационного эффекта // Приборы и системы управления, № 1, 1978. - С. 3-5.

31) И.М. Викулин, Л.Ф. Викулина, В.И. Стафеев, Магниточувствительные транзисторы. Обзор. // Физика и техника полупроводников, 2001г., том 35, вып.1. стр.3-10.

32) Козлов А.В. Исследование и разработка двухколлекторного биполярного магнитотранзистора с повышенной магниточувствительностью. Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук.- М., МИЭТ.- 2009.

33) Hector Trujillo, Agnes Nagy, Lateral bipolar magnetotransistor's offset compensation through their common mode response, Sensors and Actuators A, 100 (2002), pp. 32-36.

34) S. Kordic, V. Zieren, S. Middelhoek, "A novel method for reducing the offset of magnetic-field sensors," Sensors and Actuators, 4 (1983) pp.55-61.

35) Riccobene, G. Wachutka, J. Burgler, H. Baltes, "Two-dimensional numerical modeling of dual-collector magnetotransistors: evidence for emitter efficiency modulation," Sensors and Actuators A, 1992, v.31, pp.210-214.

36) A.Chovet, Ch.S. Roumenin, G. Dimopoulos and N. Mathieu, Comparison of Noise Properties of Different Magnetic-field Semiconductor, Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), pp. 790-794.

37) P. Malcovati, R. Castagnetti, F. Maloberti, H. Baltes, "A magnetic sensor with current-controlled sensitivity and resolution," Sensors and Actuators A, 1995, v.46, #1_3, pp.284-288.

38) Nathan, H. P. Baltes, "Integrated silicon MT: high sensitivity or high resolution?" Sensors and Actuators A, 1990, v.22, #1_3, pp.780785.

39) S. Kordic, Sensitivity of the silicon high-resolution 3-D magnetic-field vector sensor, IDEM Tech. Digest, 1986, pp. 188-191

40) Феррети M. Датчики перемещений. Пер. статьи из журнала «Electroque applications». 1986. № 46. - Pp. 23-31.

41) Хенке Г. Линейные и дискретные датчики Холла. Основы теории и приложения. Материал фирмы HoneywellGmbH, D-6050 Offenbach. - 16 с.

42) Колесниченко О. В., Шишигин И. В., Обрученков В. А. Интегральные микросхемы 16. зарубежной бытовой видеоаппаратуры. Справочное пособие. - Лань, СПб., 1996. - 272 с.

43) F. W. Bell. Solutions. Проспект фирмы F. W. Bell. 1999. -

18 р.

44) Integrated Angle Sensor Based on the Magnetoresistive Effect. Philips Semiconductors-Systems Laboratory Hamburg. 13 October, 1997.-6 p.

45) Sensors. Magnetic pattern recognition Sensors BS05N/05C SERIES. (Проспект фирмы Murata. 1999. - 1 p.)

46) Siemens Component Service. Preferred Products 1977. - Pp. 38-43.

47) Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. -М.: Машиностроение, 1965. - 928 с.

48) Бараночников М. Л., Колесов Ю. А., Смирнов В. А. Щелевые магнитные датчики ДМИ-1 и ДМИ-2 //Радио, 1992, № 1. -С. 29-31.

49) Integrated Angle Sensor Based on the Magnetoresistive Effect. Philips Semiconductors-Systems Laboratory Hamburg. 13 October, 1997.-6 p.

50) Siemens Component Service. Preferred Products 1997. (Каталог фирмы Siemens Aktiengesrllschaft.)

51) 3-phase brushless DC Motor controller/drivers - UDN2936W and UDN2936W. Проспект фирмы Allegro MicroSystems Inc. 1999. -10 p.

52) Current Sensors ZMC05, ZMC10, ZMC20. Проспект фирмы Zetex Semicondactors. 2000. - 1 p.

53) Носов Ю.Р., Петросянц K.O., Шилин B.A. / Математические модели элементов интегральной электроники. — М.: Сов. радио, 1976.— 304 с.

54) Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов. Последние достижения: / Пер. с анг./ Под ред. Д. Миллера. - М.: Радио и связь, 1989.- 280с.

55) В.Я. Кремлев / Физико-топологическое моделирование структур элементов БИС // Под ред. Г.Г. Казеннова. - М.: Высш. шк., 1990.-144 е.: ил.

56) Амеличев В.В., Галушков А.И., Миргородский Ю.Н., Тихомиров П.А., Чаплыгин Ю.А., Шорин М.В., Шубин С.В./ Моделирование биполярного двухколлекторного магнитотранзистора и определение режима термокомпенсации изменения чувствительности // Датчики и системы. 1999. №6. С. 3842.

57) А.В. Козлов, М.А. Королёв, С.Ю. Смирнов, Ю.А. Чаплыгин, Р.Д. Тихонов/ Исследование механизмов преобразования и относительной магниточувствительности трехколлекторного биполярного магниточувствительного транзистора// Микроэлектроника, 2003, том 32, №3, С. 219-225.

58) R. D. Tikhonov/ Sensor on Bipolar Magnetotransistor with Base in Well// Solid State Electronics, v. 49/8, 2005, pp. 1302-1308.

59) Ch.S. Roumenin/ Solid State Magnetic Sensors// ELSEVIER SCIENCE, Amsterdam-Lausanne-New York-Oxford-Shannon-Tokyo, 1994, pp. 500.

60) C. Riccobene, G. Wachutka, J. Burgler, H. Baltes/ Operation principle of dual collector magnetotransistors stadied by two-dimensional simulation// IEEE Trans. Electron Dev., 41, 1994, pp. 1136-1148.

61) Р.Д. Тихонов/ Механизмы чувствительности биполярного магнитотранзистора. Часть 1// Измерительная техника,

2006, № 11, С. 39-44.

62) Р.Д. Тихонов/ Механизмы чувствительности биполярного магнитотранзистора. Часть 2// Измерительная техника,

2007, № 1, С. 44-50.

63) Р.Д. Тихонов/ Магнитоконцентрационный эффект на базовом рп- переходе биполярного магнитотранзистора // Микроэлектроника, 2010, т. 39, № 5, С. 366-377.

64) Р.Д. Тихонов, А.В. Козлов/ Исследование структурной зависимости чувствительности биполярного магнитотранзистора, сформированного в диффузионном кармане// Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России, 2003 г., № 4, С. 56-60.

65) V. Zieren/ Integrated silicon multicollector magnetotransistors// Doc. Diss., TU Delft, 1983.

66) R.R. King, R.A. Sinton, and R.M. Swanson/ Studies of Diffused Phosphorus Emitters: Saturation Current, Surface Recombination Velocity, and Quantum Efficiency// IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 37, no.2, pp.365-371, 1990.

67) R.R. King, and R.M. Swanson/ Studies of Diffused Boron Emitters: Saturation Current, Bandgap Narrowing, and Surface Recombination Velocity// IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 38, no.6, pp.1399-1409, 1991.

68) A. Cuevas et al. / Surface Recombination Velocity and

_ _ _

Energy Bandgap Narrowing of Highly Doped n-Type Silicon// 13 European Photovoltaic Solar Energy Conference, Nice, France, pp.337342, October 1995.

69) Колешко В.M., Каплан Г.Д. /С-V методы измерения параметров МОП-структур //-М.: ЦНИИ Электроника, 1977. - 83 с.

70) Barton J. Gordon / C-V Plotting: Myths and Methods // Solid State Technology, January 1993, 57-61 p.

71) Chaplygin Y.A, Galushkov A.I., Romanov I.M., and Volkov S.I./ Experimental research on the sensitivity and noise level of bipolar and CMOS integrated magnetotransistors and judgement of their applicability in weak-field magnetometers// Sensor and Actuators A, Physical, v/49, Number 3, July 1995, pp. 163-166.

72) Popovic R.S., Widmer R./ Magnetotransistor in CMOS technology// IEEE Transactions of Electron Devices, ED-33, 1986, pp. 1334-1340.

73) Nathan A., Baltes H.P., Briglio D.R., and Doan М.Т./ Noise correlation in dual-collector magnetotransistor// IEEE Transactions of Electron Devices, ED-36, 1989, pp. 1073-1075.

74) Р.Д. Тихонов, A.B. Козлов, C.A. Поломошнов/ Разбаланс потенциалов двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора// Измерительная техника, № 8, 2008, С. 57-61.

75) Nathan A., Kung В., and Manku Т./ Silicon nanotesla magnetotransistors-temperature coefficient of resolution// International Conference on TRANSDUCERS '91., 1991. 24-27 June 1991. P. 1073 -1076. San Francisco, CA.

76) Lj. Ristic, M.T. Doan, M. Paranjape/ 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS technology// Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) pp. 770-775.

77) Agnes Nagy and Hector Trujillo/ Highly sensitive magnetotransistor with new topology// Sensors and Actuators A65pp. 97-100, 1998.

78) C. Leepattarapongpan, T. Phetchakul, N. Penpondee, P. Pengpad, E.Chaowicharat, C. Hruanun and A. Poyai, "Magnetotransistor Based on the Carrier Recombination - Deflection Effect", IEEE Sensor Journal, vol.10, no.2, pp. 294-299, 2010.

79) R.K. Oxland, A.R. Long and F. Rahman, "Magnetotransport characterization of surface-treated InP/InGaAs heterojunction bipolar transistors" Microelectronic Engineering,, vol. 86, no. 12, pp. 2432-2436, 2009.

80) Кулинич O.A., Глауберман M.A., Егоров B.A. / Магнитотранзисторы: физика, моделирование, применение// Lambert Academic Publishing, С. 160, EAN 978-3-8484-0860-3, ISBN-10.3848408600, 2012.

81) P.Д. Тихонов / Трехколлекторный магнитотранзистор // Lambert Academic Publishing, С. 229, ISBN-10:3659419176, EAN: 9783659419171,2013.

1ЬЧ

«УТВЕРЖДАЮ»

[ работе МИЭТ И. Г. Игнатова 2013 г.

АКТ

О внедрении результатов диссертационной работы Черемисинова А.А.

Настоящим актом подтверждается, что результаты, полученные в кандидатской диссертации Черемисинова АЛ. «Исследование и разработка трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким коллекторным разбалансом для работы в слабых и переменных магнитных полях» внедрены в учебный процесс в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ».

Разработанные автором вычислительные модели, подходы к исследованию и технологические принципы формирования магниточувствительных элементов, выполненных по интегральной технологии, использованы в лекционных курсах для бакалавров и магистров по учебным дисциплинам «Технологические маршруты интегральной наноэлектроники», «Моделирование в среде ТСАБ», «Физические основы элементной базы электронно-вычислительных систем», а также в дополнительной образовательной программе «Производство приборов и систем интегральной наноэлектроники» в курсе «Базовый маршрут субмикронных и наноразмерных КМОП БИС» на факультете ЭКТ по направлению подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника».

Декан факультета ЭКТ

Директор ИОУП

Т.Ю. Крупкина

А. В. Козлов

М. Г. Путря

УТВЕРЖДАЮ ^ Генеральный директор «Hl 111 «Типология»

Шаманаев C.B. 2013 г.

«2/ » ся^^угТс^

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Черемисинова Андрея Андреевича «Исследование и разработка трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким коллекторным разбалансом для работы в слабых и переменных магнитных полях»

Результаты диссертационной работы Черемисинова A.A. использованы Обществом с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие «Технология» (г. Москва, Зеленоград) в научно-исследовательской работе «Исследование конструктивных и технологических методов создания кремниевых систем с магнитными микро-и наноструктурами для прецизионного контроля перемещений микромеханических элементов», выполняемой по государственному контракту №16.513.11.3001 от 08 апреля 2011 г. в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы».

В результате НИР подготовлена заявка на патент Российской Федерации на изобретение «Микромеханический датчик микроперемещений с магнитным полем» в соавторстве с Черемисиновым A.A. № 2012140217 от 20.09.2012. Заявка на изобретение прошла формальную экспертизу в ФИПС (уведомление о положительной формальной экспертизе №2012140217/28(064951) от 17.10.2012). /

Руководитель НИР / д^* / Поломошнов С.А.