Введение к работе
Актуальность работы
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. 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" до 10 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 чувствительны к слабым полям до 10у Тл, но не работают в сильных полях. При создании магниторезистивных элементов необходимо создание сложных многослойных структур, содержащих ферромагнитные пленки. Наличие гистерезиса в магниторезисторах приводит к тому, что
необходимо 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 производство датчиков на основе магнитотранзисторов ограничено наличием начального коллекторного 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 также 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.
-
Создание в среде приборно-технологического моделирования Synopsys Sentaurus TCAD модели трехколлекторного биполярного магнитотранзистора и оценка зависимости магниточувствительности от уровня подлегирования поверхности базы и поверхностной рекомбинации.
-
Исследование технологических возможностей снижения начального коллекторного разбаланса и изготовление партии трехколлекторных магнитотранзисторов на основе полученных решений.
-
Исследование внутренних шумов различных магнитотранзисторных структур.
-
Исследование влияния включения р-п перехода база-карман в качестве третьего коллектора в магнитотранзисторе на магниточувствительность.
-
Разработка методики и исследование работы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в слабых магнитных полях.
-
Разработка макета датчика микроперемещений на основе трехколлекторного магнитотранзистора и исследование его работы в диапазоне частот 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% НС1 позволяет снизить начальный коллекторный разбаланс трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в 3,3 раза.
-
Впервые исследована работа трехколлекторного биполярного магнитотранзистора в слабых полях до 10 Тл. Установлено, что ЗКБМТБК имеет линейную зависимость изменения дифференциального сигнала коллекторов от величины магнитного поля.
-
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
-
Разработан маршрут и получены образцы трехколлекторного биполярного магнитотранзистора (ЗКБМТБК) с низким разбалансом коллекторных напряжений.
-
Схема включения с использованием третьего коллектора позволяет увеличить магниточувствительность различных структур биполярных магнитотранзисторов в пределах от 3 до 100 раз.
-
Экспериментально подтверждено, что максимальная магниточувствительность трехколлекторного биполярного магнитотранзистора достигается при одинаковом потенциале на базе и на кармане (третьем коллекторе).
-
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.
-
Разработана и получена микросистема мехатронного устройства с МЭМС датчиком вибраций и магнитотранзисторным преобразователем магнитного поля для контроля линейных микроперемещений.
-
Разработана методика исследования магнитотранзисторов в переменном магнитном поле с помощью микромеханической системы на основе кремниевой балки.
На защиту выносятся
-
Структура и маршрут изготовления трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с низким значением начального разбаланса коллекторных напряжений.
-
Методика исследования магнитотранзисторов в слабых магнитных полях с учетом влияния начального разбаланса коллекторных напряжений.
-
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:
-
IX научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, Россия, 2010.
-
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Москва, Зеленоград, Россия, 2011.
-
IEEE 12th International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2011), Erlagol, Altai, Russia, 2011.
-
2-я Международная конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике», Москва, Зеленоград, Россия, 2011.
-
19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2012» Москва, Зеленоград, Россия, 2012.
-
2nd International Conference on Materials and Applications for Sensors and Transducers (1С-MAST 2012), Budapest, Hungary, 2012.
-
The International Conference "Micro- and Nanoelectronics - 2012" (ICMNE-2012), Zvenigorod, Russia, 2012.
-
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.
-
20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2013» Москва, Зеленоград, Россия, 2013.
-
IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology, Kyiv, Ukraine, 2013.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 9 статей, в том числе 7 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, 8 тезисов докладов. Имеется 1 электронная публикация. По теме диссертации получены 1 патент и 1 свидетельство об официальной регистрации топологии
имс.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 133 страницы текста, включая 8 таблиц, 68 рисунков и список литературы из 81 наименования. В приложении приведены акты внедрения результатов работы.
