ВВЕДЕНИЕ

 

Хорошо известно, что регистра­ция магнитного поля положена в основу функционирования разно­образных систем контроля и управ­ления. Чувствительным элементом таких систем является преобразова­тель, трансформирующий воздейст­вие магнитного поля в электриче­ский сигнал. Известно также, что наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля — датчики Холла [1].

В основу работы датчиков Хол­ла (ДХ) положен названный именем первооткрывателя эффект возник­новения поперечной разности по­тенциалов Uх в полупроводнике, по которому протекает ток при воздей­ствии на него перпендикулярного к направлению тока магнитного поля [2]. Величина Uх прямо пропорцио­нальна холловской подвижности но­сителей тока. В полупроводниках она на порядки величины больше, нежели в металлах. Поэтому вполне естественно, что бурное развитие полупроводниковой электроники, начавшееся в конце 40-х годов про­шлого века с изобретения транзи­стора, стимулировало как разработ­ку и производство ДХ, так и их ши­рокое применение в различных областях науки и техники.

Развитие  микроэлектроники обусловило возможность создания различных конструкций ДХ. Освое­ние новых базовых технологических процессов последовательно расши­ряло номенклатуру ДХ, одновременно в той или иной степени улуч­шая их электрические характери­стики. В наибольшей мере это отразилось на кремниевых ДХ, поскольку именно кремний является основным полупроводниковым ма­териалом современной микроэлек­троники. В итоге разработчик аппа­ратуры теперь может применять не только дискретные кремниевые ДХ различной конструкции, но и ана­логовые, и цифровые интегральные схемы, использующие ДХ в качест­ве чувствительных элементов.

Возникшая в последние годы и быстро развивающаяся технология КНИ обеспечила возможность раз­работки нового типа преобразовате­ля магнитного поля — полевого дат­чика Холла (ПДХ) и интегральных схем (ИС) на его основе [3, 4].

 

ТЕХНОЛОГИЯ КНИ

В КНИ технологии, в отличии от традиционной микроэлектрони­ки, не используют монолитные пла­стины кремния. Стартовым материа­лом в этом случае являются струк­туры КНИ, т. е. пластины кремния, в которых скрытый в их объеме ди­электрический слой отделяет от под­ложки тонкий слой кремния. В ка­честве скрытого диэлектрика ис­пользуют, как правило, слои диок­сида или оксинитрида кремния [5]. При этом в КНИ структурах, ис­пользуемых для изготовления мик­роэлектронных приборов, характер­ные значения толщин отделенного слоя кремния, в котором формиру­ются рабочие элементы приборов; и скрытого диэлектрического слоя составляют 0,05...0,2 и 0,2...0,4 мкм, соответственно.

Вообще говоря, идея КНИ тех­нологии'бьша высказана еще при создании первого транзистора. Но успешно удалось ее реализовать только в 70-х годах прошлого века, используя эпитаксиальные пленки кремния, выращенные на сапфире. Что же касается упомянутых КНИ-структур, то их успешное примене­ние в разработке и производстве приборов дело, главным образом, последнего десятилетия.

Столь устойчивый интерес к КНИ технологии был обусловлен, прежде всего, стремлением повы­сить радиационную стойкость мик­роэлектронных приборов. Устой­чивость к воздействию радиации -одна из важнейших характеристик надежности  полупроводниковых приборов. Известно, что ионизи­рующая радиация генерирует в об­лучаемых кристаллах избыточные электроны и дырки. При больших интенсивностях воздействия радиационно-индуцированный ток мо­жет существенно затруднить и даже полностью нарушить нормальное функционирование прибора. Если же элементы прибора разместить в слое кремния КНИ-структуры, ко­личество радиационно-индуцированных носителей сравнительно с таким же прибором, изготовленным в объеме кристалла кремния, будет во столько же раз меньше, во сколь­ко толщина слоя кремния d меньше диффузионной длины L носителей в объемном кремнии (характерные значения составляют d » 0,1, L » 100 мкм, L/d » 103).

Отметим, что КНИ технология обеспечивает микроэлектронным приборам, кроме отмеченного вы­ше достоинства, еще целый ряд дру­гих важных преимуществ сравни­тельно с их аналогами, изготовлен­ными на пластине кремния. КНИ прибор отделен от подложки ди­электрическим слоем. Благодаря этому существенно подавляются па­разитные токи в подложку, возни­кающие при повышении температу­ры в процессе эксплуатации прибо­ра. Как следствие, рабочая темпера­тура КНИ приборов на 100...150 "С выше, чем у кремниевых аналогов. Малая толщина отсеченного слоя кремния обеспечивает резкое умень­шение емкостей р-n-переходов КНИ приборов. Результатом этого явля­ется существенное повышения их быстродействия. И, наконец, умень­шение емкости р-n-переходов и уменьшение токов утечки вглубь подложки, наряду с больше крутиз­ной передаточной характеристики в подпороговой области ВАХ, позво­ляет заметно понизить напряжение питания КНИ ИС.

Яркая иллюстрация упомяну­тых достоинств КНИ технологии -осуществление рядом ведущих зару­бежных фирм разработки и произ­водства микропроцессоров гигагерцового диапазона и сверхбольших ИС памяти емкостью 64 Мбайт.

Вполне естественно, что отме­ченные возможности КНИ техноло­гии привлекли внимание и разработ­чиков чувствительных элементов датчиков. Так фирма "Honewell", (США), разработала и освоила про­изводство КНИ датчиков давления, характеризующихся повышенной ра­бочей температурой (до 225 °С) [б].

В работе [7] сообщалось, что КНИ полевой МОП транзистор с расщепленным стоком может быть использован как высокотемпера­турный (до 300 °С) преобразователь магнитного поля.

Между тем, возможности повы­шения характеристик преобразова­телей магнитного поля благодаря использованию КНИ технологии го­раздо шире, чем повышение рабо­чей температуры. Проиллюстриру­ем это на примере КНИ ПДХ, со­четающего возможности традици­онных ДХ и МОП транзисторов.

 

 

Конструкция КНИ ПДХ

КНИ ПДХ изготовляется на ос­нове структур КНИ, т. е. структур, в которых рабочий слой кремния от­делен от подложки встроенным ди­электрическим слоем. В кремнии n-типа был сформирован слой скры­того окисла толщиной 0,4 мкм пу­тем имплантации ионов кислорода и последующего отжига. Отсекае­мый им слой приборного кремния имел толщину 0,2 мкм. В нем был сформирован холловский крест из Si полосок длиной 80 и шириной 30 мкм. Для получения омических контактов, прилегающие к концам полосок участки длиной 10 мкм бы­ли легированы фосфором до уровня 1020 см-3. На поверхность креста была нанесена пленка пиролитического Si02 толщиной 100 нм, поверх которой был осажден А1 (верхний затвор). Нижним затвором служила сама подложка с осажденной на ее поверхности пленкой А1. Схемати­чески конструкция КНИ ПДХ при­ведена на рис. 1.

 

 

 

 

 


а                                                                            б

Рис. 1. Конструкция КНИ ПДХ: а - вид сверху: 1,2 – токовые электроды; 3,4- холловские электроды, 5- электрод верхнего затвора;   б- поперечное сечение:     6 - рабочий слой ( n- Si );   7- омические контакты ( n+ -Si );            8- SiO2 ;9- подложка ( nSi );  10- Al  пленка; 11- верхний затвор;  12- нижний затвор.

 

Из рис.1 видно, что КНИ ПДХ принципиально отличается от обычных ДХ. Последние являются ти­пичными полупроводниковыми ре­зисторами, и их выходной сигнал, индуцируемый магнитным полем, прямо пропорционален величине тока. В отличие от этого ПДХ пред­ставляет собой сочетание резистора Холла с вертикальным двухзатвор­ным полевым транзистором типа металл — диэлектрик — полупровод­ник.

В результате ПДХ:

• позволяет усиливать электриче­ские и магнитоиндуцированные сигналы;

• может работать как нормально открытый или нормально за­крытый транзистор.

 

Основные характеристики КНИ ПДХ

Как известно [ 4 ], к основным параметрам ДХ относятся:

• пороговая магнитная чувстви­тельность;

• динамический диапазон маг­нитной чувствительности;

• энергопотребление;

• удельная магнитная чувствительность;

• диапазон рабочих температур;

• отношение сигнал/шум.

Применение КНИ технологии позволило достичь столь существен­ного прогресса в улучшении всего комплекса названных параметров ДХ, что по совокупности характе­ристик рассматриваемый КНИ ПДХ превосходит все известные полу­проводниковые ДХ. Рассмотрим ос­новные характеристики КНИ ПДХ в электрически открытом режиме работы (канал датчика открыт).

Пороговая магнитная чувстви­тельность. Пороговая магнитная чувствительность обратно пропор­циональна толщине тела магниточувствительного элемента. Тол­щина проводящего кремниевого ка­нала рассматриваемого КНИ ПДХ составляет 0,2 мкм, что в десятки раз меньше толщины рабочего тела магниточувствительного элемента, выполненного по традиционной кремниевой технологии. Этим и обу­словлено резкое увеличение (в десят­ки раз) пороговой магнитной чувст­вительности КНИ ПДХ сравни­тельно с традиционными кремние­выми ДХ.

Динамический диапазон магнит­ной чувствительности. Увеличение пороговой магнитной чувствитель­ности автоматически приводит к расширению динамического диапа­зона магнитной чувствительности.

При этом следует отметить, что маг­нитная чувствительность КНИ ПДХ линейно зависит от напряженности магнитного поля во всем динамиче­ском диапазон. Сказанное иллюст­рируется рис.2, на котором пред­ставлена зависимость ЭДС Холла — выходной характеристики Vх КНИ ПДХ как функция величины напря­женности магнитного поля.

В, Тл

 

Рис.2. Зависимость выходной характеристики КНИ ПДХ от напряженности внешнего магнитного поля

 

Энергопотребление. Разница тол­щин рабочих тел КНИ ПДХ и тра­диционных кремниевых ДХ приво­дит к тому, что сопротивление слоя кремния КНИ ПДХ гораздо боль­ше, чем. традиционного кремниево­го ДХ. Следовательно, согласно за­кону Ома при равных напряжениях питания рабочий ток КНИ ПДХ су­щественно меньше, чем его тради­ционный аналог. Рабочий ток КНИ ПДХ при рекомендуемых величи­нах напряжений питания и затвор­ного смещения при полностью от­крытом канале КНИ ПДХ состав­ляет величину -0,1...0,4 мА.

Удельная магнитная чувстви­тельность. Высокая пороговая маг­нитная чувствительность и малые значения величины потребляемого тока определяют гораздо более вы­сокую удельную магнитную чувст­вительность, которая по определе­нию является отношением величи­ны выходного сигнала ДХ к значе­ниям магнитной индукции и тока через его канал.

Диапазон рабочих температур. Верхний предел рабочей темпера­туры кремниевых ДХ определяется токами утечки эпитаксиального р- п -перехода, отделяющего тело магниточувствительного элемента от подложки. С увеличением темпера­туры ток утечки быстро возрастает и рабочая температура традиционных кремниевых ДХ не превышает вели­чин           100...120 °С. В КНИ ПДХ те­ло чувствительного элемента отде­лено от подложки диэлектриком, уменьшающим токи утечки вглубь подложки на несколько порядков величины. Это и есть причина зна­чительного увеличения рабочей температуры КНИ ПДХ сравни­тельно с традиционными кремние­выми ДХ. На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость холловской выходной характеристики КНИ ПДХ от температуры, изме­ренная непосредственно на чипе ПДХ в диапазоне температур, харак­терном для микроэлектронных эле­ментов. В реальных ПДХ приборах верхний предел рабочей температу­ры определяется типом корпуса.

 

 

 Рис. 3. Температурная зависимость ЭДС Холла КНИ ПДХ

Из рис. 3 видно, что с ростом температуры ЭДС Холла КНИ ПДХ уменьшается. Однако, учитывая вы­сокую пороговую чувствительность, это не должно быть сколько-нибудь существенным препятствием для применения КНИ ПДХ в высоко­температурных микроэлектронных устройствах.

Отношение сигнал/шум. Неко­торые характеристики ДХ, в частно­сти, отношение сигнал/шум, можно улучшить, если использовать моду­ляционный режим измерений. В традиционных ДХ такой режим можно реализовать, если с помо­щью электронных ключей промодулировать ток, протекающий через датчик, и включить в измеритель­ную цепь демодулятор. Однако ис­пользование электронных ключей вызывает появление трудноустрани­мых коммутационных помех. В от­личие от этого в КНИ ПДХ режим модуляции можно обеспечить, при­ложив к затворам переменное на­пряжение.

Табл. 1 иллюстрирует зависи­мость уровня шумов КНИ ПДХ от частоты модуляции напряжения на верхнем затворе, измеренную по способу синхронного детектирова­ния. Именно такая, вытекающая из особенностей конструкции ПДХ, схемная возможность улучшить от­ношение сигнал/шум во многом определяет очень высокую пороговую чувствительность этих приборов. Ос­новными достоинствами работы КНИ ПДХ в режиме модуляции по сравнению с обычными ДХ явля­ются:

·        питание датчика постоянным током;

·        отсутствие "ключей" и, соответ­ственно, коммутационных по­мех;

·        реализация максимальной по­роговой чувствительности пу­тем повышения отношения сиг­нал/шум

 

Таблица 1.

Уровень шумов КНИ ПДХ при различных частотах модуляции при ширине полосы пропускания 1 Гц.

Частота модуляции, Гц

Уровень шумов, мкВ/Гц1/2

1

30

10

10

100

3…4

1000

1…1,2

5000

0,25….0,3

10000

01,3…0,18

100000

0,01…0,013

 

 Новые возможности управления характеристиками ПДХ.

В КНИ ПДХ благодаря нали­чию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует возможность полевого управления величинами его основных парамет­ров, что недостижимо для традици­онных датчиков Холла. При этом в КНИ ПДХ возможно осуществле­ние как напорогового режима рабо­ты (величина напряжения, подан­ного на электроды управления, боль­ше порогового напряжение), так и подпорогового. Рассмотрим воз­можности управления основными параметрами ПДХ в напороговом режиме ВАХ.

Полевое управление выходным сигналом ПДХ. В КНИ ПДХ благо­даря наличию вертикальной двухзатворной управляющей системы су­ществует возможность управления величиной магнитной чувствитель­ности выбором оптимальной вели­чины затворного смещения. Сказан­ное проиллюстрировано на рис. 4, на котором представлена зависи­мость выходной величины КНИ ПДХ (ЭДС Холла) от величины за­творного смещения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Vзат, В

 
 


Рис. 4. Зависимость выходной характеристики КНИ ПДХ VХ от затворного смещения

Регулировка температурного ко­эффициента чувствительности. Тем­пературная устойчивость КНИ ПДХ может быть повышена путем выбо­ра необходимого напряжения сме­щения на управляющих затворах. Сказанное иллюстрируется рис.5 на котором приведена эксперимен­тальная кривая, характеризующая изменение К — коэффициента тем­пературной зависимости ЭДС Хол­ла (Vх) от величины напряжения на управляющих затворах.

 

Рис.5 Коэффициент температурной зависимости тока канала КНИ ПДХ как функция затворного смещения

 

Управление величиной остаточ­ного напряжения КНИ ПДХ. Одной из важнейших характеристик ДХ является величина остаточного на­пряжения, т. е. величина напряже­ния на Холловских электродах в от­сутствии магнитного поля. В тради­ционных полупроводниковых ДХ эта величина определяется техноло­гией изготовления датчика. В случае КНИ ПДХ существует возможность изменения значения этой величины путем изменения величины затвор­ного смещения. На рис.6 представ­лена типичная зависимость оста­точного напряжения от величины затворного смещения.

 

Рис.6. Зависимость остаточного напряжения на Холловских электродах КНИ ПДХ от напряжения на затворе

 

Особенности поведения характеристик ПДХ в подпороговой области ВАХ.

а

 
Наличие в конструкции КНИ ПДХ двухзатворной управляющей системы позволяет реализовать но­вый, недоступный для традицион­ных ДХ, режим эксплуатации, кото­рый получил название подпорогового режима. Обнаружено, что малые изменения потенциалов затворов вблизи точки открытия канала ПДХ сопровождаются появлением пика ЭДС Холла, причем величина холловского сигнала в этом случае заметно больше, чем ЭДС Холла, при открытом канале в надпороговой области, не­смотря на то, что величина тока че­рез ПДХ в области пика во много раз меньше тока через открытый ка­нал. При этом как амплитуда холловского пика, так и область вели­чин затворного смещения, при ко­торых этот пик наблюдается, зави­сят от величины напряжения пита­ния ПДХ (рис.7)

 

б

 


Рис.7 Холловские (а) и соответствующие им сток-затворные (б) характеристики КНИ ПДХ при различных значения напряжения питания

 

Электрическая схема включе­ния электродов КНИ ПДХ при реа­лизации подпорогового режима ра­боты приведена на рис.8,  из которо­го видно, что к контакту (первый электрод питания) прилагается на­пряжение отрицательной полярно­сти относительно "заземленного" контакта (второй электрод пита­ния). Величина и полярность за­творного напряжения, также опре­деляются относительно заземлен­ного контакта. При этом следует обратить особое внимание на то, что Холловские электроды КНИ ПДХ через балластные резисторы R так­же подсоединены к общей заземлен­ной точке.

Рис. 8.Схема включения электродов КНИ ПДХ при измерении его характеристик в подпороговой области ВАХ

 

 

Рис.9.показывает, что ампли­туда максимума ЭДС Холла КНИ ПДХ в подпороговой области ВАХ является также функцией сопротивлений балластных резисторов.

 

Рис. 9. Зависимость величины максимальной ЭДС Холла КНИ ПДХ, как функция величин балластных сопротивлений на холловских электродах

 

В таблице 2. приведены данные по значениям величин ЭДС Холла, магниточувствительности, удельной токовой чувствительности ПДХ как в подпороговом режиме ВАХ, так и в режиме полностью открытого канала.

Таблица 2.

Сравнение значений параметров КНИ ПДХ, измеренных в подпороговой области ВАХ и в режиме полностью открытого канала

Режим измерений

Vx, мВ

Магниточувствительсность, В/Тл

Удельная магниточувствительность,

В/А*Тл

Подпороговый

62

1,05

45000

Полностью открытый канал

36

0,6

1000

 

Из таблицы 2. видно, что в подпороговом режиме ВАХ ПДХ обладает рекордной магниточувствительностью, что недоступно его традиционным аналогам.

Таким образом, при эксплуатации ПДХ в подпороговом режиме ВАХ появляется возможность резкого уменьшения величины энергопотребления (малые по сравнению с традиционным режимом работы значения рабочего тока) при одновременном рекордном увеличении магниточувствительности.

 

 Основные параметры КНИ ПДХ

Типичные значения параметров ПДХ приведены в таблице 3.

Некоторые характеристики КНИ ПДХ, в частности диапазон рабочих температур, существенным образом определяются присущим им типом корпуса ПДХ.

                                                                                                                                    Таблица 3.

Размеры кристалла, мм

От 0,5 х 0,5 до 1,2 х 1,2

Магниточувствительная зона, мм

От 0,03 х 0,03 до 0,5 х 0,5

Режим работы

Постоянный ток, переменный ток, импульсный

Напряжение питания, В

3–12

Рабочий ток, мА

0,1–0,4                            а)

Магнитная чувствительность, В/Тл

0,3–1,2                           а) б)

Удельная магнитная чувствительность, В/А*Тл

1000–10000          а) б)

Порог чувствительности, нТл

40–100                             г)

Диапазон частот, кГц

0–200

Диапазон температур, ºС

-270–300                         в)

Температурный коэффициент магнитной чувствительности, %/ºС

-0,1 – -0,4                        а)

а —зависит от потенциала затворов;

б — зависит от размеров чувствительной зоны;

в — зависит от типа корпуса;

г – зависит от электрической схемы формирования выходного сигнала

 

Возможные варианты схемного включения электродов ПДХ

 

В КНИ ПДХ благодаря нали­чию вертикальной двухзатворной управляющей системы существует большое разнообразие схем вклю­чения электродов в процессе экс­плуатации. Некоторые из них ил­люстрируются рис.10 холловские электроды, соответствующие рис.1., не показаны. Все напряжения на схемах отсчитываются относитель­но общей точки двухполюсного ис­точника питания (обозначена на схеме символом "земля"). Представ­ленные выше электрические харак­теристики КНИ ПДХ, получены на основе измерений по третьей схеме включения электродов ПДХ.

 

Рис.10 Варианты включения электродов ПДХ по трем схемам

 

Сопоставление характеристик ПДХ и кремниевых ДХ


         Рисунок 11 демонстрирует существенные преимущества ПДХ по сравнению с традиционными кремниевыми ДХ. Видно, что пороговая магниточувствительность, динамический диапазон магниточувствительности, пониженное энергопотребление, повышенная рабочая температуры отличают ПДХ от кремниевого Холловского аналога. Помимо этого, как было показано выше, ПДХ отличают широкие возможности полевого управления параметрами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.11. Сопоставление основных характеристик КНИ ПДХ и традиционных кремниевых ДХ.

 

Существенно, что ПДХ является, по сути дела, кремниевым прибором, технология изготовления которого основана на стандартных процессах современной микроэлектроники. Поэтому интеграция ПДХ в магнитные ИС не представляет технических трудностей. В качестве демонстрации таких возможностей была разработана магнитоуправляемая цифровая ИС, включавшая ПДХ, дифференциальный усилитель, триггер Шмидта, стабилизатор напряжения и выходной каскад. По сравнению с кремниевым аналогом (магнитоуправляемая ИС типа КП1116КП4) ПДХ ИС характеризовалась повышением магниточувствительности (индукция срабатывания 10 мТл и 25 мТл соответственно) и боле чем двух кратным уменьшением тока потребления в режиме ожидания магнитного сигнала (3 мА и 7,5 мА соответственно) [8].

Микроэлектронная технология  также обеспечивает возможность формирования многоэлементных ПДХ и ИС на их основе. Это было продемонстрировано на примере создания пилотных образцов линейных и матричных ПМП, содержавших 2,4 и 64 магниточувствительных элементов типа ПДХ.

В следующем разделе будет показано, что нелинейность затворных характеристик ПДХ может быть использована для организации схем регулировки усиления и, таким образом, для управления динамическим диапазоном.

Совокупность представленных данных позволяет утверждать, что ПДХ обеспечивает возможность разработок нового поколения сенсорной аппаратуры. Конструкция ПДХ и ИС на его основе защищены патентами РФ, США, европатентом и патентом республики Корея [9].

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. М.: ДМК Пресс, 2001. 544с.

2. Hall E.H. On the new action of mag­netism on a permanent electric current // Phil. Mag., 1880. Vol. 10, P. 301.

3. Пат. РФ 2130668. Полевой МОП транзистор.

4. Пат.  РФ 2072590, пат. США 5724080. Магниточувствительная ло­гическая ячейка.

5. Мордкович В.Н. Структуры "крем­ний на изоляторе" - новый матери­ал микроэлектроники // Материалы электронной техники. 1998. № 2.

6. Colinge C.A. "SOI harsh environment applications in the USA" in Progress SOI structures and devices operating at extreme conditions. Kluwer Acad. Publ. 93-104.

7. Flandre D. SOI CMOS Technology for High-Temperature Microsystems // MST news. 1998. № 2.

8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1, 2. М.: Мир, 1984.

9. Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения. ВАНТ. Вып. 1-2, М.,2001.

 

 

 

Hosted by uCoz