Главная Гальваномагнитные приборы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 полях с индукцией --В или +В напряжение сооте ственно меняется от -V до +V, Напряжение на гой половине ДМТИ меняется в магнитном поле в nj тивоположную сторону. Поэтому результирующее изх нение напряжения между катодами ДМТИ удваиваете В таком включении оба п-р- -транзистора явл ются усилителями тока дырок, доходящих до их koj лекторов от общего анода. Соответственно магниточун ствительность датчика на основе ДМТИ выше, чем дат| чика на основе ДМТ. 9. Полевые магнитотранзисторы 9.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Как следует из § 1.1, для увеличения чувствительности датчиков Хол.та иеоб.ходимо уменьшать их тол-: Humy. Однако при этом cyniecTByiOT ограничения, обу-.-слов.теииые как технологическими трудностями получения тонких образцов, так и тем, что при малых толщинах растет рассеивание носителей заряда на поверхности, что приводит к снижению их подвижности. Эти, трудности могут быть уменьшены применением полевого эффекта для изменения толщины полупроводника [42]. При помещении любого полевого транзистора в поперечное .магнитное ноле в его канале возникает электрическое поле Холла, как и в полупроводниковом стержне с двумя омическими контактами на концах. Полевой магнитотранзистор отличается от обычного лишь тем, что в его канале и.меются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла. На рис. 9.1 показана структу1ра МДП-магнитотран зистора с каналом п-типа. При работе транзистора i режиме обеднения канала толщина канала d минимальна вблизи стока, так как между затвором и этой часть канала действует напряжение, равное сумме напряже НИИ затвора (V) и стока (V). Вблизи истока напряжение между затвором и каналом равно Уз, поэто му толщина канала здесь больше. В соответствии ( (1.3) напряжение Холла Vx максимально в том месте, 5,де d минимально. Следовательно, холловские контакты имеет смысл располагать вблизи стока. Увеличивая отрицательное напряжение на затворе, можно уменьшать d до очень малых значений и таким образом увеличивать Ух. Поскольку канал, по которому протекает ток, удален от поверхности, то рассеяния носителей заряда на поверхности не происходит и подвижность не уменьшается. с9 + уг. ®8 Рис. 9.1. Структура МДП-магнитотранзистора (а), его сечеиие по плоскости xoz (б) и структура полевого магнитотранзистора с р-fi- переходом (в): Д диэлектрик. Заттрихована область, обедненная носителями заряда, канал л-тнпа ЭДС Холла В полевом магнитотранзисторе может бь1гь определена по формуле (1.3). Для того чтобы этой формулой можно было практически пользоваться, необходимо исключить из нее величину d, которая является функцией напряжения на затворе и координаты. Поскольку плотность тока через канал /с = j - аЕ, а пло-Н1адь поперечного сечения канала S = ad, то I,=jSr=aadE,. (9.1) Подставив (9.1) в (1.3), получим Vx-=RaBE. (9.2) Вследствие неравномерного сечения канала (рис. 9.1) напряженность электрического поля в нем зависит от координаты z. Эту зависимость можно определить на основе формулы для тока через канал МДП-транзисто-ра [7] /, = х(1/,-0,51/е) Vc . (9-3) где У, = - V3 и X = х„С (Кзо - напряжение от- сечки затвора, а С - его емкость). Так как ток чер| любой участок канала одинаков, то /, = X (I/, - 0,5 1/е) = X (I/, 0,5 l/J VJz, (9. где - падение напряжения на участке канала дли ной Z. Решая это уравнение относительно V, получае| iyvl-iVi-ОЖ) V.-2zlL Используя (9.3), запишем Подставив (9.7) в (9.2), определим 1/,х = RmBIJ-Y V\ - 2Uzi;.. Насыщение тока через канал происходит при V,V- 1/3= Ус-При этом условии (9.6) упрощается: VJ21 У\ - Z/. Соответственно для режима насыщения 1/х =vxaBVJ2lY \-z,l, (9. (9.6 (9.7) (9.8) (9.9) (9.10) (9.11) где рх = /?ст. Аналогичным образом можно определить и ЭДС Холла в полевом магнитотранзисторе с р- -переходом в качестве затвора. Ток через TipansHCTop с п-каналом при У3 = 0 можно записать в виде Р (Ус У'П . 13, (9.12) где зо = а2/(8еео1х„р); S = a/i [h - исходная толщина канала в направлении х). Записав на основе (9.12) выражение, аналогичное (9.4) (точно таким же образом, как и для МДП-транзнстора), нетрудно определить для режима насыщения 1/х = 1хВ1/зо- ak\n{\ -2 cos Р) (9.13) lY\ - [1 -27й(г/2/)2 где р = /з arccos [ 1 -- 27* (г/2/)] + ф, Численные расчеты показывают, что ЭДС Холла в МДП-транзисторе и полевом транзисторе с р-л-пере-ходом практически одинаковы прн равных размерах и электрофизических параметрах канала. 9.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В большинстве работ исследованы МДП-магннто-траизисторы, поскольку в них легче создать холловские зонды к области канала, чем в полевом транзисторе с р-л-переходом. В статье [60] проведена экспериментальная проверка зависимости V\{z) [см. (9.11)], которая показана на рис. 9.2. Обнаружено также, что зависимость Vx [В) яв.1яется в соответствии с этой формулой линейной. В работе [61] экспериментально исследованрл зависимости V \ (/с). В соответствии с теорией в режиме до насы-н'еиия тока онн имеют максимум, что видно нз формулы (9.8) с подстановкой Vi (4) з (9.3). В режиме на-С1дщения Ух растет с увеличением /с [фор.мула (9.11) с подстановкой = - V3 - li = > 2IJ/t.\. В обоих вариантах учитывалась зависимость подвижности носителей в канале от напряжения на затворе н кристаллографической ориентации плоскости канала. Рпс. 9.2. Зависимость напря-же1К1Я Холла от положения oллoвcкиx зондов в канале МДП-транзистора; - теоретическая зависимость; 2 - экспериментальная. нормализован-пая с теоретической прн г/1=0.5 0,8 z/l Чувствительность кремниевых МДП-магннтотранзи-сторов с каналом р-типа при /<.=0,1 мА равна 400 В/А-Т, что в 5...10 раз выше чувствительности дат чиков Холла из аналогичного мат^иала. Несмотря на то, что их чувствительность на два порядка ниже чув-! ствительности биполярных магнитотранзисторов, поле-] вые магнитотранзисторы также найдут практическое1 применение, так как имеют меньший уровень собствен- ных шумов. 10. Интегральные магниточувствительные микросхемы 10.1. ДАТЧИК ХОЛЛА С ТРАНЗИСТОРАМИ Чувствительность любого магнитодатчика можно увеличить усилением его выходного сигнала. Наиболее перспективным направлением развития интегральных микросхем являются схемы, в которых один и тот же элемент является частью нескольких приборов и передача сигналов от одного прибора к другому осуществляется именно через этот общий элемент. Например, на рис. 10.1 показана интегральная микросхема, состоя- Рис. 10.1. Поперечное сечение датчика Холла с усиливающими транзисторами, вид базы сверху (а) и его эквивалентная схема (б) щая из двух биполярных транзисторов, имеющих общую базу, причем сама база является датчиком ЭДС Холла. П|ри пропускании тока через базовые контакты в базе возникает поперечная ЭДС Холла. Соответственно по- тенциал части базы под эмиттером э1 повышается, i части базы под эмиттером э2 понижаются. Изменени( потенциала базы .вызывает изменение тока базы каж дого транзистора на величину Д/б = д1б/-, (10.1 где г - сумма внутренних и внешних сопротивлени! эмиттера и базы транзистора. Изменение тока каждог( коллектора А/к = А2 Д/б-Л2 Д1/б/ (10.2 а разность потенциалов между коллекторами V = 2R,U, = k VxR lr (10.3 (1,х=2Д l/g). Как видно из этой формулы, ЭДС Холла (1.3 усиливается в hRajr раз. Экспериментально получен ные значения магниточувствительности равны 100 В/1 ирн толщине базы 3,3 мкм и щ=2-\0) см- [6]. За висимость V{B) по виду аналогична зависимости и; рис. 7.9. На рис. 10.2 показана структура транзистора с двум; пмшгескими ко[1тактами к базе [42]. При пропусканщ т к + УК - J - + Р .. 10.2. Магнитотранзисторы с холловским электрическим поле) тока через эти контакты в базе возникает ЭДС Хол да. В зависимости от направления тока через базу хол ловское поле либо ускоряет перенос носителей заряд; от эмиттера к коллектору, либо замедляет, т. е. изме няется коэффициент переноса носителей через базу Магниточувствительность можно приближенно оценит! с помощью известной формулы для коэффициента пе Редачи по току в схеме дрейфового транзистора с обще! базой h = \-{W\LpfkT\qEW, (10.4 |