Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Технический результат изобретения: уменьшение влияния токов подложки полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю на соседние элементы интегральной схемы и уменьшение погрешности измерений из-за начального разбаланса токов коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора. Сущность: токомагнитный датчик со светодиодным индикатором состоит из полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю, нагрузочных и усилительных МОП транзисторов. Базовая область полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю, отделена от подложки диффузионным карманом, в котором располагаются контакты вне базовой области, в подложке формируются сильнолегированные области контактов, контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала. Нагрузочные и усилительные МОП транзисторы располагаются в отдельном кармане и передают сигнал с латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на светодиодный индикатор. 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.
Среди многих видов полупроводниковых магниточувствительных элементов резисторов, диодов, датчиков Холла, биполярных и МОП двухколлекторных транзисторов биполярный двухколлекторный магниточувствительный транзистор вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокой чувствительности и избирательности к направлению магнитного поля.
В статье /1/ и в патенте /2/ описан датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю, реализованный на магнитотранзисторах по КМОП технологии. Вокруг эмиттера в общем кармане расположены четыре пары коллекторных областей и четыре базовых контакта. Полезный сигнал в виде тока коллекторов получается при подаче напряжении смещения подложки относительно кармана.
В патенте /3/ предлагается датчик, чувствительный к трехмерному магнитному полю. Прибор состоит из датчиков Холла, определяющих три компоненты магнитного поля Вх, By, Bz и электронной схемы. Прямоугольные кристаллы датчиков Холла имеют активную область одного типа проводимости. По углам этой области размещены четыре токовых электрода с внешним соединением пар диагонально расположенных электродов. По сторонам прямоугольника имеются четыре потенциальных электрода. Потенциальные электроды соединены с входами компораторов электронной схемы. Суммируя или вычитая потенциалы, электронная схема выдает три сигнала, пропорциональные трем компонентам магнитного поля.
На основе датчиков, чувствительных к магнитному полю, создаются компасы, позволяющие определить направление магнитного поля Земли и получить данные об ориентации и направлении движения движущихся объектов.
В патенте /4/ предлагается компас с люминесцентной индикацией. В состав прибора входят источник питания, драйвер для люминесцентной панели, люминесцентная панель, панель управления драйвером, схема делителя напряжения и модуль электронного компаса. Модуль электронного компаса выдает сигнал об ориентации, который передается на драйвер и с него на люминесцентную панель. При установке на автомобиль компаса с люминесцентной индикацией получается информация об ориентации и направлении движения автомобиля.
В патенте /5/ предлагается компас с индикатором направления. Используя спутниковую систему навигации, предлагается портативный компас на основе приемника, декодера и малогабаритного дисплея с указанием сторон света.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент на изобретение, в котором предлагается полупроводниковый прибор, чувствительный к магнитному полю, в виде латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора, содержащего монокристаллическую подложку, глубокий карман, расположенные внутри кармана области контактов к базе, эмиттер, первый и второй рабочие коллекторы, расположенные вне кармана - первый и второй контакты к подложке, диффузионные области контактов к базе расположены ближе к эмиттеру, чем рабочие коллекторы, размеры областей контактов к базе более или равны ширине и глубине кармана, а контакты к базе и контакты к подложке подключаются к одному источнику питания /6/.
Основной недостаток этого прибора состоит в том, что вместе с инжектированными электронами в подложку проникают дырки, которые создают взаимодействие элементов в интегральной схеме. Транзисторы имеют относительно большой начальный разбаланс токов коллекторов. Применение их в составе интегральных схем затруднено из-за разбаланса токов и влияния токов подложки на соседние элементы интегральной схемы.
Цель изобретения - уменьшение влияния токов подложки полупроводникового прибора, чувствительного к магнитному полю, на соседние элементы интегральной схемы и уменьшение погрешности измерений из-за начального разбаланса токов коллекторов биполярного двухколлекторного магниточувствительного транзистора.
Суть изобретения состоит в изменении структуры латерального биполярного магниточувствительного транзистора за счет введения в подложку кармана для разделения от подложки базового слоя, в котором формируются эмиттер и измерительные коллектора, и введения режима работы с электрическим соединением между контактами к эмиттеру и контактами к подложке. Такая структура и режим работы создают преимущественное направление потока инжектированных из эмиттера носителей заряда в сторону контактов к карману, а инжектированных из контакта к базе носителей заряда - в сторону контактов к подложке. Инжектированные из эмиттера носители заряда в кармане становятся основными носителями, а инжектированные из контакта к базе носители заряда другого знака становятся основными носителями заряда в подложке. При этом инжектированные в подложку носители заряда являются основными и практически не влияют на соседние элементы интегральной схемы. Магнитное поле оказывает влияние на потоки носителей заряда обоих знаков и их рекомбинацию так, что повышается чувствительность и снижается влияние начального разбаланса токов коллекторов. Нагрузочные и усилительный р-канальные МОП-транзисторы располагаются в отдельном кармане на той же подложке.
На фиг.1 представлено поперечное сечение интегрального токомагнитного датчика, топология планарной структуры прибора представлена на фиг.2, первая электрическая схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором дана на фиг.3, вторая электрическая схема включения дана на фиг.4, на фиг.5 показаны зависимости токов эмиттера, кармана, базы, измерительного коллектора в полупроводниковом токомагнитном преобразователе от напряжения смещения между базой и эмиттером, на фиг.6 даны зависимости относительной магниточувствительности по току от напряжения смещения базы при нескольких значениях магнитной индукции, на фиг.7 даны зависимости токов измерительных коллекторов при выбранном напряжении смещения базы от угла поворота датчика в горизонтальной плоскости.
Интегральный токомагнитный датчик состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1)); глубокого кармана (2) для МОП-транзисторов, глубокого кармана (3) для БМТ, расположенных на поверхности подложки и имеющих малую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; области базы (4) первого типа проводимости, расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3) в виде областей с сильным легированием примесью, создающей второй тип проводимости; областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4), имеющих ширину и глубину не менее глубины и ширины базы и имеющих сильное легирование первого типа проводимости; сильнолегированных областей второго типа проводимости с глубиной меньше глубины базы и расположенных внутри базы эмиттера (8), первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов; области контакта к подложке (12), имеющей сильное легирование первого типа проводимости; контактов (13), (19) к карману (2) в виде областей с сильным легированием примесью, создающей второй тип проводимости; стока нагрузочного МОП-транзистора (14), стока усилительного МОП-транзистора (18), истока нагрузочного и усилительного МОП-транзисторов (16), имеющих сильное легирование первого типа проводимости; затвора нагрузочного МОП- транзистора (15); затвора усилительного МОП-транзистора (17) (Фиг.1).
На фиг.2 представлена топология планарной структуры интегрального токомагнитного датчика, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1)); глубокого кармана (2) для МОП-транзисторов, глубокого кармана (3) для БМТ; области базы (4), расположенной в кармане (3); контактов (5), (11) к карману (3); областей контактов к базе (7) и (9), располагающихся в базе (4); областей эмиттера (8), первого (6) и второго (10) измерительных коллекторов, расположенных внутри базы; области контакта к подложке (12); контактов (13), (19) к карману (2); стоков нагрузочных МОП-транзисторов (14), (20), стока усилительного МОП-транзистора (18), истока нагрузочного и усилительного МОП-транзисторов (16); затвора нагрузочных МОП транзисторов (15); затвора усилительного МОП-транзистора (17).
На фиг.3 дана электрическая схема включения напряжения, где напряжение питания Епит подается на истоки МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2, РМОПЗ и на делитель напряжения R1, R2. Стоки нагрузочных МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2 соединяются с измерительными коллекторами К1 и К2 полупроводникового токомагнитного преобразователя. Затворы нагрузочных МОП-транзисторов РМОП1, РМОП2 соединяются между собой и с измерительным коллектором К1 полупроводникового токомагнитного преобразователя. Затвор усилительного транзистора РМОПЗ соединяется с измерительным коллектором К2 и стоком нагрузочного МОП-транзистора РМОП2. Сток усилительного МОП-транзистора РМОПЗ соединяется со светодиодом СД. Средняя точка делителя напряжения R1, R2 соединяется с контактами к базе Б1, Б2 и с контактами к карману КК. Делитель напряжения обеспечивает задание напряжения смещения базы Uб относительно общей точки, к которой присоединяютя эмиттер Э полупроводникового токомагнитного преобразователя, контакт к подложке П, второй вывод светодиода СД и делителя напряжения R1, R2. Нагрузочные РМОП-транзисторы включены по схеме токового зеркала.
На фиг.4 дана вторая электрическая схема включения напряжения, которая отличается от первой схемы тем, что нагрузочные транзисторы РМОП1, РМОП2 соединяются в параллель и имеют вид полевых диодов с соединением затвора и стока.
На фиг.5 показаны зависимости токов эмиттера Ie, кармана Ib, базы Ib, измерительного коллектора Ic в полупроводниковом токомагнитном преобразователе от напряжения смещения между базой и эмиттером Ube в диапазоне от 0,6 до 1,0 В. Быстрый рост тока измерительного коллектора начинается после порога срабатывания Ube=0,77 В.
На фиг.6 даны для конкретного прибора зависимости относительной магниточувствительности по току Sr=(Ic1-Ic2)/(Ic1+Ic2) В, 1/Тл от напряжения смещения базы Ube в диапазоне от 0,78 до 1,0 В при значениях магнитной индукции 3, 9, 17, 33, 60, 120, 180 мТл однородного магнитного поля в электромагните. При малых величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора меньше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность имеет отрицательный знак, а по величине изменяется и достигает значения 7 Т-1 в слабом магнитном поле. При больших величинах напряжения смещения между эмиттером и базой ток левого коллектора больше тока правого коллектора, поэтому относительная магниточувствительность имеет положительный знак.
На фиг.7 для конкретного прибора даны зависимости токов измерительных коллекторов Ic1, Ic2 при напряжения смещения базы Ube=0,78 В и вращении датчика в горизонтальной плоскости на 360 градусов в неоднородном слабом магнитом поле. Изменение величины токов коллекторов в этом случае больше, чем их относительное различие.
На фиг.3 дана схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик. Контакты к базе и к карману электрически соединены, что обеспечивает отсутствие напряжения смещения на pn-переходе база-карман. В отсутствии внешнего электрического поля данная структура определяет диффузионный механизм протекания потока инжектированных из эмиттера носителей тока через базу в карман. В базе и в кармане происходит рекомбинация инжектированных носителей тока в объеме полупроводника с носителями тока другого знака, вытекающими из контактов к базе и диффундирующих в базе, в кармане и в подложке, обеспечивая сохранение электронейтральности в объеме полупроводника компенсацией носителей заряда разного знака. Таким образом, объемный характер процессов в полупроводниковом токомагнитном преобразователе практически исключает зависимость параметров прибора от состояния поверхности прибора.
Электрическое соединение между эмиттером и контактами к подложке обеспечивает подачу напряжения смещения на рп-переход подложка-карман в закрытом направлении. Электрическое поле на закрытом pn-переходе подложка-карман помогает дыркам преодолевать переход и уходить из кармана в подложку, в то же время ограничивает перемещение электронов в подложку. Разделение электронов и дырок уменьшает влияние избыточных носителей в подложке на соседние элементы интегральной схемы.
Механизм чувствительности определяется распределением концентраций электронов и дырок и их рекомбинацией в объеме. В магнитном поле под действием силы Лоренца происходит изменение положения линий тока, концентрации электронов и дырок и соответственно скорости их рекомбинации. Это концентрационно-рекомбинационный механизм магнитной чувствительности по току.
Изменение линий тока приводит к изменению токов измерительных коллекторов, один из них увеличивается, другой - уменьшается. В этом случае схема токового зеркала на нагрузочных транзисторах, представленная на фиг.3, позволяет получить большое усиление сигнала по напряжению. Далее это напряжение поступает на затвор усилительного транзистора, который имеет размеры большие, чем нагрузочные транзисторы. Изменение тока в усилительном транзисторе приводит к изменению тока светодиода, что определяет его свечение. Таким образом, изменение магнитного поля индицируется по силе свечения светодиода.
На фиг.4 дана схема включения напряжения на интегральный токомагнитный датчик при изменении тока измерительных коллекторов, превышающем их относительное изменение. В этом случае нагрузочные транзисторы соединяются в параллель и на них происходит изменение напряжения при изменении суммарного тока двух измерительных коллекторов. Это позволяет исключить влияние начального разбаланса токов измерительных коллекторов на точность измерения.
Ток измерительного коллектора вблизи порога срабатывания меньше тока эмиттера на несколько порядков величины (фиг.5). Сила Лоренца пропорциональна величине тока, поэтому отклонение потоков носителей заряда из тока эмиттера может создавать в измерительном коллекторе гораздо большее изменение тока, чем изменение первоначального тока коллектора в магнитном поле. Поэтому полупроводниковый токомагнитный датчик вблизи порога срабатывания обладает высокой чувствительностью по току.
Как следует из фиг.6, полупроводниковый токомагнитный преобразователь обладает высокой чувствительностью по току в слабых магнитных полях. Чувствительность по току изменяет свою величину и знак при увеличении напряжения смещения, т.е. при увеличении уровня инжекции.
На фиг.7 показано, как зависят токи измерительных коллекторов при выбраном напряжения смещения и вращении датчика в неоднородном слабом магнитом поле, имеющемся в лабораторных условиях. Изменение величины токов коллекторов в этом случае больше, чем их относительное различие, поэтому для таких условий используется вторая схема включения (фиг.4).
Для определенности считаем, что подложка кремниевая и имеет р-тип проводимости. Изготовление прибора начинается с формирования областей карманов n-типа проводимости с помощью фотолитографии, ионного легирования и термической разгонки, далее с применением тех же технологических процессов формируются области р-типа проводимости базы, подзатворного окисла, поликремниевого затвора, сильнолегированных контактов к базе и подложке, истоки, стоки РМОП-транзисторов и завершается изготовление структуры формированием сильнолегированных областей n-типа проводимости контактов к карману, эмиттера и измерительных коллекторов. Для обеспечения электрического соединения на поверхность прибора наносится диэлектрический слой окисла кремния, формируются контактные окна ко всем областям и алюминиевая разводка с контактными площадками.
На выводы прибора подается напряжение: на базовые контакты и контакты к карману подается положительное напряжение относительно эмиттера и подложки, на выводы коллекторов подается положительное напряжение от источника питания через нагрузочные РМОП-транзисторы и делитель напряжения. Выходной ток усилительного РМОП-транзистор определяет интенсивность свечения светодиода. Визуально фиксируется интенсивность свечения при вращении датчика и максимальная интенсивность соответствует максимальному значению магнитной индукции. В случае измерения магнитного поля Земли максимальная индукции соответствует направлению север-юг.
Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором позволяет получить микроминиатюрное устройство для определения направления магнитного поля. Параметры прибора определяются объемными свойствами полупроводника и мало зависят от состояния поверхности прибора, что определяет его высокую стабильность и воспроизводимость при изготовлении.
Источники информации
1. Ristic Lj., Doan M.T., Paranjape M. / 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS Technology // Sensor and Actuators, A21-A23, 1990.
2. Патент США 5323050.
3. Патент США 6278271.
4. Патент США 6742270.
5. Патент США 6292137.
6. Патент РФ 2239916 - прототип.
Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором, состоящий из латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на монокристаллической подложке первого типа проводимости, с базовой областью на поверхности подложки, имеющей малую концентрацию примеси и второй тип проводимости, расположенные в базовой области сильно легированные области эмиттера, первого и второго рабочих коллекторов первого типа проводимости с глубиной, меньшей глубины базовой области, области контактов к базе, расположенные ближе к эмиттеру, чем коллекторы, и имеющие глубину не менее глубины базовой области, а длину - не менее ширины базовой области, расположенные вне базовой области первый и второй контакты, соединенные с контактами к базовой области и подключенные к одному и тому же источнику напряжения, отличающийся тем, что базовая область отделена от подложки диффузионным карманом, в подложке и кармане формируются сильнолегированные области контактов, контакты к подложке и эмиттер соединены электрически с подачей одинакового потенциала, нагрузочные и усилительные МОП транзисторы для передачи сигнала с латерального биполярного магниточувствительного двухколлекторного транзистора на светодиодный индикатор расположены в отдельном кармане.
