矩形板狀立體結(jié)構(gòu)新型硅磁敏二極管的基本特性

矩形板狀立體結(jié)構(gòu)新型硅磁敏二極管的基本特性

0硅磁敏電極加工自雙注入磁敏器以來，磁敏裝置已經(jīng)發(fā)展迅速，從金屬技術(shù)發(fā)展到平面工藝。20世紀(jì)70年代,一直以合金燒結(jié)工藝制作立體結(jié)構(gòu)鍺磁敏三極管和硅磁敏二極管為主要結(jié)型的磁敏器件,在硅片上制作具有矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管一直未能實(shí)現(xiàn)。隨著近年來MEMS技術(shù)迅猛發(fā)展,并在微電子技術(shù)立體加工中得到廣泛的應(yīng)用,使硅磁敏三極管的制造技術(shù)進(jìn)一步向前邁進(jìn),制造出了像鍺磁敏三極管那樣的矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管。該工藝與IC工藝相兼容,這對(duì)磁場(chǎng)傳感器的集成化和性能的進(jìn)一步改進(jìn)具有重大的意義,本文給出了新型硅磁敏三極管的基本結(jié)構(gòu)及其靈敏度特性、電壓-電流特性、磁電特性和溫度特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)新型硅磁敏三極管樣品基本特性進(jìn)行研究的結(jié)果表明:該新型硅磁敏三極管的集電極電流相對(duì)磁靈敏度較高,最大可達(dá)227%/T,具有負(fù)溫度系數(shù)且溫度系數(shù)較小。1pn+型硅磁敏電極結(jié)構(gòu)的工作原理采用MEMS技術(shù)在π型(即弱p型)、電阻率ρ≥100Ω·cm的高阻單晶硅片表面制作具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的n+pn+型硅磁敏三極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)這種立體結(jié)構(gòu),必須預(yù)先在硅片的下表面刻蝕發(fā)射區(qū)窗口,然后,采用硅各向異性腐蝕技術(shù)在硅片上腐蝕出硅膜厚為30μm左右的硅杯,接著,在硅膜的上表面刻蝕集電區(qū)窗口,再進(jìn)行集電區(qū)、發(fā)射區(qū)濃磷擴(kuò)散。之后,在硅杯的上表面刻蝕基區(qū)并進(jìn)行濃硼擴(kuò)散。最后,在硅杯上、下表面制作發(fā)射極、集電極和基極。2新硅磁敏三維特性的研究2.1新型硅磁敏三維磁敏性能2.1.1磁.電極強(qiáng)度硅磁敏三極管集電極電流相對(duì)磁靈敏度h±定義如下h±=|Ιc±-ΙcoΙco?B|×100%/Τ,(1)h±=∣∣Ic±?IcoIco?B∣∣×100%/T,(1)式中Ic±為在±0.1T磁場(chǎng)下,硅磁敏三極管集電極電流;Ico為零磁場(chǎng)集電極電流;B為外加磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)式(1)計(jì)算新型硅磁敏三極管在基極注入Ib=3mA時(shí)的磁靈敏度為h+=|0.791-0.9550.955×0.1|×100%/Τ=172%/Τ,h-=|1.236-0.9551.236×0.1|×100%/Τ=227%/Τ.從上述結(jié)果看,硅磁敏三極管的集電極電流相對(duì)磁靈敏度可達(dá)227%/T。2.1.2新型硅磁敏利益磁類型的參數(shù)設(shè)計(jì)新型硅磁敏三極管電流增益相對(duì)磁靈敏度滿足Sα=1αB??αB?B=-qμnˉEbw/2kT,(2)Sβ=1βB??βB?B=-qμnˉEbw(1+βB)/2kT.(3)式中Sα,Sβ分別為共基極和共發(fā)射極電流增益相對(duì)磁靈敏度;αB,βB分別為共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù);μn為電子的遷移率;ˉEb為基區(qū)的平均電場(chǎng);w為基區(qū)寬度。從式(2)、式(3)可知,新型硅磁敏三極管電流增益相對(duì)磁靈敏度決定于ˉEbw的乘積,即Sα∝ˉEbw,Sβ∝ˉEbw.(4)另外,新型硅磁敏三極管磁靈敏度受霍爾效應(yīng)的影響。為了使霍爾電壓對(duì)靈敏度的影響盡量減小,根據(jù)霍爾效應(yīng)公式RΗ=3π8q?[p-(μn/μp)2n][nμn/μp+p]2.(5)設(shè)b=μn/μp半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)為RΗ=3π8q?[p-b2n][nb+p]2.(6)在硅磁敏三極管的n+區(qū)和p+區(qū)內(nèi)的載流子濃度應(yīng)滿足大注入條件,即n?n0,p?p0,(7)式中n0,p0為π區(qū)所含熱平衡載流子的電子和空穴的濃度;n,p為非平衡載流子濃度。式(6)可以近似的寫為RΗ≈3π8qn?[1-b2][1+b]2.(8)對(duì)單晶硅材料b≈3,式(8)化為RΗ≈3π8qn?[1-b2][1+b]2=-3π16qn.(9)在大注入的條件下,載流子濃度很大,根據(jù)式(9),RH→0。由此可見,在大注入的條件下,影響磁靈敏度的霍爾系數(shù)很小,靈敏度提高。2.2負(fù)載電阻的穩(wěn)定性本文采用逐點(diǎn)測(cè)量法對(duì)硅磁敏三極管樣品電壓-電流特性進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試原理如圖2所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖3所示。本測(cè)試曲線是在負(fù)載電阻RL=100Ω時(shí)的結(jié)果。從圖中可以看到(1)當(dāng)Ib=0時(shí),磁敏三極管有Ic通過,當(dāng)Vce=6V時(shí),Ic=0.092mA;(2)當(dāng)Ib增加時(shí),Ic也相應(yīng)增加,但增加的幅度很小,從圖中可以看出,硅磁敏三極管不具有放大能力,但I(xiàn)c~Ib之間基本成線性變化。這是由磁敏三極管自身特點(diǎn)所決定的;(3)當(dāng)Ib恒定時(shí),Ic隨Vce的增加,曲線略有上翹。2.3磁-電特性測(cè)試對(duì)硅磁敏三極管樣品磁-電特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試原理圖如圖2所示。測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用CD10型強(qiáng)磁場(chǎng)磁導(dǎo)計(jì)和CT3型交直流高斯計(jì)作為外加磁場(chǎng)裝置。采用HP34401A型萬用表、BJ1790B恒流電源進(jìn)行磁-電特性測(cè)量。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果,繪制出當(dāng)Ib為恒定值時(shí),Ic隨磁場(chǎng)B的變化曲線,如圖4所示。從圖中可以看出:硅磁敏三極管集電極電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度在基極電流較小時(shí)具有較好的線性關(guān)系。2.4硅磁敏電極特性分析本文對(duì)硅磁敏三極管在基極電流Ib=3mA,外加偏壓Vce=6V,磁場(chǎng)分別為0,±0.1T時(shí)集電極電流Ic隨溫度變化的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)中,采用TP401高低溫試驗(yàn)箱對(duì)硅磁敏三極管進(jìn)行了-30~95℃的高低溫試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制的硅磁敏三極管特性曲線如圖5所示。從圖5中看到:硅磁敏三極管在基極電流恒定時(shí),集電極電流Ic隨溫度的升高而降低。零磁場(chǎng)集電極電流Ico溫度系數(shù)αi定義式為αi=Ιcot2-Ιcot1Ιco25?(t2-t1)℃×100%/℃,(10)式中Icot1,Icot2,Ico25分別表示溫度為t1,t2,25℃時(shí)的零磁場(chǎng)集電極電流。根據(jù)公式(10)計(jì)算溫度從-30℃到95℃硅磁敏三極管的溫度系數(shù)αi=Ιco95-Ιco-30Ιco25?(95+30)℃×100%/℃=0.823-1.0340.955×125×100%/℃=-0.18%/℃.從計(jì)算結(jié)果來看,硅磁敏三極管具有負(fù)溫度系數(shù),且本實(shí)驗(yàn)給出的硅磁敏三極管溫度系數(shù)為-0.18%/℃。3硅磁敏易磁誤差及影響磁靈敏度的因素本文通過對(duì)新型硅磁敏三極管靈敏度特性、電壓-電流特性、磁-電特性和溫度特性的研究,實(shí)驗(yàn)證