РОЗДІЛ 2
ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ МАГНІТОРЕАКТИВНОГО ЕФЕКТУ
У ТРАНЗИСТОРНИХ СТРУКТУРАХ
На даний час у всіх галузях вимірювальної техніки (окрім телеметрії)
використовуються виключно такі структури, в яких вихідною величиною є величина
струму або напруги. Це приводить до значних похибок вимірювання, втрат
інформації в каналі між виходом перетворювача і входом
підсилювально-перетворюючої апаратури, малих потужностей вихідного сигналу
перетворювачів, їх низькою завадостійкістю і швидкодією. З іншого боку, видатні
досягнення мікроелектронної технології в основному були реалізовані у засобах
обробки інформації та обчислювальної техніки, в яких значна номенклатура
функціональних елементів вийшла на 7-8 рівень інтеграції із застосуванням
базових технологічних процесів.
Тому для реалізації переваг перетворення „магнітне поле – частота” необхідно
розробити елементи теорії магнітореактивного ефекту в транзисторних структурах,
що подані у наступному розділі.
2.1. Елементи теорії магнітореактивного ефекту в МДН-транзисторах
Використання структури метал-діелектрик-напівпровідник (МДН) у якості
інтегрального сенсора магнітного поля було запропоновано - ще в 1966 р. [86].
Поверхневий інверсійний шар, чи канал, може слугувати дуже тонким холлівським
елементом. Такий елемент технологічно і електрично буде сумісний з польовим
МДН-транзистором. У цих приладах використовуєтьсяв ефект Холла чи відхилення
носіїв в інверсійному шарі.
Сенсор Холла на основі МДН-структури являє собою польовий МДН-транзистор зі
звичайними областями витоку (S), стоку (D) і каналом (Ch), поверх якого
розташований затвор (G), але, крім того, він має дві області холлівських
контактів (Н), що одержують шляхом дифузії одночасно з областями витоку і стоку
(рис.2.1). Ширина і довжина каналу позначена відповідно через W і L. Положення
холлівських контактів описується їхньою відстанню від витоку у.
Рис.2.1. МДН-сенсор Холла. Канальна область (Ch) використовується як дуже
тонкий елемент Холла: S - витік, G - затвор, D - стік, структура доповнена
двома холлівськими контактами (Н) [97]
Розглянемо сенсор Холла спочатку на основі n-канального МДН-транзистора, що
працює в лінійній області характеристик даного транзистора, де виконується
умова VG - VT » VD, тут VG — напруга на затворі, VD – напруга стік-витік, VT -
порогова напруга. У цьому випадку густина заряду в каналі QCh= Cox(Vg -VT)
приблизно постійна по довжині каналу (Сox – ємність підзатворного окисла на
одиницю площі). За таких умов магніточутливий МДН-транзистор еквівалентний
об'ємному сенсору Холла, причому величина QCh має той же зміст, що і поверхнева
густина заряду qnt в об'ємному сенсорі [97].
В об'ємному сенсорі можна керувати густиною заряду за допомогою ефекту поля р-n
переходу, а в магніточутливому МДН-транзисторі - за допомогою ефекту поля
МДН-структури. Для відносної чутливості по струму „лінійного” МДН-сенсора Холла
можна записати вираз [97]
, (2.1)
де G - поправочний коефіцієнт на геометрію приладу і відноситься до об'ємних
сенсорів Холла. Підбираючи відповідні параметри приладу (Сох і VT ) і робочі
умови (VG ) можна отримати дуже малі значення QCh і відповідно дули великі
значення SR1. Це і є «дуже тонкий елемент Холла». Але робота в лінійному режимі
означає малу напругу і струм стоку, так що холлівська напруга виявляється
незначною. Таким чином, МДН-сенсор Холла повинен працювати при підвищеній
напрузі, тобто в тріодному режимі (трохи нижче напруги відсічки) чи навіть в
області насичення. При цьому виникає наступний додатковий ефект: коли VD ? Vsat
( Vsat = VG - VТ – стокова напруга насичення), товщина каналу виявляється
набагато меншою, а його опір набагато більший поблизу стоку, чим поблизу
витоку. У результаті шунтуючі ефекти в стоці виявляються набагато сильніше, ніж
поблизу витоку. Більш того, по цій же причині збільшення відношення у/L
приводить до росту холлівської напруги. Усе це враховується в співвідношенні
[97]
, (2.2)
де - струм стоку зумовлений виразом
. (2.3)
Отже, оптимальне розташування холлівських контактів уорі вже не визначається
умовою y=L/2, як у випадку об'ємних елементів в лінійних КМДН-сенсорів, а ці
контакти повинні міститися ближче до області стоку тобто L/2
насичення, коли VD = Vsat. З іншого боку, у міру того, що у наближається до L,
росте залишкова напруга, зумовлена похибками сполучення. Тому на практиці
оптимальне положення холлівських контактів вибирається з умови 0,7 ? yopt /L ?
0,8 [97]. Окрім того, оптимальна величина відношення ширини до довжини для
МДН-сенсорів Холла виявляється не менше ніж для відповідних об'ємних сенсорів:
(W/L)opl = 1,2 [97]. Відносна чутливість по напрузі для МДН-сенсорів Холла
визначається виразом [97]
. (2.4)
Таким чином, тонка область каналу замість об'ємного елемента не дає ніякого
виграшу по цьому параметрі і, навіть навпаки, приводить до зменшення SRV,
оскільки . Якщо VD>Vsat величина SRV виявляється ще менше, тому що частина
прикладеної напруги VD - VD>Vsat падає на збідненій області стоку, а холлівська
напруга залишається на рівні VD = Vsat [98]. Окрім того, через поверхневу
рекомбінацію зростає шум типу 1/f. Для зручності для МДН-сенсорів Холла
вибирається VG = VD. При такому зсуві прилади зі збагаченням працюють у режимі
неглибокого насичення, а прилади із збідненням - у тріодному режимі, але
близько до насичення [98].
Викори
- Київ+380960830922