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,這對磁場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磁場下,硅磁敏三極管集電極電流;Ico為零磁場集電極電流;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;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)測量法對硅磁敏三極管樣品電壓-電流特性進(jìn)行測量,測試原理如圖2所示,實(shí)驗(yàn)測試曲線如圖3所示。本測試曲線是在負(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-電特性測試對硅磁敏三極管樣品磁-電特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,測試原理圖如圖2所示。測試實(shí)驗(yàn)采用CD10型強(qiáng)磁場磁導(dǎo)計(jì)和CT3型交直流高斯計(jì)作為外加磁場裝置。采用HP34401A型萬用表、BJ1790B恒流電源進(jìn)行磁-電特性測量。根據(jù)上述測試結(jié)果,繪制出當(dāng)Ib為恒定值時(shí),Ic隨磁場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硅磁敏三極管在基極電流Ib=3mA,外加偏壓Vce=6V,磁場分別為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