矩形板状立体结构新型硅磁敏二极管的基本特性

矩形板状立体结构新型硅磁敏二极管的基本特性

0硅磁敏电极加工自双注入磁敏器以来，磁敏装置已经发展迅速，从金属技术发展到平面工艺。20世纪70年代,一直以合金烧结工艺制作立体结构锗磁敏三极管和硅磁敏二极管为主要结型的磁敏器件,在硅片上制作具有矩形板状立体标准结构的硅磁敏三极管一直未能实现。随着近年来MEMS技术迅猛发展,并在微电子技术立体加工中得到广泛的应用,使硅磁敏三极管的制造技术进一步向前迈进,制造出了像锗磁敏三极管那样的矩形板状立体标准结构的硅磁敏三极管。该工艺与IC工艺相兼容,这对磁场传感器的集成化和性能的进一步改进具有重大的意义,本文给出了新型硅磁敏三极管的基本结构及其灵敏度特性、电压-电流特性、磁电特性和温度特性的实验结果,对新型硅磁敏三极管样品基本特性进行研究的结果表明:该新型硅磁敏三极管的集电极电流相对磁灵敏度较高,最大可达227%/T,具有负温度系数且温度系数较小。1pn+型硅磁敏电极结构的工作原理采用MEMS技术在π型(即弱p型)、电阻率ρ≥100Ω·cm的高阻单晶硅片表面制作具有矩形板状立体结构的n+pn+型硅磁敏三极管的基本结构如图1所示。要实现这种立体结构,必须预先在硅片的下表面刻蚀发射区窗口,然后,采用硅各向异性腐蚀技术在硅片上腐蚀出硅膜厚为30μm左右的硅杯,接着,在硅膜的上表面刻蚀集电区窗口,再进行集电区、发射区浓磷扩散。之后,在硅杯的上表面刻蚀基区并进行浓硼扩散。最后,在硅杯上、下表面制作发射极、集电极和基极。2新硅磁敏三维特性的研究2.1新型硅磁敏三维磁敏性能2.1.1磁.电极强度硅磁敏三极管集电极电流相对磁灵敏度h±定义如下h±=|Ιc±-ΙcoΙco⋅B|×100%/Τ,(1)h±=∣∣Ic±−IcoIco⋅B∣∣×100%/T,(1)式中Ic±为在±0.1T磁场下,硅磁敏三极管集电极电流;Ico为零磁场集电极电流;B为外加磁感应强度。根据式(1)计算新型硅磁敏三极管在基极注入Ib=3mA时的磁灵敏度为h+=|0.791-0.9550.955×0.1|×100%/Τ=172%/Τ,h-=|1.236-0.9551.236×0.1|×100%/Τ=227%/Τ.从上述结果看,硅磁敏三极管的集电极电流相对磁灵敏度可达227%/T。2.1.2新型硅磁敏利益磁类型的参数设计新型硅磁敏三极管电流增益相对磁灵敏度满足Sα=1αB⋅∂αB∂B=-qμnˉEbw/2kT,(2)Sβ=1βB⋅∂βB∂B=-qμnˉEbw(1+βB)/2kT.(3)式中Sα,Sβ分别为共基极和共发射极电流增益相对磁灵敏度;αB,βB分别为共基极和共发射极电流放大系数;μn为电子的迁移率;ˉEb为基区的平均电场;w为基区宽度。从式(2)、式(3)可知,新型硅磁敏三极管电流增益相对磁灵敏度决定于ˉEbw的乘积,即Sα∝ˉEbw,Sβ∝ˉEbw.(4)另外,新型硅磁敏三极管磁灵敏度受霍尔效应的影响。为了使霍尔电压对灵敏度的影响尽量减小,根据霍尔效应公式RΗ=3π8q⋅[p-(μn/μp)2n][nμn/μp+p]2.(5)设b=μn/μp半导体的霍尔系数为RΗ=3π8q⋅[p-b2n][nb+p]2.(6)在硅磁敏三极管的n+区和p+区内的载流子浓度应满足大注入条件,即n≫n0,p≫p0,(7)式中n0,p0为π区所含热平衡载流子的电子和空穴的浓度;n,p为非平衡载流子浓度。式(6)可以近似的写为RΗ≈3π8qn⋅[1-b2][1+b]2.(8)对单晶硅材料b≈3,式(8)化为RΗ≈3π8qn⋅[1-b2][1+b]2=-3π16qn.(9)在大注入的条件下,载流子浓度很大,根据式(9),RH→0。由此可见,在大注入的条件下,影响磁灵敏度的霍尔系数很小,灵敏度提高。2.2负载电阻的稳定性本文采用逐点测量法对硅磁敏三极管样品电压-电流特性进行测量,测试原理如图2所示,实验测试曲线如图3所示。本测试曲线是在负载电阻RL=100Ω时的结果。从图中可以看到(1)当Ib=0时,磁敏三极管有Ic通过,当Vce=6V时,Ic=0.092mA;(2)当Ib增加时,Ic也相应增加,但增加的幅度很小,从图中可以看出,硅磁敏三极管不具有放大能力,但Ic~Ib之间基本成线性变化。这是由磁敏三极管自身特点所决定的;(3)当Ib恒定时,Ic随Vce的增加,曲线略有上翘。2.3磁-电特性测试对硅磁敏三极管样品磁-电特性进行实验测试,测试原理图如图2所示。测试实验采用CD10型强磁场磁导计和CT3型交直流高斯计作为外加磁场装置。采用HP34401A型万用表、BJ1790B恒流电源进行磁-电特性测量。根据上述测试结果,绘制出当Ib为恒定值时,Ic随磁场B的变化曲线,如图4所示。从图中可以看出:硅磁敏三极管集电极电流与磁感应强度在基极电流较小时具有较好的线性关系。2.4硅磁敏电极特性分析本文对硅磁敏三极管在基极电流Ib=3mA,外加偏压Vce=6V,磁场分别为0,±0.1T时集电极电流Ic随温度变化的情况进行实验研究,实验中,采用TP401高低温试验箱对硅磁敏三极管进行了-30~95℃的高低温试验。根据试验结果,绘制的硅磁敏三极管特性曲线如图5所示。从图5中看到:硅磁敏三极管在基极电流恒定时,集电极电流Ic随温度的升高而降低。零磁场集电极电流Ico温度系数αi定义式为αi=Ιcot2-Ιcot1Ιco25⋅(t2-t1)℃×100%/℃,(10)式中Icot1,Icot2,Ico25分别表示温度为t1,t2,25℃时的零磁场集电极电流。根据公式(10)计算温度从-30℃到95℃硅磁敏三极管的温度系数αi=Ιco95-Ιco-30Ιco25⋅(95+30)℃×100%/℃=0.823-1.0340.955×125×100%/℃=-0.18%/℃.从计算结果来看,硅磁敏三极管具有负温度系数,且本实验给出的硅磁敏三极管温度系数为-0.18%/℃。3硅磁敏易磁误差及影响磁灵敏度的因素本文通过对新型硅磁敏三极管灵敏度特性、电压-电流特性、磁-电特性和温度特性的研究,实验证