microsenzori curs10

1. REGULI DE P R O I E C T A R E MAGNETOTRANZISTOR npn CU DOUA BAZE

Considerate generate

Proiectarea senzorului magnetic cu tranzistoare NPN cu doua" baze s-a fScut prin respectarea regulilor de proiectare pentru circuite integrate bipolare adaptate procesului tehnologic standard de realizare a circuitelor integrate cu tranzistoare dublu baza. Acesta este un proces care utilizeazS 8 masti, avand urmatoarele denumiri si coduri Tn etapele succesive ale procesului de fotogravura:

- Masca M1, strat Tngropat, cod SI - Masca M2, zid de izolare, cod IZ - Masca M3, baza" groasd, cod BH - Masca M4, baza" sub^ire, cod BL - Masca M5, emitor, cod EM - Masca M6, contacte, cod CT - Masca M7, metalizare, cod ME - Masca M8, pasivare, cod OP

Ca o conditie de ordin general, Tn primul r§nd s-a avut in vedere asigurarea gdrzilor Tntre ferestrele de difuzie pentru baza\i ferestrele de difuzie pentru emitor si de plusare pentru contactul de colector. Astfel, distanja minima Tntre difuzia de baza" si cea de emitor este de 4 urn, Tntre difuzia de baza si cea de plusare pentru contactul de colector de 18 urn, iar Tntre fereastra de emitor si cea de colector pe masca de difuzie a emitorului, de 26 urn. Aceste valori ale gSrzilor asigura" objinerea tensiunilor de lucru colector-bazS, colector-emitor si emitor-baza" Tn limitele necesare si impuse de foaia de catalog si asigura" prevenirea strSpungerii joncjiunilor la valori mici ale tensiunilor de alimentare.

Pentru minimizarea efectelor parazite, zona activa" a senzorului, amplasata" Tn zona central^, este strict delimitate si izolata" de restul cipului prin intermediul unui zid izolare de tip P. Acesta este realizat printr-o difuzie adancS, de concentrate foarte mare, astfel Tncat pStrunde Tn Tntregime stratul epitaxial p§n5 la substrat si formeazS de jur imprejurul structurii active o joncjiune P-N invers polarizata" si o izoleaza" de celelalte elemente de pe cip.

Ziduri de izolare sunt prevSzute de asemenea, Tn jurul fiecSrui pad, pentru eliminarea cuplajelor capacitive Tntre terminale si fat,S de substrat.

Lajimea zidului de izilare este de 10 urn. Proiectul prevede de asemenea, accesul la substrat prin intermediul padului de

contactare a substratului, amplasat Tn partea dreapta a structurii. Dimensiunile cipului sunt de 1520/1020 urn, structura fiind proiectata" Tntr-o

configurate simetricS, av§nd zona activS cu dimensiunile de 564/288 urn amplasata" Tn centru, iar padurile de alimentare, iesire si testare amplasate perfect simetric Tn zona perifericS a cipului.

Pentru definirea zonei intercip, Tn conformitate cu specificul procesului de fotogravura pentru fiecare etapa" tehnologica\u fost configurate cadre pe mSstile: M3 (difuzie baza groasa). M4 (difuzie baza subjire). M5 (difuzie emitor), M6 (deschidere ferestre pentru contacte) si M8 (deschidere ferestre Tn oxidul de pasivare, pentru contactele de paduri). Masca M1 (deschidere ferestre de difuzie a stratului Tngropat) nu are figurat cadru si de asemenea, nu au cadru nici mSstile M2 (difuzie de izolare) si M7 (metalizare), care datorita" particularitStilor procesului de

mascare din aceste etape ale procesului tehnologic, sunt realizate Tn polaritate negativa fata de celelalte masti.

O atenjie deosebitS a fost acordata" proiectaYii semnelor de aliniere, ele fiind folosite la alinierea unor masti utilizate Tn procese care implies o mare finefe operat,iei. S-a optat pentru semne Tn forma" de cruce, cu dimensiunile mergSnd de la mic spre mai mare Tn cadrul proceselor succesive de mascare, dimensiuni a cSror alegere tine cont de efectele de supracorodare din oxid si din metalul de contactare (aluminiu, Tn cazul de fat§). De asemenea, tot pentru o buna" precizie a alinierii, unui si acelasi semn se utilizeaza" Tn numai trei procese succesive de mascare. Dupa" trei utilizSri succesive ale unui semn, pe a treia masca" pe care el apare, se adauga" aiaturat lui un nou semn cruce, care va fi folosit in continuare pe urmatoarele doua masti.

Schema de ansamblu a layout-ului senzorului a fost gmdita" Tn sistem modular, astfel ca" pentru elementele componente similare intre ele, au fost proiectate Layout-uri Tnregistrate Tn celule distincte care au fost Tn final utilizate la realizarea layout-ului general prin asamblarea lor.

Astfel, exists celule de layout pentru:

• Blocul semnelor de aliniere; • Tranzistorul NPN; • Ansamblul de paduri de alimentare, iesire si testare; • Padul de contactare a substratului.

Configuratia lay-out-ului senzorului, cu Tntregul set de m§sti suprapuse, este prezentata" in figura 1.

In figura 2 sunt prezentate semnele de aliniere, iar tabelul aferent acestei figuri expliciteaza" semnele de aliniere Tn succesiunea Tn care ele apar pe diferitele straturi de mascare.

Paragrafele urmStoare prezinta" si descriu pe larg mSstile fiecaxui strat Tn parte, asa cum apar ele Tn figurile 3-10.

aoucnnvi wron i » * ai HW VEIIICAL a n u BTZZ

Fig. 1 Setul mSstilor suprapuse ale structurii diferentiale cu tranzistor NPN vertical cu douS baze.

BL EM CT 4 5 6

CT ME OP 6 7 8

Fig. 2 Blocul semnelor de aliniere, pentru Tntregul set de mSsti suprapuse

Semnul SA 0 Semnul SA 1 Semnul SA 2 Semnul SA 3 De la interior De la interior la De la interior la De la interior la la exterior: exterior: exterior exterior: SA 0.1 SA1.1 SA2.1 SA 3.1 pe stratul SI pe stratul IZ pe stratul BL pe stratul CT SA 0.2 S A 1 . 2 S A 2 . 2 S A 3 . 2 pe stratul IZ pe stratul BH pe stratul EM pe stratul ME

S A 1 . 3 S A 2 . 3 SA 3.3 pe stratul BL pe stratul CT pe stratul OP

Masca M1 (SI) a stratului de mascare pentru difuzia de strat Tngropat

Aceasta" masca este prezentata Tn figura 3 si are codul SI Tn proiectul de layout. Cu ajutorul ei se deschid Tn oxidul de mascare crescut initial pe placheta, ferestrele pentru difuzia de strat Tngropat pentru configurarea zonelor de colector pentru cele doua tranzistoare simetrice si a zonelor pentru paduri.

Dimensiunile elementelor de structure care apar pe aceasta masca sunt:

- Strat Tngropat colector: 480/66 urn - Strat Tngropat paduri: 72/72 urn - Distanja dintre zonele de strat Tngropat pentru colectorii celor doua tranzistoare:

72 urn

Semnul de aliniere pentru aceasta" masca" este semnul notat SA 0.1 Tn figura 2. El este de forma" poligonala" (octogon) si serveste alinierii mastii urmatoare, M2 (cod IZ) de deschidere a ferestrelor de difuzie pentru turnurile de izolare cu masca prezenta (M1). Deoarece alinierea mastii M2 cu masca M1 urmeaza" dupa" un proces de epitaxie, Tn care toata" structura va fi acoperita" cu un strat de siliciu de grosime 10-12 urn, s-a ales aceasta forma" a semnului de aliniere, astfel meat el sa poata fi vizibil Tn cadrul procesului ulterior de mascare.

Fiind prima masca Tn cadrul fluxului tehnologic, aceasta masca nu are nevoie si nu confine cadru intercip.

• • •

1 ©.

• • •

• •

• • Fig. 3 MASCA M1 - Strat de mascare pentru difuzia de strat Tngropat (cod: SI)

MASCA M2 - Strat de mascare pentru difuzia de turnuri de izolare (cod: IZ)

Masca M2- Strat de mascare pentru difuzia de turnuri de izolare (cod: IZ in proiectul de layout) este prezentata in fig. 4.

Deoarece dimensiunile traseelor prin care se realizeaza turnurile de izolare Tntre diferitele elemente de structura sunt foarte disproportionate Tn ceea ce priveste raportul lungime/iatime, iar forma geometrica a acestor trasee este foarte complicata, a fost mult mai usor sa se deseneze pe masca insulele in care se vor realiza elementele de circuit, iar configuratia ferestrelor prin care se va face difuzia de izolare rezulta prin utilizarea acestei masti in polaritate inversa fata de celelalte masti utilizate pentru mascarea in procesele de difuzie.

Pe aceasta masca, in extrema dreapta a cipului amplasat pe axa orizontala, se realizeaza si padul de contact al substratui. In urma aplicarii ei, pe cip se configureaza insulele in care se vor realiza:

- Cele doua structuri de tranzistoare conectate differential; - Padurile de alimentare; - Padurile de culegere a semnalului; - Cadrul inter-cip

Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt:

- Zid de izolare pentru delimitarea cipului senzorului: 1340/820 urn - Zid de izolare paduri: 160/160 urn - LStime zid de izolare cip si paduri: 10 urn - Zid de izolare pentru delimitarea zonei active: 560/284 urn - Lajime zid de izolare pentru zona activS: 14 urn - Latjme zid de izolare Tntre cele doua structuri de tranzistoare: 16 urn

Semnele de aliniere utilizate pe aceasta masca sint: - Semnul notat SA 0.2 de forma" octogonaia care serveste alinierii cu masca

anterioara" (M1) - Semnul notat SA 1.1 care apare prima data" pe aceasta masca" va servi alinierii cu

masca ulterioara" M3, pentru deschiderea ferestrelor pentru difuzia de baza.

Avand polaritate negativa" fata" de celelalte masti, aceasta masca nu confine cadru intercip.

a

•

<

H i < '"'

a

+

Fig. 4 MASCA M2- Strat de mascare pentru difuzia de izolare (cod: IZ)

MASCA M3- Strat de mascare pentru difuzia de baza groasa (cod: BH)

Masca M3- Strat de mascare pentru difuzia de baza groasa (cod: BH in proiectul de layout) este prezentata Tn fig. 5. Cu ajutorul ei se deschid ferestrele prin care se va face difuzia de bor pentru baza groasa a tranzistoarelor NPN. Totodata, prin aceasta mascS se deschid ferestre de difuzie Tn zonele Tn care se realizeaza padurile de alimentare si cele de culegere Tn exterior a semnalului furnizat de senzor, precum si padul de conectare la substrat din extrema dreapta a cipului. Masca mai cuprinde o fereastra de domensiuno mici, prin care se face o difuzie de plusare pentru contactul de test pentru baza subfire. Masca are cadru intercip. Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt: - Cadru inter-cip: 1520/1020 urn - Lafime cadru inter-cip: 44 urn - Zid de izolare pentru definirea zonei active: 564/288 urn - Baza groasa: 254/38 urn - Contact test: 20/38 urn - Paduri: 80/80 urn - Contact substrat: 160/160 urn Semnul de aliniere utilizat pe acest strat este: - Semnul SA 1.2 care se aliniaza cu semnul SA 1.1 de pe masca anterioara (M2)

• • • • D

D

• • • +

Fig. 5 MASCA M3- Strat mascare pentru difuzia de baza groasa(cod: BH)

MASCA M4- Strat de mascare pentru difuzia de baza (cod: BL)

Masca M4- Strat de mascare pentru difuzia de baza" sub-fire (cod: BL Tn proiectul de layout) este prezentata" in fig. 6. Cu ajutorul ei se deschid ferestrele prin care se va face difuzia pentru baza" superficial^. Aceasta" difuzie este de concentrate mai mica" dec£t difuzia anterioarS, pentru baza groasS, iar timpul de difuzie va fi si el mai scurt. Asa cum s-a vSzut la masca anteriaorS, pentru controlul si testarea funcfionalitafii si caracteristicilor bazei subfiri, accesul la testarea ei este asigurat prin difuzia de plusare prin fereastra de contactare a bazei subfiri, difuzie care a fost fScuta" Tn etapa anterioara" a procesului tehnologic. Acest acces este asigurat chiar si spre exteriorul, contactul de pe baza" fiind legat la un pad, care se poate conecta la un terminal al capsulei dispozitivului. Acest terminal va avea doar rol de testare si control asupra parametrilor elementelor de pe cip, el nu are nici un rol functional Tn alimentarea sau exploatarea circuitului.

Pe aceasta mascS se afla" figurat cadrul inter-cip. Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca" sunt:

- Baz§ sub-fire: 484/34 urn - Cadru inter-cip: 1520/ 1020 urn - LSfime cadru inter-cip: 48 urn

Semnele de aliniere de pe masca" sunt:

• Semnul SA 1.3 care se aliniaza cu semnul SA 1.2 de pe M3; • Semnul SA 2.1, semn nou care va servi alinierii cu masca ce urmeaza" (M4)

+

1 1 *. 1 1 & °

+

Fig. 6 MASCA M4- Strat mascare pentru difuzia de baza" sub-fire (cod: BL)

MASCA M5- Strat de mascare pentru difuzia de emitor (cod: EM)

In figura 7 se prezinta masca M5 a stratului de mascare pentru difuzia de emitor (cod: EM). Cu ajutorul ei se formeaza emitorii tranzistoarelor si se realizeaza de asemenea, plusarea de concentrate pentru contactul de colector. Deci, aceasta masca va contine:

- Ferestrele pentru difuzia emitorilor tranzistoarelor; - Ferestrele pentru difuzia de plusare pentru contactele de colector; - Fereastra pentru difuzia de plusare in cadrul inter-cip

Ea confine de asemenea, cadru inter-cip. Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt:

- Ferestre emitor: 204/22 urn - Ferestre plusare colector: 452/18 pm - Cadru intercip: 1520/1020 pm - Lafime cadru: 52 pm - Distanfa Tntre fereastra de emitor si cea de colector: 26 pm

Semnul de aliniere pe aceasta masca este:

- SA 2.2 si permite alinierea cu mastile M4 (anterioara) de difuzie a bazei subfiri si cu masca M6, de deschidere in oxid a ferestrelor prin care se vor realiza conexiunile metalice si contactarea terminalelor dispozitivului si padurilor structurii.

I 1 I 1 c ^ o

I l l I

+

Fig. 7 MASCA M5- Strat mascare pentru difuzia de emitor (cod: EM)

MASCA M6- Strat de mascare pentru deschiderea ferestrelor pentru contactele de metalizare (cod: CT)

Masca M5 a stratului de mascare pentru deschiderea ferestrelor de contacte de metalizare (cod: CT) este prezentata in fig.8 si confine:

- Ferestrele de deschidere a contactelor de Emitor, Baza, Colector ale tranzistoarelor;

- Ferestrele de deschidere a contactelor de conectare la substrat

Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt:

- Ferestre contacte baz§: 8/10 pm - Ferestre contacte colector, emitor, substrat, teste: 10/10 pm - Cadru inter-cip: 1520/1020 pm - LSfime cadru: 56 pm

Semne de aliniere utilizate:

• Semnul SA 2.3 de aliniere cu semnul SA 2.2 de pe masca anterioara: • Semnul SA 3.1 de aliniere cu masca urmatoare (semn nou)

+

+

nr^nrrTirrrnnrrnnrr^rTTinrTinrTinrTT-irri I I O

• nnmnmni 11 irm ° nnmnr 11 irmnm • | ' * j a rmoniOD

• ••njDujDCmi 111 Q • •CDDI • • n • • IDm D fmOEEDO nni i ini 11 in i n i i inmni 1111 11 ini i in[ i inn

Fig.8 MASCA M6- Strat de mascare pentru deschiderea ferestrelor pentru contactele de metalizare (cod: CT)

MASCA M7- Strat de mascare pentru trasee de metalizare (cod: ME)

Masca M7 a stratului de mascare pentru traseele de metalizare (cod: MT in proiectul de layout) este reprezentata in fig. 9 si confine:

• Traseele de metalizare pentru interconexiunile elementelor de pe cip; • Padurile de alimentare si conectare la exterior; • Padurile de contact de pe padul de contactare a substratului.

Dimensiunile elementelor caractenstice de pe aceasta mascS sunt:

- LSfime colector: 18 pm - LSfime emitor: 18 pm - LSfime baz§: 12 pm

Masca nu confine cadru intercip Semne de aliniere pe aceasta masca sint:

• Semnul SA 3.2 realizeaza alinierea cu masca anterioarS M6.

I I

H 1 =

] D r = r

Fig. 9 MASCA M7- Strat de mascare pentru trasee de metalizare (cod: ME)

MASCA M8- Strat de mascare pentru oxid de pasivare (cod: OP)

Fig. 10 din setul aferent structurii de tranzistor NPN vertical si figurile 9 din seturile aferente structurii de tranzistor PNP lateral si a structurii test prezinta Masca M7 a stratului de mascare utilizat pentru deschiderea ferestrelor din oxidul de pasivare (cod: OP) si contine:

• Ferestrele pentru lipirea firelor de contact pe paduri

Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta mascci sunt:

- Paduri : 100/100 pm - Cadru inter-cip: 1020/1520 pm; - L§time cadru: 60 pm

Pe aceasta masca figureaza un singur semn de aliniere: Semnul SA 3.3 care se aliniaza cu semnul SA 3.2 de pe masca anterioara

I -

+

Fig. 10 MASCA M8- Strat de mascare pentru oxid de pasivare (cod: OP)

1. REGULI DE PROIECTARE SENZOR HALL INTEGRAT

Considerat i i generate

Proiectarea senzorului magnetic in structura diferentiala cu sarcina magnetorezistiva s-a tecut prin respectarea regulilor generate de proiectare pentru circuite integrate bipolare, adaptate unui proces care integreaza pe acelasi cip atit elementul Hall, cit si circuitul electronic de culegere si de amplificare a semnalului.

Acesta este un proces care utilizeazS 7 rrtesti, avfind urrrtetoarele denumiri si coduri Tn etapele succesive ale procesului de fotogravurS: - Masca M1, strat Tngropat, cod SI - Masca M2, zid de izolare, cod IZ - Masca M3, baza\d BH - Masca M4, emitor, cod EM - Masca M5, contacte, cod CT - Masca M6, metalizare, cod ME - Masca M7, pasivare, cod OP

Senzorul Hall a fost proiectat prin asumarea unui compromis Tntre performanfele parametrilor de nelinearitate si sensibilitate. Pentru reducerea nelinearitetii, structura Hall a fost proiectate sS aib§ contacte de curent lungi Tn raport cu contactele Hall. In acest mod, contributia cu sens negativ la nelinearitatea dispozitivului a parametrilor de material poate fi compensate prin contributia cu sens pozitiv a elementelor de geometrie, iar pe ansamblu, se obflne o reducere substantiate a nelinearitetii. Prin utilizarea acestei configuratii pentru contactele senzorului, la o valoare date a puterii disipate, se obtine de asemenea si o mare sensibilitate a dispozitivului.

Pentru atenuarea factorilor generatori de efecte de off-set si de instabilitate termica, layoutul a fost conceput intr-o forma perfect simetrica, in care elementul senzor (placa Hall) se afla amplasat in zona centrala a cipului, avind contactele pentru aplicarea semnalului de excitatie situate in capete, pe axa orizontala.

Pentru micsorarea efectului magnetorezistiv si cresterea ponderii efectului Hall Tn functionarea senzorului, placa Hall a fost dimensionate astfel incit raportul IStime/lungime este 1/2, iar pentru reducerea nelinearitetii, ea a fost proiectate sa. aibS contacte de curent lungi Tn raport cu contactele Hall. In acest mod, contributia cu sens negativ la nelinearitatea dispozitivului a parametrilor de material poate fi compensate prin contributia cu sens pozitiv a elementelor de geometrie, iar pe ansamblu, se obtine o reducere substantiate a nelinearitetii. Prin utilizarea acestei configuratii pentru contactele senzorului, la o valoare date a puterii disipate, se obtine de asemenea si o mare sensibilitate a dispozitivului.

Dimensiunile caracteristice pentru placa Hall sint: - Dimensiuni palca Hall: 760/410 pm; - Dimensiuni contacte curent: 298/ 10 pm; - Dimensiuni contacte tensiune hall: 10/10 pm Circuitul electronic de amplificare diferentiala compus din trei perechi de

tranzistoare, este dispus intr-o simetrie circulara fata de directia de culegere a semnalului, de o parte si cealalta a cipului. Colectorii acestor tranzistoare sint conectati simetrie de o parte si cealalta a placii Hall prin intermadiul straturilor ingropate aferente, iar semnalul Hall amplificat este cules pe padurile corespunzatoare, dispuse simetrie fata de axa orizontala si situate in extrema dreapta a cipului. Bazele acestor tranzistoare, care culeg semnalul direct de la

senzor, sint conectate direct la placa Hall prin intermediul conexiunilor metalice corespunzatoare. Pentru o buna stabilitate termica si o buna amplificare a semnalului, emitorii acestor tranzistoare sint excitati prin intermediul unui generator de curent comun, compus din patru tranzistoare amplasate in extrema dreapta a cipului. Padurile din partea stinga a cipului servesc la conectarea la circuitul exterior de polarizare a circitului electronic de culegere si amplificare a semnalului.

In zona inferioara din partea dreapta a cipului se afla dispus setul semnalor de aliniere, compus din patru elemente. S-a optat pentru semne in forma de cruce, cu dimensiunile mergand de la mic spre mai mare Tn cadrul proceselor succesive de mascare, dimensiuni a cSror alegere fine cont de efectele de supracorodare din oxid si din metalul de contactare (aluminiu, Tn cazul de fa^S). De asemenea, tot pentru o buna" precizie a alinierii, unui si acelasi semn se utilizeaza" Tn numai trei procese succesive de mascare. Dupa" trei utilizSri succesive ale unui semn, pe a treia masca" pe care el apare, se adauga" alSturat lui un nou semn cruce, care va fi folosit in continuare pe urmatoarele doua" masti.

Dimensiunea totala a cipului (inclusiv cadrul inter-cip) este de 1520x1020 pm, iar configuratia de ansamblu continind toate mastile suprapuse, este prezentata in fig. 1. Semnele de aliniere se prezinta in figura 2, iar tabelul aferent acestei figuri le expliciteaza" Tn succesiunea Tn care ele apar pe diferitele straturi de mascare.

Fig. 1 Setul mastilor suprapuse ale structurii Hall diferentiale cu sarcina magnetorezistiva

SI IZ

1 2 IZ BH BL

2 3 4 BL EM CT

4 5 6 CT ME OP 6 7 8

Semnul SA 0 Semnul SA 1 Semnul SA 2 Semnul SA 3 De la interior De la interior la De la interior la De la interior la la exterior: exterior: exterior exterior: SA 0.1 SA 1.1 SA 2.1 SA 3.1 pe stratul SI pe stratul IZ pe stratul BL pe stratul CT SA 0.2 SA1 .2 SA 2.2 SA 3.2 pe stratul IZ pe stratul BH pe stratul EM pe stratul ME

SA1.3 SA2 .3 SA 3.3 pe stratul BL pe stratul CT pe stratul OP

Fig. 2 Blocul semnelor de aliniere, pentru Tntregul set de masti suprapuse

Ca o conditie de ordin general, Tn primul r§nd s-a avut Tn vedere asigurarea gSrzilor Tntre ferestrele de difuzie pentru baza\i ferestrele de difuzie pentru emitor si de plusare pentru contactul de colector. Astfel, distanja minima" Tntre difuzia de baza" si cea de emitor este de 6 pm, Tntre difuzia de baza" si cea de plusare pentru contactul de colector de 14 pm, iar Tntre fereastra de emitor si cea de colector pe masca de difuzie a emitorului, de 26 pm. Aceste valori ale gSrzilor asigura" obtinerea tensiunilor de lucru colector-baza\r si emitor baza" Tn limitele necesare si impuse de foaia de catalog si asigura" prevenirea strSpungerii jonctiunilor la valori mici ale tensiunilor de alimentare.

Elementele de circuit de pe cip sint izolate intre ele prin intermediul unui zid izolare realizat prin intermediul unei difuzii adanci de tip P, de concentrate foarte mare, astfel Tncat pStrunde Tn Tntregime stratul epitaxial p3na" la substrat si formeaza" de jur Tmprejurul elementelor o joncjiune P-N invers polarizata" si le izoleaza" intre ele. Ziduri de izolare sunt prevSzute si Tn jurul fiecSrui pad, pentru eliminarea cuplajelor capacitive Tntre terminale si fata" de substrat. Lflpfnea zidului de izilare este de 10 pm.

Pentru definirea zonei intercip, Tn conformitate cu specificul procesului de fotogravura" pentru fiecare etapa" tehnologicS, au fost configurate cadre pe mSstile: M3 (difuzie bazS), M4 (difuzie emitor), M5 (contacte metalizare) si M7 (contacte paduri). Masca M1 (strat Tngropat) nu are figurat cadru si de asemenea, nu au cadru nici mSstile M2 (difuzie de izolare) si M6 (metalizare), care sunt realizate Tn polaritate negativa" fata" de celelalte mSsti.

Reguli de proiectare pentru celulele de layout

Schema de ansamblu a layout-ului senzorului a fost gindita in sistem modular, astfel ca pentru elementele componente similare intre ele, au fost proiectate celule distincte, care au fost in final asamblate si utilizate la realizarea layout-ului general. Astfel exista celule de layout pentru:

- Tranzistoarele care compun amplificatorul diferential, fig. 3; - Tranzistoarele din generatorul de curent, fig. 4; - Ansamblul padurilor de alimentare si iesire, fig. 5; - Padul de conectare la substrat, fig. 6;

Celula tranzistoarelor din amplificatorul diferential

Tranzistoarele componente ale amplificatorului diferential (fig. 3) sint dispuse uniform imprejurul placii Hall. Ele sint grupate cite trei in cele doua insule situate de o parte si cealalta a placii Hall si sint izolate prin difuzie P de restul componentelor cipului. Colectorii comuni sint realizati in straturile ingropate aferente, iar pentru contactul de colector se foloseste o singura fereastra.

•

1 1

• • 1 1

Fig. 3 Layout-ul tranzistoarelor din amplificatorul diferential

Dimensiunile caracteristice celulei diferentiale sint: - Stratul ingropat: 407/46 pm; - Stratul de izolare: 474/114 pm; - Difuzie de baza: 34/54 pm; - Difuzie de emitor: 22/22 pm; - Distanta dintre difuziile de emitor si cea de baza: 6 pm; - Fereastre contact: colector-12/46 pm, emitor-10/10 pm, baza-22/10 pm

Celula tranzistoarelor din circuitul de alimentare

Tranzistoarele din circuitul de alimentare (fig. 4) sint realizate fiecare in cite o insula izolata si sint grupate in aceeasi parte a cipului, in extrema dreapta. Pentru realizarea contactului ohmic al colectorului, se face o difuzie de plusare in fereastra de contact de colector, odata cu difuzia de emitor.

•

Fig. 4 Layout-ul tranzistoarelor din sursa de curent

Dimensiunile caracteristice tranzistoarelor din sursa de alimentare sint: - Stratul ingropat de colector: 26/78 pm; - Difuzia de izolare: 96/ 146 pm; - Difuzia de baza: 34/54 pm; - Difuzia de emitor: 22/22 pm pentru emitor si 18/34 pm pentru colector; - Distanta dintre difuziile de emitor si cea de baza: 6 pm; - Fereastra contact de colector: 12/46 pm; - Fereastra contact de emitor: 10/10 pm; - Fereastra contact de baza: 22/10 pm - Distanta dintre difuzia de plusare a colectorului si cea de baza: 14 pm

Celula padurilor de alimentare

Pentru evitarea efectelor parazite de scurgeri de curent sau capacitive care ar aparea prin padurile metalice, pentru ele este prevazut un layout special, prin care de-a lungul fluxului tehnologic, sa se formeze doua jonctiuni spate in spate care sa izoleze padul de structura activa.

Acest layout este prezentat in figura 5 intr-o vizualizare in care apar toate straturile suprapuse. Prin ferestrele de pad se fac difuzii in urmatoarele etape ale fluxului: strat ingropat, baza, oxid de pasivare. Fereastra din oxidul de pasivare va permite accesul la pad in vederea lipirii firelor de conexiune la capsula.

: i r " " * " l i ;

+ 5BHHBHJ

Fig. 5 Ansamblul padurilor de alimentare si iesire

Dimensiunile caracteristice pe layout-ul de paduri sint: - Stratul ingropat de colector: 72/72 pm; - Difuzia de izolare: 140/140pm; - Difuzia de baza: 160/160 pm; - Ferestre de contact pentru padul de substrat: 10/10 pm; - Metalizare: 120/120 pm; - Oxid de pasivare: 100/100pm

Celula padului de conectare la substrat

In partea dreapta a cipului, situat chiar pe axa orizontala este dispus un pad care, prin configurarea sa asigura accesul la substrat de pe suprafata cipului. Layout-ul acestui pad, intr-o vizualizare in care apar toate mastile suprapuse, este prezentat in figura 6. Ferestrele active pentru padul de substrat se afla pe mastile de izolare, de difuzie baza, de deschidere contacte si de metalizare ( M2 (IZ), M3 (BH), M5 (CT) si M6 (MT)).

I—1 + - i • •—I

• • O D D O D O

• • • • • • D a

Fig. 6 Padul de conectare la substrat

Reguli de proiectare pentru setul complet de masti

Masca M1 (cod:SI): strat de mascare pentru difuzia de strat ingropat

Aceasta masca este prezentata Tn figura 7 si are codul SI Tn proiectul de layout. Cu ajutorul ei se deschid Tn oxidul de mascare crescut initial pe placheta, ferestrele pentru difuzia de strat Tngropat pentru configurarea zonelor de colector pentru cele doua tranzistoare simetrice si a zonelor pentru paduri.

Dimensiunile elementelor de structure care apar pe aceasta masca sunt: - Strat Tngropat colector tranzistoare din amplificatorul diferential: 406/46 pm - Strat Tngropat colector tranzistoare din sursa de alimentare: 78/26 pm - Strat Tngropat paduri: 72/72 pm - Distanta dintre zonele de strat Tngropat pentru colectorii celor doua tranzistoare:

72 pm Semnul de aliniere pentru aceasta masca este semnul notat SA 0.1 Tn figura 2.

El este de forma" poligonaia (octogon) si serveste alinierii mSstii urmatoare, M2 (cod IZ) de deschidere a ferestrelor de difuzie pentru turnurile de izolare cu masca prezenta (M1). Deoarece alinierea mastii M2 cu masca M1 urmeaza" dupa" un proces de epitaxie, Tn care toata structura va fi acoperita cu un strat de siliciu de grosime 10-12 pm, s-a ales aceasta forma" a semnului de aliniere, astfel meat el sa poata fi vizibil Tn cadrul procesului ulterior de mascare.

Fiind prima masca Tn cadrul fluxului tehnologic, aceasta masca nu are nevoie si nu confine cadru intercip.

• 1 1 ? • -h

Fig. 7 MASCA M1 - Strat de mascare pentru difuzia de strat ingropat (cod: SI)

MASCA M2 (cod: IZ) : strat de mascare pentru difuzia de turnuri de izolare

Masca M2- Strat de mascare pentru difuzia de turnuri de izolare (cod: IZ in proiectul de layout) este prezentata in fig. 8.

Deoarece dimensiunile traseelor prin care se realizeaza turnurile de izolare intre diferitele elemente de structura sunt foarte disproportionate Tn ceea ce priveste raportul lungime/iatime, iar forma geometrica a acestor trasee este foarte complicata, a fost mult mai usor sa se deseneze pe masca insulele in care se vor realiza elementele de circuit, iar configurafia ferestrelor prin care se va face difuzia de izolare rezulta prin utilizarea acestei masti in polaritate inversa fata de celelalte masti utilizate pentru mascarea in procesele de difuzie.

Fig. 8 MASCA M2- Strat de mascare pentru difuzia de izolare (cod: IZ)

Pe aceasta masca, in extrema dreapta a cipului amplasat pe axa orizontala, se realizeaza si padul de contact al substratui. In urma aplicarii ei, pe cip se configureaza insulele in care se vor realiza: - Placa Hall - Cele douS grupe de tranzistoare conectate diferential; - Cele patru tranzistoare din sursa de alimantare; - Padurile de alimentare; - Padurile de culegere a semnalului; - Cadrul inter-cip

Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt: - Lafime zid de izolare: 10 pm; - Perimetru zid de izolare pentru delimitarea cipului senzorului: 1340/820 pm - Perimetru zid de izolare paduri: 140/140 pm - Perimetru zid de izolare pentru delimitarea zonei active Hall: 760/410 pm - Perimetru zid de izolare pentru delimitarea celor doua regiuni ale tranzistoarelor

diferentiale: 474/114 pm - Perimetru zid de izolare pentru delimitarea celor patru regiuni ale tranzistoarelor

din sursa de alimentare: 146/94 pm Semnele de aliniere utilizate pe aceasta masca sint:

- Semnul notat SA 0.2 de forma octogonaia care serveste alinierii cu masca anterioara (M1)

- Semnul notat SA 1.1 care apare prima data pe aceasta masca va servi alinierii cu masca ulterioara M3, pentru deschiderea ferestrelor pentru difuzia de baza.

Avand polaritate negativa fafa de celelalte masti, aceasta masca nu confine cadru intercip.

MASCA M3 (cod: BH) - Strat de mascare pentru difuzia de baza

Masca M3- Strat de mascare pentru difuzia de baza groasa (cod: BH in proiectul de layout) este prezentata Tn fig. 9. Cu ajutorul ei se deschid ferestrele prin care se va face difuzia de bor pentru baza tranzistoarelor NPN. Totodata, prin aceasta masca se deschid ferestre de difuzie Tn zonele Tn care se realizeaza padurile de alimentare si cele de culegere Tn exterior a semnalului furnizat de senzor, precum si padul de conectare la substrat din extrema dreapta a cipului. Masca are cadru intercip. Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca sunt: - Cadru inter-cip: 1520/1020 pm - Lafime cadru inter-cip: 44 pm - Zid de izolare pentru definirea zonei active: 564/288 pm - Baza tranzistoare: 54/34 pm - Contact test: 20/38 pm - Paduri: 80/80 pm - Contact substrat: 160/160 pm Semnul de aliniere utilizat pe acest strat este: - Semnul SA 1.2 care se aliniaza cu semnul SA 1.1 de pe masca anterioara (M2)

•

•

• +

• • •

• • •

•

•

•

•

• Fig. 5 MASCA M3- Strat mascare pentru difuzia de baza" groasS(cod: BH)

MASCA M4 (cod: EM) - Strat de mascare pentru difuzia de emitor

In figura 10 se prezinta masca M5 a stratului de mascare pentru difuzia de emitor (cod: EM). Cu ajutorul ei se formeaza" emitorii tranzistoarelor si se realizeaza" de asemenea, plusarea de concentrate pentru contactele de colector si pentru contactele Hall.

D D

•

•

•

•

c

• • •

D • • •

+

n • •

• •

• •

D •

Fig. 10 MASCA M4- Strat mascare pentru difuzia de emitor (cod: EM)

Deci, aceasta masca va contine: - Ferestrele pentru difuzia emitorilor tranzistoarelor: 22/22 pm; - Ferestrele pentru difuzia de plusare a contactelor de colector pentru

tranzistoarele diferentiale: 20/54 pm; - Ferestrele pentru difuzia de plusare a contactelor de colector pentru

tranzistoarele din sursa de curent: 18/34 pm; - Ferestrele pentru difuzia de plusare a contactelor Hall: 22/22 pm; - Ferestrele pentru difuzia de plusare a contactelor de curent de pe placa Hall:

22/310 pm; - Fereastra pentru difuzia de plusare in cadrul inter-cip: 1520/1020 pm; - LSfime cadru: 52 pm; - Distanfa Tntre fereastra de emitor si cea de colector: 40 pm

Semnul de aliniere pe aceasta masca este: SA 2.2 si permite alinierea cu mSstile M3 de difuzie a bazei si cu masca M5, de deschidere Tn oxid a ferestrelor de contact.

MASCA M5 (cod: CT) - Strat de mascare pentru deschiderea ferestrelor de contact

Masca M5 a stratului de mascare pentru deschiderea ferestrelor de contacte (cod: CT) este prezentata in fig. 11 si contine: - Ferestre contacte baza: 22/10 pm; - Ferestre contacte emitor, tensiune Hall, pad substrat: 10/10 pm; - Ferestre contacte de curent pe placa Hall: 298/10pm; - Ferestre contacte colectori diferentiali: 12/46 pm; - Ferestre contacte colectori sursa de alimentare: 10/26 pm; - Cadru inter-cip: 1520/1020 pm - L§time cadru: 56 pm

Semne de aliniere utilizate: semnul SA 2.3 de aliniere cu semnul SA 2.2 de pe masca anterioara si semnul SA 3.1 de aliniere cu masca urmatoare (semn nou)

jj • • o

• • •

• • •

n CD CD CD a a a

+

D D"

Q Q • rranmnn

g g • C X U O C U D Q

0

a a

Fig. 11 MASCA M6 - Strat de mascare pentru deschiderea ferestrelor pentru contactele de metalizare (cod: CT) MASCA M6 (cod: ME) - Strat de mascare pentru configurarea traseelor de metalizare

Masca M7 a stratului de mascare pentru traseele de metalizare (cod: MT in proiectul de layout) este reprezentata in fig. 12 si confine: - Traseele de metalizare pentru interconexiunile elementelor de pe cip; - Padurile de alimentare si conectare la exterior; - Padurile de contact de pe padul de contactare a substratului.

•

d

+ Fig. 12 MASCA M7- Strat de mascare pentru trasee de metalizare (cod: ME)

Dimensiunile elementelor caracteristice de pe aceasta masca" sunt: - LSfime conexiuni: 18 pm; - Conexiuni emitori-contacte tensiune Hall: 30/116 pm; - Paduri : 120/120 pm; - Distanta minima intre conexiuni: 10 pm

Masca nu confine cadru intercip Semne de aliniere pe aceasta masca. semnul SA 3.2 realizeaza alinierea cu

masca anterioara M6.

MASCA Ml (cod: OP) - Strat de mascare pentru oxid de pasivare

Masca M7 a stratului de mascare utilizat pentru deschiderea ferestrelor din oxidul de pasivare (cod: OP) din figura 13 contine: - Ferestrele pentru lipirea firelor de contact pe paduri: 100/100 pm - Cadru inter-cip: 1020/1520 pm; LSfimea cadrului este de 60 pm. Pe aceasta masca figureaza un singur semn de aliniere: semnul SA 3.3 care se aliniaza cu semnul SA 3.2 de pe masca anterioara

n * n

+

Fig. 13 MASCA M7- Strat de mascare pentru oxid de pasivare (cod: OP)

Microsenzori magnetoelectronici

2. MAGNETOELECTRONICA Magnetoelectronica este un domeniu recent investigat si dezvoltat, care combina structuri

magnet ice de dimensiuni foarte mici cu electronici semiconductoare conventionale, pentru a

obtine dispozit ive cu functionalitati noi sau optimizate [1]. Aparitia acestui domeniu a fost

impulsionata de descoperirea si dezvoltarea unor noi materiale. Desi au existat de-a lungul

t impului multe idei si experimente provocatoare si stimulative privind transportul spinului

polarizat, eel mai important impuls Tn domeniul magnetoelectronici i a fost descoperirea

magnetorezistentei gigant (GMR) Tn 1988 [2]. Acest capitol debuteazS cu o scurtS trecere Tn

revista a efectelor magnetice tradit ionale, cum ar fi efectul Hall si efectul magnetorezistiv,

magnetorezistenta colosalS (CMR), si continua cu observati i experimentale privind

mecanismul si structura magnetorezistentei gigant.

2.1. Efecte galvanomagnetice care stau la baza proiectarii si realizarii microsenzorilor de camp magnetic

Efectele galvanomagnet ice iau nastere Tn conductori sau semiconductor i Tn urma interactiunii

purtatorilor de sarcinS Tn miscare cu campul magnetic aplicat si se manifesto prin aparit ia unei

tensiuni electromotoare sau a unui gradient de temperatura paralel cu campul magnetic

aplicat (efecte longitudinale) sau perpendiculare pe directia campului magnet ic (efecte

transversale). Aceste efecte sunt determinate de rotirea suprafetelor echipotentiale Tn camp

magnetic. Intensitatea acestor efecte este maxima atunci cand campul magnetic este

perpendicular pe directia de deplasare a purtatorilor de sarcinS, adicS pe directia campului

electric. Tntr-un sens mai general, efectele galvanomagnet ice sunt datorate faptului ca\n

anumite materiale, Tn prezenta campului magnetic: directiile magnetizatiei si ale densitatii de

curent sunt diferite (efectul magnetorezist iv) si/sau directiile densitStii de curent si ale

campului electric nu coincid (efectul Hall) [10]. Primele materiale utilizate Tn scopuri practice

au fost semiconductori i , la care densitatea purtatorilor de sarcina este mic£ si deci tensiunea

Hall este ridicata.

2.1.1. Efectul Hall

ISTORIC

Efectul Hall a fost descoperit de Edwin Hall Tn 1879 cand si-a sustinut lucrarea de diploma la

Universitatea Johns Hopkins sub Tndrumarea profesorului Henry A. Rowland [10,11]. Tn 1930

Landau a aratat ca din punct de vedere cuantic miscarea orbi tal^ a electronilor da o

cont r ibute important^ la susceptibil itatea magnet ica. El a remarcat ca energia cinetica

cuantic£ d£ o contr ibute periodica la susceptibil i tatea magnet ica. Nivelele Landau si

localizarea lor pot explica satisfScStor efectul Hall cuantic Tntreg.

Autor Manoara Avram 19


Primele m^suratori ale conductivitStii Hall a stratului de inversie au fost facute in 1975 de S.

Kawaji si colaboratorii s a l Folosind un aranjament experimental diferential. Klaus von Klitzing

a mSsurat tensiunea Hall, iar Tn 1978 Thomas Englert a descoperit platourile Hall.

Cuantif icarea conductantei Hall Tn unitati e 2 /h nu a fost recunoscuta pana Tn februarie 1980.

Cinci ani mai tarziu, Tn 1985, Klaus von Klitzing a primit Premiul Nobel Tn fizica pentru

descoperirea efectului Hall cuantic. In 1982 D.C. Tsui, H.L. Stormer si A.G. Gossard au

descoperit efectul Hall cuantic fractionar [12]. In 1998 D.C. Tsui si H.L. Stormer au primit

Premiul Nobel Tn fizica pentru descoperirea efectului Hall cuantic fractionar, pe care l-au

Tmpartit cu R.B. Laughlin, care a fost primul care a explicat teoretic efectul Hall cuantic

fractionar [12].

E F E C T U L H A L L C L A S I C

DacS conductorului i se aplica un camp magnet ic perpendicular, de inductie Bz, Tn conductor

este indus un camp electric transversal, campul Hall, E H .(f igura 2.1) Cele doua campuri se

aduna vectorial rezultand un camp electric total, E, care face unghiul <p cu directia curentului.

In acest caz creste si rezistenta longitudinala a esantionului, producand o cadere

supl imentara de tensiune.

Fig.2.1. Efectul Hall intr-o placa conductoare

Efectul Hall perpendicular este slab Tn metale. Tensiunea Hall este proport ionals cu

densitatea curentului si cu indud ia campului magnetic si invers proportionala cu grosimea

placii conductoare. Tensiunea Hall se determina plecand de la considerentul ca efectul Hall

se datoreaza actiunii fortei Lorentz asupra purtatorilor de sarcina electrica.

dt (2.1)

unde k este vectorul de unda\, viteza purtatorilor de sarcina, E intensitatea campului

electric, iar B este inductja magnetica.

Daca campul magnetic este aplicat Tn lungul axei z. rezulta:

v x B =

i J k v,v, 0

0 0 B.

= ivyB:-\vxB: (2.2)

Autor Marioara Avram


v = m

unde m este masa efectiva a purtatorilor de sarcina

m * - - = - q ( E + w y B I - j \ \ j

(2.3)

(2.4)

Folosind modelul simplu de imprastiere si notand cu x timpul liber mediu de relaxare, sau

timpul mediu de deplasare al electronilor inainte de ciocnirea cu impuritati, imperfectiuni ale

retelei si fononi, viteza medie de drift a electronilor va fi [13]:

\ = - • m

m . * - = - q ( E + i v v B z - j v x B j

T sau, pe componente,

v , = - 2 L ( E , + v , B , ) m

v = - ^ l ( E - v x B 2 )

(2.5)

(2.6)

(2.7) m

m

,. +2LBv . - 3 L e 111 m (2.7')

in

e B

in

Notam cu co = —- frecventa ciclotronica a electronilor. Rezulta m *

ri a>et] l"v*l 11 \*]

-Q) j 1 V . y.

m'

va 1 /w*(l + co] r2) 0)CT

(2.8)

Densitatea curentului electric este j = -nqv, unde n este concentratia purtatorilor, iar q sarcina.

. ' X

•iy

U z J

r n q " r

m ' (l + (o l x2)

- (OcT 0 0)CT 1 0 0 0 1 + (o)ct)

In experiment se poate considera j y = 0, deci O ) c T E X + E Y = 0, urmand E Y = - a>cxEx. Se obtine

astfel:

(2.9)

Autor Marioara Avram 21

Microsenzon magnetoelectronici

(2.10)

E Constanta Hall este R H = — — = , valoarea sa fiind de ordinul -0 ,5 -10" 1 0 m 3 /As pentru

J * B Z n q

metale ca Au sau Cu.

Tensiunea Hall se masoarS cu un voltmetru de impedanta foarte mare. Aceasta tensiune este

proport,ionala cu densitatea de curent si cu inductia campului magnetic si invers proport ionals

cu grosimea placii semiconductoare A:

In concluzie, efectul Hall se datoreaza fortei Lorentz care actioneaza asupra electronilor de

conductie (purtatorii de sarcinS negative) care se deplaseaza in placa cu viteza medie v.

Fort,a deviazS electronii in directia y, astfel incSt pe fetele laterale ale placii se acumuleazS

sarcini, care-si asociazS un camp electric propriu (campul Hall), care va contrabalansa fort,a

Lorentz. Campul Hall are expresia: E H = v x B z .

Explicatia efectului Hall constS asadar Tn aceea ca Tntr-un metal caruia i se aplica un camp

electric dupS o directie x, electronii se deplaseazS Tn sens opus campului, iar Tn drumul lor ei

intra Tn coliziune cu reteaua cristalina si, la fiecare ciocnire viteza lor scade. Atunci cand

conductorului i se aplica si un c£mp magnetic dupS directia z, parcursul electronilor este

determinat de campul electric Tn directia x si de fort,a Lorentz Tn directia y. Traiectoria

rezultanta ia forma unor arce de cere Tntre momentele si pozitiile la care au loc ciocnirile, iar

traiectoria medie aduna electronii la una dintre fetele laterale ale placii. DacS campul

magnetic este foarte puternic. electronii pot descrie traiectorii circulare. atingand Tnaintea

urmatoarei ciocniri viteza unghiulara <o= -qB 2 /m", unde m'este masa efectiva a electronului.

E F E C T U L H A L L I N S E M I C O N D U C T O R !

In semiconductor i , efectul Hall este generat de schimbaTile de traiectorie ale purtatorilor

pozitivi de sarcina (golurile) sub influenta fortei Lorentz.

Pentru semiconductori , care au doua tipuri de purtatori de sarcina electrica. rezistivitatea va fi:

(2.12)

iar dacS semiconductorul este tip n » p ,

P = (2.13)

sau conductivitatea

cr = q/jnn ( 2 1 4 )



Electronii sunt deviati Tn camp magnetic, generand o tensiune Hall negativa. Forta Lorentz

care actioneaza asupra golurilor este opusa celei care act ioneaza asupra electronilor, astfel

meat tensiunea Hall corespunzatoare este pozitiva. Cea mai cunoscutS metodS pentru

determinarea concentratiei purtatorilor de sarcina este bazata pe efectul Hall. Daca se aplica

campul electric de-a lungul axei x, iar campul magnet ic de-a lungul axei z si consideram

proba semiconductoare de tip p, atunci forta Lorentz va devia goluri le spre fata de jos a

probei. luand nastere astfel un camp electric E y . Acest camp electric pe axa y, numit camp

Hall, echil ibreaza forta Lorentz. F H a i i = - FLorentz, astfel meat j y =0. Pornind de la aceasta

egalitate se poate deduce expresia constantei Hall.

Campul Hall poate fi masurat, fiind dat de:

Vy

£ = — = RHixB. , w HJ, .

Pentru proba reprezentata Tn figura 2.2, tensiunea Hall se scrie [17]:

(2.15)

fit

Fig.2.2 Efectul Hall in placi

unde U H = E H d , l x = j x W d . iar constanta Hall se exprimS astfel:

'-. r = -R =r.L. P-*2" q (p + bn)2

(2.16)

(2.17)

unde T, t impul liber mediu Tntre doua ciocniri ale purtatorilor, depinde Tn principal de distributia

purtatorilor dupa energii si viteze si de mecanismul de Tmprastiere. Conform distributiei

Boltzmann pentru semiconductori nedegenerat i , valoarea medie a puterii „m" a timpului liber

mediu este:

j r m £ - , / 2 expj kT

J E ' " 2 exp _E_]

kT

m = 1 , 2 (2.18)

dE



3. MICROSENZORI HALL

3.1. Modelarea microsenzorilor Hall In acest subcapitol se va formula matematic efectul Hall f i se va vedea cum se pot lua in

considerare influentele anizotropiei retelei cristaline si TmprSstierii purtatorilor asupra tensiunii

Hall [26]. Pentru aceasta se va dezvolta un modelul Tn patru pasi. Se va Tncepe cu descrierea

fundamentals a efectului Hall pentru un material izotrop fSrS TmprSstiere [28], apoi se va

extinde modelul , pentru cazul materialului anizotrop [29]. Paralel cu acesta se va stabili un

model pentru Tmprastierea acustica pe fononi si Tn eel de-al patrulea pas se vor concatena

cele doua formulari pentru a obtine o descriere globala a efectului Hall Tn siliciu.

3.1.1. Material izotrop fara Tmprastiere a purtatorilor de sarcina

Forta care actioneazS asupra unui purtStor in miscare este suma vectorialS a fortei electrice

si fortei Lorentz:

F = m— = qE + q(v*B) (3.1) r

Tn care m este masa efectivS a purtatorilor de sarcinS si T timpul de relaxare. Se Tnlocuieste

viteza v a purtStorului de sarcinS Tn functie de densitatea de curent J.

J

nq (3.2)

obt inand o expresie explicits pentru cSmpul electric E

E = — ^ — J - — ( J - B) (3.3) nq'r qn

Inlocuind termenii pentru mobilitatea purtatorului, pentru rezistivitate si coeficientul Hall,

V= —, P = — . R„=— (3.4) m qf.ir qn

intensitatea campului electric va fi exprimatS prin ecuatia:

E = pJ-RH{3xB) (3.5)

iar densitatea de curent astfel:

J = r ^ E + r - ^ [ E x B l + F ^ F i B [ E B ! ( 3 6 )

(1 + //-B-) (1 + //-B-) (1 + /7-B-)

unde rezistivitatea p este TnlocuitS de conductivitatea a.

3.1.2. Material anizotrop fara efecte de Tmprastiere Tn al doilea pas se ia Tn considerare influenta anizotropiei. In acest caz masa efectivS nu mai

este o constants. Ea depinde de directia deplasSrii, respectand orientarea suprafetelor



izoenergetice Tn cristalul de siliciu. Aceasta poate fi exprimatS introducand un tensor de masa

Tn ecuatia de echilibru a fortelor [29]:

-M\ q(Bx x) = qE T

(3.7)

0 0 0 0 1 rm, 0 0 ]

0 m 0 M2 = 0 0 0 m, 0

0 0 m,\ 0 0 m,j 0 0

Gold [27] este primul care a descris acest tensor de masa pentru fiecare dintre cei trei

elipsoizi perechi din structura retelei cristaline a siliciului:

(3.8)

Din ecuatii le (3.7) si (3.8) putem acum deduce o expresie pentru viteza medie a purtatorului

de sarcina Tn fiecare directie. Densitatea de curent este definita ca produsul dintre densitatea

purtatorilor de sarcinS si viteza,

J = nqvt = a,E (3.9)

iar conductivitatea a, poate fi definita Tn termeni ai tensorului de masa M h

v, =qr[Ml + ^ ( B x U ) ] ' E

unde U este vectorul de modul egal cu unitatea, iar componentele densitatii de curent:

3K nq2T

2K + 1 m ^ L + ! I ( B x U ) E = CTQAJE

(3.10)

(3.11)

Aici Oo reprezentand conductivitatea independents de masS la camp zero, A, este un tensor

continand tensorul anizotropiei de masS normalizat si informatia despre valoarea f i directia

densitatii f luxului aplicat:

3K nq2r 2K + \

^ + i $ ( B x U ) mt mt

i - l

(3.12)

(3.13)

Densitatea totals de curent in interiorul cristalului, J , O T , este suma densitStilor de curent pentru

trei elipsoizi perechi:

0 expresie explicits pentru coeficientul Hall se obtine prin multiplicarea ecuatiei (3.5) cu [ J x

B j ;

E [ J X B ] = -RH [ J X B ] 2 = > RH = p l ^ J [ J X B ] "

(3.15)


Microsenzorl magnetoelectronici

Aceasta ecuatie poate fi rezolvatS pentru orice pereche data de densitati de curent si inductii

magnetice cu respectarea sistemului de coordonate al elipsoizilor in cristal. Pentru a calcula

influenta anizotropiei cristalului asupra dependen ts campului magnetic de coeficientul Hall,

vectorii densitate de curent si inductie magnet ics trebuie sS fie exprimati in acelasi sistem de

coordonate de retea. In primul rand se va seta directia curentului. Senzorii Hall utilizati in

aceasta lucrare sunt fabricati pe plachete de siliciu taiate in planul <100>. Dispozitivele sunt

structurate astfel incat frontierele lor sS fie paralele fie perpendiculare la fata plata a plachetei.

Se presupune cS densitatea de curent J este in principal paralelS cu suprafata plachetei si

este ghidatS de cStre limitele dispozitivului in lungul directiei cristaline <110>. Vectorul

densitatii de curent poate fi scris apoi ca:

J =

V2

V2 0

(3.16)

Se disting doua orientari diferite ale inductiei magnetice aplicate pentru mSsurStori de camp

magnet ic (Fig. 3.1):

a) cSmpul magnetic este aplicat perpendicular pe densitatea de curent si paralel cu suprafata

plats in directia cristalinS <110>. Inductia magnetics in acest caz este:

"0

(3.17) B

b) cSmpul magnetic este aplicat perpendicular pe densitatea de curent si pe suprafata plats

in directia cristalinS <100> . Inductia magnetics in acest caz este:

B =

B " V2

B

o

Bin [001]

B i n [110]

(3.18)

Fig. 3.1. Pentru senzorii Hall pe substrat de siliciu descrisi in aceasta lucrare. densitatea de curent se presupune in directia <110>, iar componentele campului magnetic care genereazi tensiunea Hall sunt fie in planul plachetei perpendicular pe curent <110> fie perpendicular pe planul <100>

100



In ambele cazuri factorul de anizotropie a pentru B = 0 se reduce la bine cunoscutul factor de

anizotropie la campuri slabe dat de Beer [28].

3.1.3. Material izotrop si imprastiere pe fononi In ecuatia (3.15) am definit constanta Hall R H pentru eel mai simplu model ca fund invers

proportionala cu sarcina si cu densitatea de purtatori. Aceasta expresie nu mai este valabiia

daca In mecanismele de transport sunt implicate evenimente de imprastiere. La fel ca Tn cazul

materialelor anizotrope. se introduce factorul de Tmprastiere rs. Acest parametru descrie

influenta mecanismului de Tmprastiere asupra constantei Hall:

RH{B) = — (3.19) qn

Pentru concentrati i de dopaj mai mici decat 10 1 5 cm" 3 la temperatura camerei , s-a gasit ca

Tmprastierea fononica acustica Tn siliciu poate fi considerate izotropa [29]; Tn acest caz factorul

de Tmprastiere este scazut si se consider^:

' ^ V * 1 1 8 ( 3 2 0 )

o

Pentru a descrie dependenta campului magnetic de mecanismele de Tmprastiere, Popovic

[29] a introdus un set de coeficienti cinetici, ce Tnlocuiesc parametri i din ecuatia (3.16). Pentru

a explica influenta ciocnirilor asupra factorului Hall, trebuie sa privim ecuatii le cinetice pentru

purtatori de sarcina Tn miscare. Aceasta abordare se bazeazS pe solutia ecuatiei cinetice

Bol tzmann. Rezolvand ecuatia cinetica Boltzmann pentru un solid sub influenta campului

electric si magnetic lent variabile Tn timp obt inem ca solutie un set de trei coeficienti asociati

cu trei componente de curent. Unui este col inear cu campul electric, un altul este

perpendicular pe ambele - camp electric si camp magnetic, iar eel de-al treilea este colinear

cu campul magnetic. Densitatea totaia de curent se poate scrie:

J = e2 K{E +—K, (E x B) + -^TK3B[E • B ] (3.21) m m~

K i , K 2 si K 3 sunt asa-numiti i coeficienti cinetici. care Tn cazul general pentru suprafete

energetice nesferice sunt tensori [30]. Abordarea microscopica a ecuatiei (3.21) este de

aceeasi forma cu ecuatia (3.11) Tn care abordarea a fost macroscopica.

3.2. Microsenzon Hall integrati De curand, progresul deosebit Tnregistrat de tehnologia de procesare a siliciului a condus la

realizarea mai multor tipuri de senzori magnetici integrati. Principiul lor de operare se bazeaza

Tn principal pe efectul Hall, care consta Tn aparitia unei tensiuni pe o directie perpendiculara

pe planul format de directia curentului si directia inductiei magnetice. In cadrul teoriei clasice



se admite ca purtStorii de sarcinS care intervin in conductia curentului sunt deviati de la

traiectoria rectilinie datorita fortei Lorentz:

F = c / ( v x B ) (3.22)

Acumularea sarcinii la una dintre marginile pIScii Hall conduce la aparitia unui cSmp electric

transversal, campul electric Hall, E H . La echil ibru. forta electrics datoratS campului transversal

egaleazS forta Lorentz :

e[\xB\ eEH = 0 (3.23)

conducand la expresia explicita pentru intensitatea campului electric Hall:

E / / = - [ v x B ] (3.24)

Din aceastS ecuatie se observS cS, pentru o viteza cunoscutS v a purtatorilor, E H poate sS fie

utilizat drept o mSsurS a inductiei campului magnet ic B. Viteza v a unui purtStor de sarcinS

poate fi exprimatS ca produs al mobilitStii y a purtStorului, un parametru uzual cunoscut

asociat materialului, si campul electric aplicat E:

v = / * E (3.25)

Deci intensitatea campul electric Hall poate fi definitS prin:

E „ =-JLI[EXB] (3.26)

PIScile Hall de volum de tipul celor din figura 3.2 pot fi usor Incorporate Intr-o structurS de

circuit integrat pe siliciu (IC). Figura 3.4 aratS o placS Hall orizontalS integratS realizatS pe un

strat epitaxial tip n (colector) crescut pe un substrat tip p Intr-un proces IC bipolar. Deoarece

stratul epitaxial este tip n, purtatorii majoritari sunt electronii. Intre viteza purtStorilor si

densitatea de curent exists relatia:

j = -qnv (3.27)

unde n este concentratia purtStorilor de sarcinS.

Fig. 3 2 Tensiunea Hall masurata VH este integrala campului electric Hall EH generat peste placa de latime w.

E

B

Fig. 3.3. Sub influenta inductiei magnetice B. vectorul densitatii de curent J §i vectorul campului electric E nu mai sunt colineari. ei formeaza unghiul Hall Q . Campul electric total E este vectorul suma al campului electric extern Ee si campului electric Hall EH

Autor Marioara Avram 4 -


Fig. 3.4. Structura unui senior Hall vertical realizat in tehnologia circuitelor integrate. Acest dispozitiv are aceleasi proprietafi ca §i placa Hall conventionala. El este sensibil la componenta inductiei magnetice paralela la planul suprafetei. Efectele de suprafata sunt considerabil reduse prin folosirea unei jonctiuni pn polarizate invers in zona activa.

Considerand directiile vectorilor din f ig.3.2, campul transversal se obtine sub forma:

E = - Bj/qn (3.28)

unde -1/qn este constanta Hall care este negativS pentru electroni. Tensiunea Hall se

calculeazS ca integrals de linie a campului electric Tntre electrozii transversali . Pentru o placa

Hall infinit de lungS cu electrozi punctual i , tensiunea Hall este [31]:

V H = jBb/qn (3.29)

sau

V H = IB/qnh (3.29')

unde b este IStimea placii Hall, h grosimea sa, j densitatea de curent, B inductia magnet ica si

I intensitatea curentului electric. Relatia (3.27) pune Tn evidentS faptul ca pentru senzorii Hall

sunt interesante materialele cu coeficient Hall mare. Dar coeficientul Hall este cu atat mai

mare cu cat concentratia de purtStori este mai micS. Semiconductorul slab dopat (cazul

stratului epitaxial) va fi deci un material foarte bun pentru realizarea unui senzor Hall. Campul

electric total aplicat E poate fi scris drept suma vectorialS a campului electric extern E E , si a

campului electric perpendicular Hall E H :

E = E E + E H , (3.30)

Conform celor prezentate Tn figura 3.3, E si E E formeazS un unghi de Tnclinare, unghiul Hall

0 , ce poate fi exprimat cu ajutorul mobilitStii purtatorilor de sarcina si inductiei magnetice

aplicate:

tg 0 = | E H | / | E E | = M S (3.31)

Materiale semiconductoare au o densitate mica de purtatori de sarcinS liberi. PurtStorii de

sarcinS nu interactioneazS puternic cu reteaua cristalinS, ceea ce le confers o mobil i tate

relativ mare. Mai mult, ei sunt suficient de putini. fapt ce permite aplicarea unui camp de drift

Tnalt fSrS pericolul degenerSrii termice a materialului [30, 3 1 , 32]. Ambele caracteristici conduc



la o vitezS TnaltS si ulterior la un nivel Tnalt de semnal [33]. Aceasta este ratiunea pentru care

dispozitivele Hall de astSzi sunt construite exclusiv pe suport semiconductor.

Pentru a calcula functja de transfer a pIScii Hall se impun cSteva precizSri:

1 . Expresia coeficientului Hall, calculate in cadrul teoriei cuantice a corpului solid nu se

deosebeste esential de relatia (3.19). In cazul TmprSstierii pe fononi Tntr-un semiconductor

nedegenerat, efect dominant Tn cazul de interes pentru circuitul integrat. Tn expresia (3.19)

apare un factor suplimentar egal cu 3n/8 [34].

2. Pentru placa Hall cu dimensiuni finite, tensiunea Hall Tn gol difera de tensiunea Hall Tn

placa infinit lunga din cauza distorsionarii liniilor de camp Tn apropierea electrozilor [31 , 32].

Funct,ia de transfer depinde de geometria senzorului si de inductia magnetica si pentru placa

Hall din figura 3.4, este V H = 0.24*B.

Placa este mSrginitS de o difuzie adancS tip p, care este de obicei difuzia de izolare (turnurile

de izolare). Contactele senzorului (n*i si n ' t ) sunt fScute prin difuzii n \e corespund

difuziilor obisnuite de emitor si determine contactele ohmice pentru stratul de metal. Izolarea

placii Hall de restul cipului este realizatS prin jonctiuni inverse p-n care TnconjurS placa. PIScile

Hall tipice au lungimi de 400 si latimi de 100 urn. De preferat, Tntr-un dispozitiv Hall

integrat se foloseste ca regiune activS un material de tip n, care are o sensibilitate mai mare

relativa la potential, iar stratul epitaxial trebuie sS fie dopat intre 1 0 l 5 - 1 0 1 6 c m " 3 pe grosimea de

10-12 urn. DacS concentratia dopajului stratului epitaxial nu este insuficientS se poate face o

plusare prin implantare ionica. Tensiunea Hall maxima pentru placa alimentatS la tensiunea

V C c este V H * 0.74 f.inBV unde 0.74 este un coeficient Tn care sunt inglobate dimensiunile

placii si ale contactelor, n „es te mobilitatea electronilor, B este inductia magnetica, iar V este

tensiunea de al imentare. Suprafata superioarS a placii Hall integrate este acoperitS de obicei

cu SiG"2 [37], Interfata oxid-siliciu implied dispersia purtStorilor de sarcinS, ceea ce este Tn

detr imentul performantelor dispozitivului Hall. Acest efect este evitat dacS se realizeazS o

structurS TngropatS, la care suprafata se acoperS cu o difuzie supe r f i c i a l tip p care ecraneazS

purtStorii de interfatS.

B

VH

I

Fig. 3.5. Reprezentarea schematics a unui senzor Hall realizat pe substrat de siliciu

Autor Marioara Avram 4 "


sa

Alta problema a placilor Hall cu jonctiuni

Fig.3.6. Curentul §i liniile echipotentiale pentru placa Hall

de izolare o constituie efectul de camp al

jonctiunii . Datorite acestui efect, latimea regiunii de golire a jonctiunii p-n depinde de

tensiunea inversa. Grosimea efectiva a placii Hall integrate depinde de tensiunea de

al imentare. Drept consecinta. tensiunea Hall si caderea de potential corespunzatoare pe

placa vor depinde de tensiunea aplicata jonctiunii . Acest efect duce la o modulare a grosimii

dispozitivului de catre potential s i , astfel, la un raspuns neliniar al senzorului (figura 3.6).

Neliniaritatile senzorului datorate materialului si geometr iei sunt proportionate cu patratul

inductiei magnetice, dar au semne opuse. Anularea celor douS efecte se poate realiza prin

alegerea unui material al carui coeficient de neliniaritate sS anihileze coeficientii de

neliniaritate geometriei. Alta cale de a compensa neliniaritatea geometrica este cuplarea unui

rezistor de sarcina la iesirea dispozitivului Hall [39. 40] .

Un alt subject important este reducerea ofsetului [41 - 50]. Tr imerarea laser a unui rezistor

extern se foloseste adesea pentru a ajusta ofsetul, dar aceasta metoda nu se foloseste de

obicei la ofseturi ale inductiei magnetice de 10 pana la 100mT, datorite Tn principal stresurilor

mecanice si tolerantelor geometr ice. Intr-un dispozitiv Hall cu configuratie simetricS cu

respectarea rotatiei de rc/2, curentii si contactele senzorului pot fi interschimbate. Doua astfel

de dispozit ive Hall au proprietati similare. Cand ele sunt interconectate astfel meat

potentialele Hall rezultate sa fie paralele, dar directiile celor doi curenti sa fie ortogonale,

asimetrii le lor tind sa se anuleze si astfel ofsetul se reduce. O noua metoda interesanta de

reducere a ofsetului pe o singura placa Hall integrate este realizarea unei configurati i cu 16

contacte, care este simetrica cu respectarea rotatiei cu n/8. Directia curentului este facuta sa

se roteascS prin comutarea contactelor. Ofsetul se reduce astfel de 100 ori. Pe langa senzorul

Hall, circuitul integrat poate sa contina pe acelaf i cip circuitele de polarizare, amplif icare si

stabil izare. Aceste dispozit ive se pot realiza fie ca punti Hall, fie comutatoare Hall, dar numai

pentru aplicatii care folosesc un semnal de iesire binar. Dispozitivele pot de asemenea sa

contina un trigger Schmidt pentru a controla etajul f inal. O fotografie a structurii primului

dispozitiv Hall pe care l-am realizat Tn anul 1996 se arata Tn figura 3.7 [63]. Tensiunea de

ofset la iesire este obtinuta pentru o tensiune de al imentare date, senzorul f i ind plasat numai

Tn campul magnetic terestru. Valoarea absolute a acestui parametru. foarte micS de altfel, nu

influenteaza foarte mult comportamentul dispozit ivului Tn aplicatii , ea fiind compensate relativ



usor. Problemele care apar in cadrul mSsurSrii acestui parametru sunt legate de variatia lui cu

temperatura si cu tensionarea mecanicS, cu acesta din urma neexistand nici mScar o

dependents monotonS. Acest impediment apare in special la Tncapsulare, la f ixarea plachetei

Tn vederea testSrii si se manifests prin modificSri ale valorii tensiunii de ofset, Tn ambele

sensuri si cu gravitatii diferite de la circuit la circuit. In general fortele mecanice care apar Tn

cele douS careuri nu au acelasi sens si aceeasi directie pentru toate circuitele, fiind de

presupus cS, astfel efectuate, mSsurStorile pot fi eronate . Daca fortele ar actiona Tntr-un

singur sens fats de orientarea retelei cristaline, atunci ar apare efectul piezorezistiv oarecum

controlabil, datoritS dependentei u n i l a t e r a l si proportionate a valorii tensiunii de offset de

constantele piezorezistive. Variatia tensiunii de offset cu temperatura este controlabilS si se

pot da garantii Tn procente despre aceasta. In cazul circuitelor Tncapsulate, cSldura ac^ioneazS

si asupra rSsinii Tn care este Tnchis senzorul, deformarea acesteia conducand la tensionarea

mecanicS a circuitului [51 - 53]. Problemele apar Tn acest caz atunci cSnd efortul mecanic la

care este expusS structura datoritS dilatSrii rSsinii, conduce la un efect piezorezistiv mai

Tnsemnat decSt eel termic, deoarece poate fi de acelasi sens cu acesta, amplificSndu-l. sau Tn

sens contrar, diminuandu-l . Comportamentul termic al tensiunii de offset este foarte important

Tn functionarea unei aplicatii bazate pe senzori semiconductori , deoarece chiar dacS valoarea

tensiunii este compensatS la o anumitS temperaturS, deriva termicS mare a acesteia poate

duce la nefunctionarea schemei rezistive, la necesitatea reluSrii reglajului de compensare

s.a.m.d. De mentionat cS acest efect poate apare chiar la temperatura ambiantS constants,

atunci cand prin senzor este injectat un curent mai mare Tn vederea obtinerii unei sensibilitSti

mai bune. La o inductie magnetica de 50 mT, tensiunea Hall pentru placa Hall din figura 3.7

este sub 15 mT, motiv pentru care erorile care pot apSrea Tn realizarea geometri i lor sau / si

variatiile rezistivitStii stratului epitaxial pot produce tensiuni de eroare (offset), care, suprapuse

peste tensiunea Hall utilS, pot afecta puternic randamentele de fabr icate ale senzorului.

Valoarea acestor erori cumulate este [54]

AVoffsetA/H = AVRoffse.A/H + AVCoffse./VH + AVHoffset A / H (3.32)

unde:

AVRoffset este eroarea datoratS deplasSrii prin rotatie a contactelor Hall;

AVcoffset este eroarea datoratS IStimii diferite a contactelor Hall datoritS corodSrii

neuniforme;

AVHOffsei este eroarea datoratS variatiei mobilitStii electronilor Tn stratul epitaxial.

Aceste erori sunt minime pentru geometri i la care raportul lungime / IStime este Tn domeniul

0,8 + 1,7. De asemenea am observat cS Tntr-un proces de fabr icate bine controlat. contributia

erorii datoratS variatiei mobilitStii este sub 10% din eroarea totals [63]. In afara erorilor



enuntate, tensiunea Hall este afectatS si de efectele piezorezistive determinate de solicitSrile

mecanice care se exercitS asupra pIScii Hall Tn urma procesului de Tncapsulare.

FIG. 3.7. Fotografia primului senzor Hall planar realizat pe suport de siliciu in 1996. pe baza structurii aratata in fig. 3.4.

Diminuarea acestui efect nedorit porneste de la

observatia ca tensiunea de eroare ce apare datoritS

solicitSrilor mecanice este dependents de directia

curentului prin elementul Hall si variazS cu cosinusul

unghiului dintre directia curentului si o axS de referintS,

paralelS cu suprafata elementului Hall. Conform acestei observati i , conectand Tn paralel douS

sau mai multe elemente Hall, directia curentului prin ele fiind diferitS, se poate obtine

diminuarea tensiunii de offset (teoretic chiar anularea ei pentru unghiuri convenabil alese Tntre

directiile curent,ilor).

r

1 2 ">> 2 ">>

• 1 1 •

FIG. 3.8. Conectarea in circuit a elementului Hall

Geometr ia superficialS a unei pISci Hall realizatS pe

acest principiu este prezentata Tn figura 3.8.

Elementul cuprinde patru subgrupe (1,2,8,0),

(4,5,6,0), (2,3,4,0) si (6,7,8,0), unde 0 este punctul virtual reprezentat printr-un patrat punctat

Tn fig.3.8. Sensul curentilor. sensul Tn care are loc curbarea traiectorii lor purtStorilor de sarcinS

si tensiunea Hall sunt indicate Tn aceeasi f igura. Sunt evidente cateva dintre avantajele

utilizSrii unei astfel de structuri:

• componenta tensiunii de offset datoratS solicitSrilor mecanice este mult redusS;

• realizarea unei bune compactitSti, subelementele Hall nefiind izolate unui de celSlalt.

Compacti tatea elementului Hall determinS reducerea offsetului datorat neuniformitStilor de

rezistivitate a stratului epitaxial sau ale eventualelor defecte ale ret,elei cristaline [57].



Am folosit o tehnicS de Tncapsulare prin care am urmarit si diminuarea tensiunilor mecanice

ce se exercitS asupra structurii senzorului. Astfel lipirea structurii pe grila am fScut-o cu rasinS

KJR, iar structura am acoperit-o cu un material siliconic elastic. Am realizat placi Hall integrate

pe substrat de siliciu (111) si (100), observandu-se un offset mult mai mic si o tensiune Hall

mai mare pe substratul (100). Pentru exemplif icare, In tabelul 3.1 prezint cateva dintre

rezultatele masuratori lor facute pe senzorii Hall.

Se observS cS, In absenta campului magnetic, B = 0. offsetul pentru Si(100) este mai mic

pentru 45°, Intre 0-^1,5mV, In timp ce pentru Si( 111) offsetul este mai mare, intre 4,4 -8 ,5mV

(tabelul 3.1), iar In prezenta campului magnetic, B * 0, sensibilitatea fata de acesta este de

aproximativ 1,5mV/mT pentru substrat cristalografic (100) si aproximativ 0.9m V7mT pentru Si

(111). Acest lucru se vede In figurile 3.9, 3.10 si. 3 .11.

a) (b)

Fig. 3.9. (a) Fotografia senzorului Hall planar cu offset-ul redus pe care l-am realizat prin optimizarea celui prezentat in Fig. 3.7.

(b) Variatia tensiunii Hall in functie de inductia magnetica

Fig. 3.10. Dependenta semnalului Fig. 3.11. Dependenta semnalului de ie§ire VH de inductia magnetica de ie§ire VH de inductia magnetica pentru placa Hall realizata pe pentru placa Hall realizata pe substrat Si (111) substrat Si (100)

Autor Marioara Avram 5]


Tabelul 3.1. Tensiunlle de ofset (;iV) ma'surate pentru dispozitivele Hall (Fig.3.7 §i Fig. 3.9) realizate pe Si (100) si Si (111) cu orientarea contactelor la 45° si 90°

Si (100) Si (111)

45° 90 u 45" 90 u

0 4,8 6,85 2,40

1 6,15 8,5 2,8

0,1 4,8 5,6 1

1 8,5 7,3 0,5

1,5 7 6,25 3,6

0,25 7,4 8,25 2,7

0,1 5,35 8,25 2

0,1 4,4 7,5 3,15

0,95 7,4 13,65 4

0 6 2,1 9,2

0,1 4,4 16 4,5

3.2.1. Proiectarea microsenzoruiui Hall integrat

Tehnologia circuitelor integrate moderne permite realizarea unor structuri mai adanci prin

implantare ionicS si difuzie termica a ionilor impuritate [58]. In plus, aceasta tehnologie a facut

posibilS fabricarea unor dispozit ive Hall cu dimensiuni foarte mici la un pret foarte scazut [57].

In acelasi t imp tehnologia CI garanteaza o Tnalta reproductibil itate a proprietatilor geometr ice

si f izice. Dispozitivul Hall vertical, fabricat prin tehnologia circuitelor integrate, este un senzor

foarte avantajos, structurat pentru masurarea cu acuratete a campului magnetic aplicat [64,

65]. Senzorul Hall a fost proiectat prin asumarea unui compromis Tntre performantele

parametri lor de nelinearitate si sensibil i tate. Pentru reducerea nelinearitetii, structura Hall a

fost proiectata sa aiba contacte de curent lungi Tn raport cu contactele Hall. In acest mod,

contributia cu sens negativ la nelinearitatea dispozit ivului a parametri lor de material poate fi

compensate prin contributia cu sens pozitiv a elementelor de geometr ie, iar Tn ansamblu, se

obtine o reducere substantiate a nelineariteti i. Prin utilizarea acestei configurati i pentru

contactele senzorului, la o valoare date a puterii disipate, am obtinut de asemenea si o mare

sensibilitate a dispozit ivului. Pentru atenuarea factorilor generatori de efecte de offset si de

instabilitate termica, am conceput layout-ul Tntr-o forma perfect simetrica, Tn care elementul

senzor (placa Hall) este amplasat Tn zona centrate a cipului, avand contactele pentru

aplicarea semnalului de excitatie situate Tn capete, pe axa orizontala. Pentru micsorarea

efectului magnetorezist iv si cresterea ponderii efectului Hall Tn funct ionarea senzorului, am

dimensionat placa Hall la valorile de 690 urn pentru lungime si 175 |am pentru latime (raportul

lat ime/lungime =1/4), iar pentru asigurarea preciziei masuratori i , elementul Hall este integrat



Tntr-un sistem unitar, impreunS cu circuitele de polarizare, de amplif icare a semnalului si de

calibrare, el iminandu-se astfel efectele parazite. Circuitul de polarizare a fost integrat pe

acelasi cip cu placa Hall, astfel meat extrage o parte din tensiunea de intrare pe dispozitiv,

ceea ce duce la reducerea ofset-ului si la el iminarea efectelor legate de dependenta lui de

temperatura. Variatia ofset-ului cu campul magnetic se compenseazS usor. deoarece offsetul

si tensiunea de intrare sunt influentate in acelasi sens de efectul magnetorezistiv. Utilizarea

alternative a contactelor pentru polarizare si pentru detectare poate de asemenea reduce

offsetul. Traseele de aluminiu ale contactelor electrice au fost implementate tot in configuratie

simetricS pentru a reduce efectul piezorezistiv [54 - 56].

Dimensiuni le caracteristice pentru placa Hall sunt:

> Dimensiuni palcS Hall: 690 / 170 nm;

> Dimensiuni contacte curent: 8 0 / 1 0 pm;

> Dimensiuni contacte tensiune Hall: 10 / 1 0 pm

Circuitul electronic de amplif icare diferentiala, compus din trei perechi de tranzistoare, este

dispus intr-o simetrie circulars fats de directia de culegere a semnalului, de o parte si de

cealaltS a cipului. Colectorii acestor tranzistoare sunt conectati simetrie de o parte si de

cealalta a placii Hall prin intermediul straturilor ingropate aferente, iar semnalul Hall

amplif icat este cules pe padurile corespunzatoare. dispuse simetrie fata de axa orizontala si

situate in extrema dreapta a cipului (figura 3.12). Bazele acestor tranzistoare, care culeg

semnalul direct de la senzor, sunt conectate direct la placa Hall prin intermediul conexiunilor

metalice corespunzStoare. Pentru o bunS stabilitate termicS si o bunS amplif icare a

semnalului , emitorii acestor tranzistoare sunt excitati prin intermediul unui generator de

curent comun, compus din patru tranzistoare amplasate in extrema dreaptS a cipului.

Padurile din partea stanga a cipului servesc pentru conectarea la circuitul exterior de

polarizare a circuitului electronic de culegere si amplif icare a semnalului. In zona inferioarS

din partea dreaptS a cipului se afla dispus setul semnelor de aliniere, compus din patru

elemente. Am optat pentru semne in forma de cruce, cu dimensiunile mergand de la mic

spre mai mare in cadrul proceselor succesive de mascare, dimensiuni a cSror alegere tine

cont de efectele de supracorodare din oxid si din metalul de contactare (aluminiu, in cazul de

fatS). De asemenea, tot pentru o bunS precizie a alinierii, unui si acelasi semn se utilizeazS

in numai trei procese succesive de mascare. DupS trei utilizSri succesive ale unui semn, pe a

treia mascS pe care el apare, se adaugS alaturat lui un nou semn cruce, care va fi folosit in

continuare pe urmStoarele douS mSsti. Dimensiunea totals a cipului (inclusiv cadrul inter-cip)

este de 1520x1020 pm, iar configuratia de ansamblu continand toate mSstile suprapuse, este

prezentatS in figura 3.12.


Fig. 3.12. Setul de ma§ti suprapuse al senzorului Hall integrat pe siliciu impreuna cu circuitul de polarizare. calibrare, amplificare §i prelucrare a semnalului

3.2.2. Tehnologia de realizare a microsenzorului integrat Hall Acest nou dispozitiv Hall, fabricat Tn tehnologia circuitelor integrate, are o structura de senzor

foarte avantajoasa pentru masurarea cu precizie a campuri lor magnet ice. Pentru fabricarea lui

am utilizat plachete de siliciu monocristal in de foarte buna calitate, cu orientarea

cristalograficS <100>. Dispozitivul a fost structurat astfel meat laturile sunt fie paralele, fie

perpendiculare pe marginea tesita a plachetei, curentul circuland astfel paralel cu suprafata

plachetei, de-a lungul directiei cristalografice <110>.

Emitter Bate HaB contact Hall contact Emmet Base E3

Fig. 3.13. Flux tehnologic de realizare a structurii senzorului Hall integrat

o Fotogravura Ml, deschidere ferestre de difuzie pentru strat ingropat §i difuzie strat ingropat

o Fotogravura M2 §i difuzie turnuri de izolare

° Epitaxie n* o Fotogravura M3 §i difuzie

baza Q Fotogravura M4, difuzie

emitori §i plusare contacte de colector §i placa Hall

o Fotogravura M6, deschidere ferestre pentru contacte metalice

o Metalizare o Fotogravura Ml, corodare

metal o Fotogravura M8,

deschidere ferestre paduri in oxidul de pasivare



Senzorul Hall a fost fabricat In tehnologie standard de circuite integrate, printr-un proces care

util izeaza opt rrtesti (figura 3.13). Rezistivitatea substratului este p = 7.5 Qcm (no * 1 0 1 5 cm ' 3 ) ,

orientarea cristalografica a siliciului este (100), iar grosimea plachetelor este de aproximativ

350 (.im. Structura Hall a fost realizata pe un strat epitaxial de tip n si este izolate de circuitele

auxil iare ale senzorului prin intermediul unei difuzii adanci de tip p. Concentratia de impuritati

din stratul epitaxial este de aproximativ 6 . 1 0 1 5 c m 3 , iar grosimea stratului12 |am. Influenta

tensiunii Hall si a efectului magnetorezistiv asupra nelinearitetii, ca urmare a efectului de

camp al jonctiuni i , a fost redusS prin realizarea intre electrozi, pe suprafata de tip p, a unor

insule de tip n. Pentru precizia masurSrii si el iminarea efectelor parazite. dispozitivul Hall este

incorporat Intr-un sistem unic ImpreunS cu elementele de circuit de amplif icare a semnalului si

de calibrare. In acest fel, offsetul, dependenta de temperature a sensibilitetii, zgomotul si

nelinearitatea sunt fie reduse chiar de la nivelul elementului Hall, fie sunt compensate la

nivelul sistemului.

£^4» "5

CS CJ _

7 c •J —

(a)

I ™ -8 & o

2 e E

-

8} IB ID Wj ffi ffi ZE 3?

LiKkictiii imyietka (mT)

(b)

>

likkictie linjaretica (mT)

Ic = 1mA lp= 0,8mA Voc = 5V

—1 • 2D 2

00 02 04 | 06 06 10 Qirentul de pufcuaw (itv\

(d)

Fig. 3.14.(a). Structura senzorului Hall integrat pe siliciu impreuna cu circuitul de polarizare, circuitul de calibrare §i de amplificare a semnalului de ie§ire

(b) . Variapa diferentei de curent de colector Alc in funcpe de inductia magnetica pentru senzorul din fig.(a). Sensibilitatea relativa este S = 3 (1/T)

(c) . Variatia tensiunii Hall VH in functie de inductia magnetics pentru senzorul din fig.(a).

(d) . Variatia tensiunii Hall VH in functie de curentul de polarizare a bazei



Structura senzorului si conditiile detaliate de polarizare au fost optimizate. in scopul obtinerii

unei sensibilitSti mari si variatiei mici a offsetului. Schema echivalentS a senzorului Hall din

figura 3.14 (a), este schrtatS in figura 3.15.

Fig. 3.15. Schema electronica echivalenta a senzorului Hall din figura 3.14.

3.3. Microsenzori de c a m p magnet ic 3 D Microsenzorul pe care il prezint In continuare consta din opt structuri senzit ive Hall, TmpSrtite

In trei grupe, f iecare masurand o directje a inductiei magnetice [58, 59, 60]. Componentele x

si y, paralele cu suprafata senzorului. se mSsoarS fiecare printr-o pereche de senzori Hall

verticali, localizati pe laturile opuse ale microsenzorului astfel: pentru directia x sunt asezati pe

latura stanga si, respectiv, latura dreaptS a structurii din figura 3.16, pentru directia y sunt

asezatj sus si, respectiv, jos. Componenta z a inductiei magnetice se mSsoarS prin patru

elemente Hall orizontale localizate Tn colturile structurii din figura 3.16. Elementele Hall ale

fiecSrei grupe sunt conectate Tn paralel. astfel meat semnalul lor de iesire combinat reprezinta

o interpolare la centrul senzorului. Din acest considerent. toate cele trei componente ale

vectorului inductie magnetica se mSsoarS Tn acelasi spot. Deoarece toate elementele Hall

sunt integrate pe aceeasi structura, dezalinieri le apar numai din procesul de fabr ica te si pot fi

considerate neglijabile. Fiecare dintre cele trei canale este conectat la circuite electronice de

polarizare si amplif icare. astfel meat cele trei semnale pot fi citite separat la iesire. Am realizat

microsistemul In tehnologia standard a circuitelor integrate bipolare pe plachete de siliciu de

tip p si orientare cristalografica (100) si l-am Incapsulat pe un suport de rSsinS epoxidica

pentru reducerea stresului indus de temperatura In zona activS a elementelor Hall. In final

elementele Hall sunt conectate prin fire de aur la pinii circuitului integrat (Fig. 3.17). Senzorul

are o suprafata totals de 9,5 m m 2 , iar suprafata activS este de 4 m m 2 .

In figura 3.18 am reprezentat sensibil itatea elementelor Hall verticale si orizontale ale

microsistemului 3D In functie de inductia magnet ics.



Fig. 3.16. Setul mastilor fotolitografice suprapuse ale microsenzorului integrat 3D. In stanga §i in dreapta se afIS perechea de elemente Hall verticale care mSsoarS componenta x a inductiei magnetice. Sus §ijos sunt localizate elementele Hall verticale care mSsoarS componenta y a campului magnetic, fn cele patru colturi se afla elementele Hall orizontale care masoara componenta z a inductiei magnetice. Toate masuratorile se fac fata de centrul structurii.

Fig. 3.17. Fotografia unui microsenzor de camp magnetic 3D dupi mulare §i lipirea firelor. Suprafata structurii active este 4 mm2

0.7 0,6 0,5 0,4 0.3 0.2 0.1

0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

Inductia magnetica (T)

•Elemente Hall orizontale -Elemente Hall verticale

Fig. 3.18. Sensibilitatea elementelor Hall verticale §i orizontale in functie de inductia magnetics



4. MAGNETOTRANZISTORI BIPOLARI Magnetotranzistori i bipolari sunt dispozitive bipolare active cu iesire in curent. In ciuda

diversitStii lor, orice magnetotranzistor are drept componenta esentialS o sursa de curent de

forma unei jonctiuni pn, care injecteazS purtatorii minoritari Tn regiunea bazei, si una sau mai

multe jonctiuni polarizate invers drept colectori, de pe care se culege semnalul de interes [66].

Cum magnetotranzistori i bipolari se fac pe substrat nemagnetic, siliciu Tn cazul nostru, campul

magnetic extern, B, influenteaza numai procesele cinetice Tn diverse regiuni ale tranzistorului

[67]. Ca rezultat. variatiile curentului de colector Tn prezenta campului magnetic dau indicatii

despre modulul si directia vectorului inductie magnet ics. Tipic pentru magnetotranzistori i

bipolari este ca inductia magnetica influenteaza atat deplasarea curentului prin structura, cat

si modularea lui. Ca rezultat, semnalul electric de iesire se modifies acordandu-se cu

intensitatea influentei. Mecanismul care dominS rSspunsul dispozitivului este modularea

injectiei emitorului, campul magnetic mSrind injectia Tn unele regiuni si micsorand-o Tn altele.

In concluzie, magnetotranzistori i bipolari sunt proiectati astfel meat curentul de colector sS fie

modelat de campul magnet ic [68]. In functie de geometria lor. magnetotranzistori i bipolari pot

detecta componenta vectorului camp magnetic paralelS cu planul structurii semiconductoare

sau perpendiculars pe aceasta. Cele mai multe dintre structurile de magnetotranzistori

bipolari sunt de tip dual-colector. In absenta campului magnetic operarea celor doi colectori

este simetricS, astfel meat ei vor indica curenti egali, l a = Ic2- In prezenta campului magnetic,

forta Lorentz creeazS o asimetrie Tn distributia de curent si potential, care se traduce Tntr-o

diferentS de curent de colector, Ale =lci - Ic2 Magnetotranzistori i bipolari se bazeazS pe douS

principii de operare: (1) deflectia Lorentz: forta Lorentz curbeazS traiectoria purtStorilor

minoritari spre unui din colectori, depSrtandu-i de celSlalt; (2) modularea injectiei emitorului:

inductia magnet ics actioneazS asupra purtStorilor majoritari care se deplaseazS Tn regiunea

bazei, dand nastere unui potential Hall, care moduleazS potentialul emitor-bazS. creind astfel

o asimetrie Tn injectia purtStorilor minoritari. In functie de directia de miscare a purtStorilor

minoritari Tn bazele magnetotranzistori lor Tn absenta campului magnetic, se numesc

magnetotranzistori bipolari laterali sau verticali [65. 66] .

4.1. Simularea magnetotranzistorilor cu strat ingropat compact O class de magnetotranzistori pe care am s imula t -o pe calculator (cu programele MEDICI si

SUPREM IV) este aceea cu strat Tngropat sub regiunea activS a structurii, la jonct iunea strat

epitaxial - substrat (figura 4.1). El determinS cresterea nivelului de recombinare a purtStorilor

minoritari Tn regiunea bazei, care determinS scSderea eficientei dispozit ivului. O dopare

puternicS n** a stratului Tngropat situat sub regiunea activS a structurii pentru cresterea

nivelului de recombinare Tn regiunea bazei determinS aparitia unui tranzistor vertical parazit



care reduce factorul de amplif icare in curent. El reduce de asemenea curentii activi ai

colectorului si tensiunea Hall, astfel meat sensibilitatea dispozitivului scade.

——rtt—1 ••«»' 1 1 'to' 1—Jtr——m

Fig. 4.3. Distribute vectorilor de curent in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig.4.4. Distribute potentialului electric in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)


Fig. 4.5. Distribute campului electric in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig. 4.6. Distribute curentului de conducte in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig.4.7. Mobilitatea electronilor conductie in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig. 4.8. Curentii celor dot colectori in functie de tensiunea Hall in prezenta unui camp magnetic de 30 mT . M v. IM



Din simulSrile fScute se observS urmStoarele aspecte: distributia de potential (figura 4.4) si

distributia campului electric (figura 4.5) se modifies substantial Tn prezenta campului

magnetic: distributia curentului de conductie este relativ uniforms Tn absenta campului

magnetic, dar odatS cu aplicarea campului magnetic, curentul de conductie se concentreazS

pe unui dintre cei doi colectori (figura 4.6), dupa cum era de asteptat, mobilitatea electronilor

nu este influentatS de campul magnetic (figura 4.7); diferenta curentilor de colector Tn

prezenta campului magnetic, si deci sensibilitatea acestui tip de magnetotranzistor (figura

4.8), nu este semnificativS, dar aceastS structure se integreaza foarte usor Tntr-un circuit

integrat.

4.2. Simularea magnetotranzistorului microprelucrat A doua class de magnetotranzistori de care m-am ocupat mult este aceea cu jonct,iunea

colector - substrat de sub regiunea activS a tranzistorului lateral E-B-C TndepSrtatS prin

corodare anizotropS umedS (figura 4.9). In acest fel, dispozitivul parazit practic dispare.

AceastS metodS reduce deci la zero influenta tranzistorului parazit E-B-S. Nivelul de

recombinare al purtStorilor minoritari este foarte mic, aceasta deoarece cea mai mare parte a

curentului de colector este captat de contacte si tensiunea Hall nu este afectatS.



Fig. 4.11. Distributia vectorilor de curent in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig. 4.12. Distributia potentialului electric in absenta campului magnetic (stanga) si in prezenta campului magnetic (dreapta)

62

Fig.4.14. Distributia curentului de conductie in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig. 4.15. Mobilitatea electronilor conductie in absenta campului magnetic (stanga) si in prezenta campului magnetic (dreapta)

In cazul magnetotranzistori lor microprelucrati se observa o modificare importanta a distributiei

de potential (figura 4.12) si a curentului de conductie in prezenta campului magnetic (figura

4.14), dar nu se observa nici o modificare a distributiei campului electric (figura 4.13) sau a

mobilitatii electronilor (figura 4.15).

Fig. 4.16. Curentii celor doi colectori in functie de tensiunea Hall in prezenta unui camp magnetic de 30 mT

1.19 • . < • f . CI 8.11 I . N

(lOlltlUi



Diferenta curenji lor de colector este mai mare la magnetotranzistorul microprelucrat fata de

eel cu strat Tngropat compact (figura 4.16). dar acesta are dezavantajul ca nu poate fi integrat.

In plus magnetotranzistorul microprelucrat prezinta o stabilitate termica mai buna si un

consum mic de putere.

4.3. Simularea magnetotranzistorului cu strat ingropat despicat A treia clasa de magnetotranzistori consta Tn conectarea tranzistorului parazit Tn paralel cu

structura de interes. care contribuie si la cresterea sensibilitatii dispozit ivului (figura 4.17).

Aceasta metoda foloseste caracteristicile electrice ale tranzistorului vertical pnp E-B-S prin

conectarea structurii parazite in paralel cu dispozitivul activ.

Fig.4.17. Magnetotranzistor cu o eficienta a emitorului mare si sensibilitate crescuta

Fig. 4 18 Distributia concentrate/ de impuritati in magnetotranzistorul microprelucrat (cu substratui indepartat pnntr-o corodare anizotropS a siliciului

Fig. 4.19. Distribute vectorilor de curent in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig. 4.20. Distributia potentelului electric in absenta campului magnetic si in prezenta campului

Autor Marioara Avram M

Tigif.21. Distributiacampului electric in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)

Fig.4.22. Distributia curentului de conductie in absenta campului magnetic (stanga) §i in prezenta campului magnetic (dreapta)



Diferenta curentilor celor doi colectori in prezenta campului magnetic este foarte mare Tn

cazul acestui tip de magnetotranzistor (figura 4.24), deci sensibilitatea lui este mult mai mare

decat a celorlalti doi pusi Tn discutie.

4.4. Modelarea magnetotranzistorilor bipolari Magnetotranzistori i bipolari ocupa un loc important Tn cadrul imensei varietati de

magnetosenzori . Ei combina efectul de tranzistor cu efectul Hall. Sensibil itatea dispozit ivului

se bazeaza pe doua fenomene cauzate de actiunea fortei Lorentz asupra purtatorilor de

sarcina: modularea injectiei curentului de emitor si deflectia purtatorilor minoritari Tn regiunea

bazei [68]. In functie de topologia concrete a dispozitivelor. predomina unui sau celalalt dintre

efecte. La unele dispozit ive ambele efecte joaca un rol semnificativ.

In cazul aplicarii unui camp magnetic de inductie B , densitatea curentului (J) face un unghi 8

cu intensitatea campului electric ( E ) . Deoarece golurile se deplaseaza Tn sensul campului , iar

electronii Tn sens invers, o fata a probei semiconductoare va acumula purtatori, Tn t imp ce

cealalta va fi saracita [66, 67]. Electronii vor face un unghi 9 n , iar golurile un unghi 9 P cu

directia vectorului E . Apare astfel un camp electric perpendicular pe forta Lorentz, campul Hall

( E H ), care depinde de semnul purtatorilor. E H continue s3 creasca pana cand forta Lorentz

este compensate de campul transversal. Dupa aceea, sarcinile se vor misca ca si cand ar

exista numai camp electric, iar campul magnetic ar fi inexistent.

EH =-R)xB = -RaEsB (4.1)

unde R este constanta Hall, care se determina usor daca consideram ca forta Lorentz este

compensate de campul Hall.

e E " + F = 0 (4.2)

F E = = - v x B = - / / E x B (4.3)

e unde u este mobilitatea purtatorilor.

Constanta Hall se defineste ca raportul dintre mobilitatea purtatorilor si conductivitatea probei

semiconductoare, fiind dependenta atat de sarcina, mobil itatea si concentratia purtatorilor, cat

si de mecanismul de Tmprastiere al purtatorilor.

\ cpp{x)\)

unde p p (x) este concentratia golurilor majori tare, curentul de electroni minoritari putand fi

neglijat.

v = - i - . E W = - ^ (4-5)

Pentru semiconductorul tip p, p p (x) poate fi bine aproximata cu N A , concentratia acceptori lor,

iar N 0 este concentratia donorilor si astfel,



£ W _ j xB £ „ = jxB J x B " ' eNA ' " " enn(x) eND

(4.6)

Condit ia neutralitatii sarcinii cere ca p p (x) • N A departe de jonctiune, si p p (x) = N A + n p ( x ) Tn

apropierea jonctiunii, unde n p ( x ) este concentratia electronilor minoritari Tn exces pe partea p

a jonctiunii, rezultati din injectia emitorului. Concentratia purtatorilor n p ( x ) scade cu departarea

de jonct iune, ceea ce Tnseamna ca intensitatea campului Hall. E H , creste.

La marginea regiunii de golire a sarcinii pe partea p a jonctiunii, rezulta

l ? ( 0 ) - ' X , t e v (4-8)

Expresia campului Hall pe partea n a jonctiunii este

= - J f r o <4-9> enn\x)

Este rezonabil sa presupunem ca Tn regiunea emitorului n*. n n (x) = N D . Rezulta astfel,

E f = i ^ (4.10) eND

Efectul celor doua campuri Hall induse la marginile regiunii de golire p si respectiv n este

cresterea potentialului jonctiunii pe partea dreapta si scaderea lui pe partea stanga, cum se

poate vedea si Tn figura 4.26. Partea dreapta (y = -w/2) are potentialul jonctiunii V dr = V 0 + <I>L 2

, iar partea stanga (y = w/2) are potentialul jonctiunii V s , = V 0 - <1>U2. unde V 0 este potentialul Tn

absenta campului magnetic. Presupunand campuri le Hall constante la marginile regiunii de

golire, independente de y, suma caderilor de potential de-a lungul unei curbe Inchise trebuie

sa fie nuia. Rezulta:

EJJ (0)- W- Vilr +E? ( - / ) • W + Vm =0 (4.11)

unde / este lungimea stratului de golire.

( 0 ) 4 - E M - / ) U (4.12;

Campul Hall la marginea regiunii de golire pe partea p, (x = 0), poate fi scrisa:

E " ( 0 ) = J ( U - V ) , X B (4.13) e(NA+np(0ty))

Densitatea de curent si concentratia purtatorilor minoritari variaza Tn directia y. In conditii de

nivel mic de injectie si neglijand curentul de drift, densitatea de curent poate fi scrisa sub

forma:



j{0,y)=-e D„np0+Dpp

Po L., L.

( eV(v) \

e tT - l (4.14)

Pentru o jonctiune n* - p. N D » N A , astfel Tncat,

n . =—'—» pu0 =——, iar j(0,y) poate fi aproximat cu

j(0,y)=-e D„np0 1 f eV{r)

e kT -1 (4.15)

Concentrat ia purtatorilor minoritari, densitatea de curent si respectiv campul Hall pe partea p

a jonctiunii pot fi exprimate ca:

e " - i . J<9,y)=-^np(0ty)

£- NA+np{Oty)

(4.16)

Trebuie observat ca la nivel mare de injectie, concentratia electronilor minoritari in exces la

marginea jonctiunii devine

,2 eVKy)" n pO

ft'

-2e{V(0)-Y{y)) e CT - l (4.17)

si densitatea de curent corespunzatoare (neglijand din nou driftul) este data de:

j(0,y)=—-

, 2 *vM \

PpO

D.n. n2 &

\-e e «• - l

Pentru cazul cand regiunea n* este mult mai puternic dopata decat regiunea p, se obtine

pO

*V (' )

e KT

-2e(V(0)-v(7W' (4.18)

l - e k t

iar densitatea de curent este

j(0>y)=-^i(09y)

j(0,y)=-e

D.n n pO

(4.19)

l - e " Aceste ultime trei ecuati i sunt valabile atat In conditii de nivel mic cat si nivel mare de injectie,

In comparat ie cu ecuatia



j(0,y)=-e L + L.

( eVjv)

e kT - l (4.14)

Pentru o jonctiune n* - p. N D » N A , astfel meat,

n ) =-Hi-» p =Jh—, iar j (0,y) poate fi aproximat cu

j(0,y)=-e D„np0

£ i v )

e kT - (4.15)

Concentrat ia purtatorilor minoritari, densitatea de curent si respectiv campul Hall pe partea p

a jonctiunii pot fi exprimate ca:

e kT - l j(0,yh-^np(0,y) (4.16)

Trebuie observat ca la nivel mare de injectie, concentratia electronilor minoritari Tn exces la

marginea jonctiunii devine

,2 eV(y)'

n

"X0,y)= P0

*by{v>\-v{y))

KT

( <Hy)

e KT - l (4.17)

si densitatea de curent corespunzatoare (negli jand din nou driftul) este data de:

. / ( 0 , v ) = -I.

«r(jr) "\

Pro

D.n. 2 <nr)

-2e(F(0M '(.v)'| e - l

\-e kT

Pentru cazul cand regiunea n* este mult mai puternic dopata decat regiunea p, se obtine

n »P(0,y)=

pO e k t

(4.18)

i-e KT

iar densitatea de curent este

my)=-^np(p9y)

)(p,y)=-e

D.n ( * o n

-2«(y(o)-y( .v)>

1 - e CT

(4.19)

Aceste ultime trei ecuatii sunt valabile atat Tn conditii de nivel mic cat si nivel mare de injectie,

Tn comparat ie cu ecuatia



L . NA+n,(0,y)

valabila Tn toate conditiile de injectie, atata timp cat componentele curentului de drift ale bazei

se neglijeazS. Cu atat mai mult, aceasta ultima ecuatie poate fi independents de y numai

pentru nivele extrem de mari de injectie (de exemplu. n p ' ( 0 , y ) » N A ) , iar Tn conditii de nivel mic

sau moderat de injectie, campul Hall E P H poate fi considerat constant.

In aceleasi conditi i, campul Hall pe partea n a jonctiunii este:

£ ? ( - / ) = J(0^v)xB J ( 0 j ' ) x B ( 4 2 1 )

ciN.+pA-Ly)) e N o

mcirimea sa putand fi scrisa sub forma:

unde p n ( - l ,y )<<N D . Deoarece N D » N A se poate scrie potentialul electric sub forma:

1 1 D w JO, v]Bw WK-Z-—p—-, (4.23)

L " ^ ,+/7(0,v)

Inainte de a trece la analiza problemei, trebuie s3 luam Tn consideratie efectul contactului de

metal asupra potentialului Hall langa contact. Contactul are efectul de a micsora campul Hall

Tn vecinatatea sa [68].

4.4.1. Modularea injectiei emitorului In cazul magnetotranzistorului, mecanismul care doming raspunsul dispozitivului este

modulatia injectiei emitorului, campul magnetic marind injectia Tn unele regiuni sj reducand-o

Tn altele [85, 66]. Efectul Hall genereazS doua fenomene care conduc la modulatia injectiei

emitorului, si anume: efectul campului magnetic asupra purtatorilor minoritari Tn baza injectati

de catre emitor, ceea ce duce la modificSri ale potentialului pe ambele parti ale jonctiunii

emitor - baza (Fig.4.25 - 4.26) si efectul campului magnetic asupra purtatorilor majoritari ce

curg prin baza, ducand la modificarea distributitlor de camp si potential pe suprafata bazei

(Fig. 4.27 - 4.29). Consideram tranzistorul bipolar lateral cu o baza, un emitor si doi colectori.

Structura are grosimea H, lungimea L si latimea W. Campul magnetic se aplica perpendicular

pe suprafata structurii. In prezenta campului magnetic, cei doi colectori vor primi curenti

diferiti, atat datorita efectului de modulare al injectiei emitorului, prin efect Hall de-a lungul

jonctiunii , cat si datorita curbarii traiectoriei purtatorilor de sarcina.



rr

Fig.4.25 Jonctiunea emitor - baza

p

zzzzzf 'I ® 3

WZZZZZZZZZZZA

Fig. 4.26. Configurate magnetotranzistor cu doi colectori

j ZL = _C2KT lC2 = l0e " =2e2KT

(4.24)

unde VJO este potentialul de al imentare directa a contactului de baza, O L este potentialul Hall

total de-a lungul jonctiunii care moduleaza injectia emitorului, I este intensitatea curentului

total, iar In scurgerea de curent. Dimensiunile W si H care apar in text reprezinta aria de

injectie a emitorului. Se poate presupune ca potentialul colectorului 1 , eel care se presupune

a primi un curent mai mare In prezenta campului magnetic, este = V ) 0 + c i ) u 2 pentru -

W / 2 < y < 0 , iar potentialul celuilalt colector V 2 = V J 0 - <I>u2 pentru 0<y< W / 2 . Diferenta de curent

intre cei doi colectori este:

ed> i - e4> i

I\ 12 = A / = / I' 2 KT - C 2 KT = / sinh

2 A T

(4.25)

Expresia eficientei este atunci:

A / . . e0> i n = —— = sinh —

I 2KT

(4.26)

Pentru cazul unui tranzistor bipolar n + -p-n, densitatea de curent J(0,y) poate fi modificatS

t inand seama de dimensiunea finita a bazei, W B .

e KT - l (4-27)

Prin dezvoltarea in serie MacLaurin a cotangentei hiperbolice, se obtine

ctnh W W 3 L

_WJ_ 45 L;

(4.28)



din care, se retine doar primul termen, rezulta:

" - 1 j ( 0 , y ) * - e D » n " IV,

(4.29)

iar expresia corespunzStoare pentru potentialul <1>L pentru tranzistorul bipolar n*-p-n devine:

np(0)B

NA+np(0)

iar eficienta sa:

7 = ^ « s i n h ^ / wfl

(4.30)

1 + n p(0

(4.31;

unde D n poate fi Tnlocuit prin expresia (KT7q)n n.

DacS presupunem ca IStimea stratului de golire este [71]

, m ^(v -V) ^

unde V 0 este potentialul jonctiunii: pentru o jonctiune n + -p ( N D » N A ) , se poate scrie

1 \2e_

Se observS cS l p scade cu cresterea lui N A .

In conditi i de nivel mic de injectie, N A » n p ( 0 ) eficienta va fi egala cu:

(4.32)

(4.33)

AI . 2/u„Bnp{i)llii+Dn) . n = — * sinh « sinh

/ W.N.

-2B(ly+l)n\j{i))

KTN (4.34)

Pentru o densitate de curent fixatS, eficienta scade in t imp ce N A creste. In conditii de nivel

mare de injectie, n p ( 0 ) » N A , eficienta va fi:

(4.35) /

ceea ce sugereazS ca la nivel mare de injectie eficienta este independents de curent. Faptul

cS mobil itatea scade cu cresterea concentratiei de dopare a bazei, aratS de asemenea cS

eficienta creste cu scSderea concentratiei acceptorilor, N A . DacS t inem seama de faptul cS

mobil itatea purtatorilor minoritari (electroni) u n in baza pentru structura n T-p este mai mare

decat mobil itatea purtStorilor minoritari (goluri) in bazS pentru structura p*-n, eficienta

dispozit ivului n*-p-n ar trebui sS fie mai mare In comparatie cu structura p*-n-p pentru

operarea la nivel mare de injectie. Este important de identificat exact mecanismul dominant al

sensibilitStii magnet ice la un anumit dispozitiv, pentru a-i putea creste eficienta



transconductiei si a-i opt imiza parametri i operationali . DupS cum s-a observat si mai sus atat

Tn cazul simularii cat si eel al modelSrii teoretice, aplicarea unui camp magnetic are ca efect

modif icarea distributiei de camp si potential (Fig. 4.27).

04 dp

Fig.4.27. Liniile de camp §i suprafetele echipotentiate intr-un semiconductor de tip n, aflat sub influenta campului magnetic perpendicular pe suprafata semiconductorului

ft

^ \ij ill &

Fig. 4.28. Efectul de modulare al injectiei emitorului prin efect Hall in baza, campul magnetic fiind perpendicular pe suprafata semiconductorului

DacS baza este polarizata prin douS contacte Bi si B2, atunci emitorii magnetotranzistorului

din figura 4.28 se vor afla la potentiale diferite, date de campul electric transversal. DacS d

este distanta dintre cei doi emitori , I distanta dintre cele douS contacte B1 si B 2 , iar 2

diferenta de potential dintre cele doua contacte de baza, atunci diferenta de potential dintre

cei doi emitori va fi data de:

K2 UH = EHd = —j-fAn Bd

(4.36)

fiind direct proport ionals cu cSderea de tensiune pe bazS, cu mobilitatea purtStorilor majoritari

din bazS, cu distanta dintre cei doi emitori si cu inductia magnet ics.

DacS cei doi emitori sunt polarizati de o sursS de curent ce injecteazS curentul l 0 :

! =i± = e 2kT

1 ILJL I =l± = e2kT

• 2

(4.37)

iar sensibil itatea dispozitivului va fi datS de:

AI I,-L . .( qVl2

I — — — = sinh

L 2kT-l (4.38)



asemSnStoare expresiei (4.35).

Ca si Tn cazul de mai sus, acest dispozitiv prezintS o bunS liniaritate si se pot face

urmStoarele observati i :

1. De aceasta data sensibilitatea este controlata de mobilitatea purtatorilor majoritari Tn

bazS, si nu de cea a purtStorilor minoritari injectati.

2. Sensibil i tatea poate fi modificatS cu ajutorul diferentei de potential aplicatS Tntre cele

doua contacte de bazS.

3. Dispozitivul analizat este sensibil la cSmpuri magnetice perpendiculare pe suprafata

semiconductorului. In figura. 4.29 se prezintS un magnetotranzistor analog pentru

campuri magnetice paralele cu suprafata semiconductorului.

4. RSspunsul Tn frecventa al magnetotranzistori lor care se bazeaza pe efectul modulatiei

injectiei emitorului depinde de viteza cu care se instaleaza campul Hall si este invers

proportional cu dimensiunea transversals a dispozitivului. Deoarece sensibilitatea este

direct proportionals cu d, produsul dintre sensibil itate si banda de raspuns Tn frecventS

este aproximativ constant, frecventa maximS la care dispozitivul rSspunde scSzand

odatS cu cresterea sensibilitStji. Acest neajuns poate fi eliminat cu ajutorul configuratiei

de magnetotranzistor din figura 4.30. In acest caz, norul purtStorilor minoritari injectati

Tn bazS de cStre emitorul, numit f i lament, se Tmparte Tntre cei doi colectori.

Fig. 4.29. Cofiguratie dual a de magnetotranzistor care se bazeazS pe modulatia injectiei emitorului indusi de efectul Hall in baza, campul magnetic fiind paralel cu suprafata semiconductorului

8 Ot tyf= ltd3 Fig.4.30. Configurape de magnetotranzistor cu colector dual care se bazeaza pe efectul de rotatie a norului de purtatori minoritari injectati in baza. Campul magnetic este perpendicular pe suprafata seminnnductorului

Aplicarea unui camp magnetic duce la rotatia f i lamentului cu un unghi a cSrui tangents este:

(4.39)



rezultand o TmpSrtire diferita a curentului intre cei doi colectori. Sensibil i tatea acestui

dispozitiv este aproximatS de formula:

2q> 2u-B — = — (4.40) ¥ ¥

unde v i ' reprezintS unghiul solid al norului electronic.

In cazul unui gradient mare de potential in bazS, se pot realiza unghiuri *¥ mici , de cateva

grade, si deci o sensibilitate relativ buna.

4.4.2. Modularea grosimii bazei (efect Early)

Grosimea bazei este dependenta de tensiunile aplicate prin modif icarea IStimii regiunilor de

sarcina spatiala a celor doua jonctiuni. Efectul de modulare a grosimii bazei este, deci,

bilateral si se studiazS in doua situatii [69]:

1. Modificarea grosimii bazei datorita tensiunii VBC, pentru VBE = constant, cunoscutS

sub numele de efect Early si

2. Modif icarea grosimii bazei datorita tensiunii V B E . pentru V B c = constant, cunoscuta

sub numele de efect Late.

Modelul presupune o dependents liniarS a curentului de colector, l c , de tensiunea colector -

emitor, V C E , iar extrapolSrile caracteristicilor se considers convergente Tntr-un punct (-V A ) pe

axa tensiunii . Aceste aproximSri au la bazS o dependents liniarS a grosimii bazei de tensiunea

aplicatS jonctiunii colector - bazS, W(V B c )

W ( V B C ) = W ( 0 ) ( 1 + V B C / V A ) (4.41)

unde W(0) este grosimea bazei la V B C = 0. limita de separare dintre regimul de saturatie si

regimul activ normal, iar V A este un parametru de model numit tensiunea Early, cu valori

u z u a l e d e 4 0 - 50V.

In cazul magnetotranzistorului microprelucrat, baza este reprezentatS de stratul epitaxial, de

sub care se corodeazS anizotrop substratul de siliciu. O problems importantS Tn procesul de

fabricare este controlul adancimii de corodare, care este deosebit de dificil. O blocare

insuficientS a corodSrii poate duce la o subtiere a stratului epitaxial. Influenta subtieri i stratului

epitaxial asupra performantelor magnetotranzistorului se poate vedea Tn tabelul de mai jos,

pentru magnetotranzistorul microprelucrat Tn comparat ie cu magnetotranzistorul cu

suprimarea injectjei laterale (SSIMT).

Magnetotranzistorul lateral SSIMT

Grosime strat epi (^m) 10,4 8,4 104

lc(mA) 4,28 2,98 1,11

Is(mA) 0.35 0,27 7.30

N, 12,1 19,1 0,15

S a (mAT 1 ) 2,22 3,28 0,98

s, m C 27 0,55 0,44

Autor Marioara Avram "4


Valorile din tabel sunt calculate pentru un curent de bazS l B = 5mA si o tensiune colector -

emitor VCE • -5V.

Nr=!f- (4.42) s

este raportul semnal - zgomot, l c , Is si l B sunt curentii de colector, substrat si respectiv baza.

AlC (4.43) Sa =

l->

r

reprezinta sensibilitatea absolute, iar

\ — £ - (4.44) 2 / c

sensibil itatea relativa a senzorului la prezenta campului magnetic.

Din tabelul de mai sus, se observe influenta semnificativa a grosimii bazei asupra raspunsului

senzorului, cu o crestere considerabite a sensibilitetii magnetice pentru straturi epitaxiate

subtiri. Micsorarea dimensiunilor verticale ale bazei, astfel Incat adancimea bazei sS fie mai

micS decat lungimea de difuzie a purtetorilor minoritari, este o conditie imperios necesara

pentru obtinerea unui dispozitiv sensibil la prezenta campului magnetic. Plasarea unui

obstacol geometric in calea purtatorilor minoritari injectati de emitor faciliteaza despicarea

fluxului purtatorilor in componente separate: stanga, dreapta si, posibil, central.

4.4.3. Influenta recombinarii de suprafata Un alt efect important care apare la indepartarea substratului este puternica recombinare de

suprafata care apare pe partea corodata a stratului epitaxial; datorite calitatii proaste a

suprafetei, t impul de viata al purtatorilor scade drastic [70]. Astfel, lungimea de difuzie a

purtetorilor minoritari in bazS scade de asemenea, rezultand un c§stig in curent mic al

tranzistorilor laterali si implicit o degradare a caracteristicilor de iesire. Am analizat efectul

recombinari i de suprafata asupra comporteri i dispozitivului prin repetarea simuterilor

structurilor de magnetotranzistori microprelucrati cu diverse viteze de recombinare, variind

intre 1 0 - 1 0 4 cm/s. Valorile acestora depind puternic de procesul tehnologic. Pentru o

suprafata de foarte buna calitate vitezele de recombinare sunt: v n «v D = 10cm/s. in timp ce

pentru suprafetele rugoase, cu densitate mare de defecte, valorile tipice ale vitezelor de

recombinare sunt de ordinul v n « v p = 10 4 -10 5 cm/s. Pentru viteze de recombinare v n * v p >

10 5 cm/s, datorite saturarii, efectele recombinari i de suprafata determina caracteristici

asimptotice ale dispozitivului. Curentii de colector si de substrat scad cu cresterea vitezei de

recombinare. Vitezele superficiale de recombinare mai mici de 100 cm/s nu au influente

perceptibi le asupra castigului in curent.



4.4. Magnetotranzistorii bipolari vertical!

Fig.4.31. Magnetotranzistor bipolar vertical dublu colector cu stratul ingropat despicat

In figura 4.32 se arata un exemplu de structura de

magnetotranzistor bipolar vertical realizat Tn

B tehnologia circuitelor integrate bipolare Tn

laboratorul nostru si care constS din doi tranzistori n-p-n cuplati printr-un emitor comun si o

baza comunS, iar Tn figura 4.31 se arata o sectiune transversals printr-o structura de

magnetotranzistor bipolar vertical. Inductia magnetica B trebuie sa fie perpendiculars pe

curentul purtStorilor minoritari, si deci paralelS cu planul structurii. Purtatorii minoritari sunt

injectati din regiunea puternic dopatS a emitorului. tree prin regiunea mai putin adancS a bazei

si ajung la colectorul reprezentat de stratul epitaxial care este putin dopat, unde ei devin

purtatori majoritari. Aici , curentul se despicS Tn douS parti, f iecare ajungand la unui din cele

douS straturi Tngropate. In absenta campului magnetic si la o simetrie perfects a dispozit ivului,

cele douS parti primesc acelasi curent, l C i = Ic2 = W2, unde l c o este curentul total de colector

Tn absenta inductiei magnet ice.

Fig. 4.32. Fotografia structurii magnetotranzistoului bipolar vertical realizat in tehnologie bipolara

Forta Lorentz curbeazS traiectoria purtStorilor * | - % >jm

injectati Tn bazS si implicit Tn stratul epitaxial,

determinand o diferentS a curentului de colector A\ = lei - 'c2- DatoritS drumului scurt Tn

regiunea bazei, avem de-a face Tn principal cu deflectia purtStorilor majoritari Tn stratul

epitaxial. Diferenta dintre curentii de colector Tn prezenta campului magnetic este [72]:

Ale = G u n ( L / W E ) l C 0 B , (4.45)

unde L este distanta emitor-colector, W E IStimea emitorului , iar G este un factor geometr ic,

care este aproximativ unitar Tn conditiile Tn care L « W E .

Sensibil i tatea relativS a magnetotranzistorului bipolar se defineste ca



S = |AloflcoB|,

sau prin inlocuirea relatiei 4.45 Tn relatia 4.46 se obtine

S = G M L / W E )

(4.46)

(4.47)

4.5. Magnetotranzistori bipolari laterali In figura 4.33 se arata un exemplu de structura de magnetotranzistor bipolar lateral p-n-p.

dublu colector, realizat Tn tehnologia circuitelor integrate si care este caracterizat printr-o

regiune a bazei mare unde purtatorii minoritari curg lateral de la emitor la colectori. In contrast

cu magnetotranzistorul bipolar vertical, aici apare Tn principal deflectia purtatorilor minoritari Tn

regiunea bazei. Emitorul si cei doi colectori sunt Tnglobati Tn stratul epitaxial, care serveste ca

regiune a bazei. Cele douS contacte de bazS n* se folosesc pentru a produce un camp de

accelerare de-a lungul regiunii bazei. Datorita potentialului de accelerare, cea mai mare parte

a purtatorilor minoritari injectati Tn emitor sunt directionati spre cei doi colectori si numai o

micS parte se scurge Tn substrat. Acest dispozitiv este sensibil la campuri magnetice

perpendiculare pe suprafata structurii dispozitivului.

Fig. 4.33. Fotografia structuii unuia dintre primii magnetotranziston bipolari laterali pe care i-am realizat dupa un protect original.

si'BS SUBS

Fig.4.34. Sectiune transversals printr-un magnetotranzistor bipolar cu suprimarea injectiei laterale(SSIMT)

Un model rafinat de magnetotranzistor

bipolar lateral este eel a carei sectiune transversala, asa cum este el proiectat Tn tehnologie

bipolara [76], este aratat Tn figura 4.34. Doi tranzistori p-n-p Impart acelasi emitor si aceeasi

baza\a bazei este definita de stratul epitaxial. Un inel de garda puternic dopat n*

Tnconjura emitorul pentru a preveni injectia laterala a purtatorilor minoritari din emitor Tn baza.

Acesta face ca dispozitivul sS fie mult mai sensibil la prezenta campului magnetic paralel cu



suprafata cipului si perpendicular pe planul desenului . Prin al imentarea inversS a jonctiunii

emitor-inel de gardS, injectia purtatorilor poate fi concentrata in centrul jonctiunii emitor-bazS.

Simultan se formeaza un camp de accelerare intre inelul de gardS si contactele de baza.

Toate aceste efecte mSresc rSspunsul la prezenta campului magnetic. In termeni de deflectie

Lorentz. explicarea intuitive a operSrii acestui tip de dispozitiv este urmStoarea: purtatorii

minoritari sunt injectati de emitor in regiunea bazei. Aici, curentul se despicS in trei pSrti. In

absenta campului magnetic, cantitSti egale de purtatori minoritari ajung la cei doi colectori, a

treia parte fiind colectatS de substrat, care act ioneaza ca un colector aditional. In prezenta

campului magnetic, are loc o dubIS deflectie. dupS cum urmeazS.

1. Curentul de substrat este deflectat de forta Lorentz, si. in functie de sensul campului

magnetic, el se adunS la curentul colectorului din stanga sau din dreapta.

2. Scurgeri le laterale ale curentilor de colector sunt deflectate spre substrat sau spre colector

Ambele tipuri de deflectie coopereazS la mSrirea sensibilitStii in prezenta campului magnetic,

care poate ajunge mai mare de 2 mA/T pentru structuri de magnetotranzistori bipolari laterali

pnp.

Toate structurile de magnetotranzistori bipolari laterali conduc la aceeasi curenti de baza

mari , de cativa mA, castigul lor In curent fiind foarte mic, p « 1, din trei motive:

1. Latimea efectivS a bazei fiind destul de mare, ea depSseste lungimea de difuzie a

purtatorilor minoritari si astfel mai putini purtatori ajung la colector.

2. Substratul actioneaza ca un colector adit ional. Dimensiunea verticals a

magnetotranzistorului bipolar lateral este definit de grosimea regiunii bazei, care este

mult mai micS decat extensia lui laterals. Astfel, un tranzistor vertical este mult mai

eficient decat unui lateral.

3 . In cazul magnetotranzistorului bipolar lateral cu suprimarea injectiei laterale, de tipul

celui arStat In figura 4 . 3 4 , inelul de gardS puternic dopat din jurul emitorului reduce

eficienta emitorului, si in consecintS castigul in curent.

Pentru magnetotranzistori i bipolari laterali de sensibil itate mare si In particular pentru

magnetotranzistori i bipolari cu suprimarea injectiei laterale devine inutilS relatia ( 4 . 4 7 ) pentru

determinarea sensibilitStii, deoarece ea neglijeazS curentul de substrat care are o contributie

importantS la mSrirea diferentei curentilor de colector, A l c , care apare In prezenta campului

magnetic, si deci are o contributie importantS la mSrirea sensibilitStii acestui tip de

magnetotranzistor [ 7 4 ] . Pentru aceste tipuri de dispozit ive relatia de calcul a sensibilitStii este

urmStoarea:

S T = | - 1 | 5 I C / < B | B = O ( 4 . 4 8 )

unde I = l E - l B = lc + Is este curentul total de al imentare al magnetotranzistorului . Relatia

( 4 . 4 8 ) se poate folosi pentru calculul sensibilitStii magnetotranzistorului bipolar vertical din

Autor Marioara Avram 7S


f igura 4.34, care are castigul Tn curent p » 1 si curentul de substrat, Is, neglijabil, astfel meat

lc «: l E . Relatia (4.41) este preferabila pentru magnetotranzistori i bipolari laterali cu si S T

« S . In termeni de S T . valorile sensibilitatilor magnetotranzistori lor bipolari laterali si verticali

sunt de acelasi ordin de marime. Influenta curentului de substrat va fi discutata Tn continuare.

Au fost investigate diverse metode de reducere a curentului de substrat pentru

magnetotranzistori i bipolari cu suprimarea injectiei laterale (fig.4.34). In tehnologia bipolara a

circuitelor integrate se poate folosi stratul Tngropat pentru a suprima tranzistorul vertical care

apare Tntre emitor, baza si substrat. Aceasta structure maYeste raportul dintre curentul de

colector si eel de substrat cu mai mult de un ordin de marime. Sensibil itatea, totusi, scade cu

un ordin de marime, datorita doparii puternice a stratului Tngropat, dar acesta determine o cale

de rezistenta scazuta Tn regiunea bazei, reducand caderea de potential s i , deci , deflectia

curentului. O alta posibilitate este scurtarea latimii bazei laterale, cu cresterea curentului de

colector pe seama curentului de substrat. Intr-adevSr, castigul Tn curent si curentul de colector

este invers proportional cu patratul IStimii bazei, dar sensibilitatea scade liniar cu scaderea

dimensiuni lor laterale. Optimizarea amandoura, Tn vederea obtinerii simultane a unei

sensibilitati mari si a unui curent de substrat mic, pare inutila. Mai mult, prin micsorarea

dispozit ivului folosind un minim de reguli de proiectare. se poate pastra o sensibilitate

rezonabila atata timp cat creste raportul lc/l.s- O alta metoda de a elimina prezenta

tranzistorului vertical care apare Intre emitor, baza si substrat este introducerea unui strat

Tngropat izolator de S i 0 2 .

4.6. Proiectarea magnetotranzistorilor bipolari Senzorul magnetic bipolar pentru camp paralel cu suprafata al carui layout este prezentat in

figura 4.35 este proiectat Tn tehnologie bipolara standard. Se compune dintr-o pereche de

tranzistoare npn verticale identice orientate antisimetric a Cciror baze sunt realizate din cate

douS difuzii de adancimi diferite. Fiecare din cele doua tranzistoare este compus practic din

cate doua structuri conectate Tn paralel. Unica diferenta dintre ele constS Tn grosimea si

concentratia de impuritati din interiorul bazei. Diferenta de latime a bazei determine o

diferenta de factor de amplif icare. In conditii de echil ibru, la polarizare identica (emitorul la

potential pozitiv - V+, generator de curent Tn baza - IB. si colectorul la masa), tranzistoarele

fiind identice se comporta la fel, diferenta de curent de colector fiind teoretic nuia. La aparitia

unui camp magnetic - B - paralel cu suprafata si perpendicular pe axa longitudinala a

structurii are loc o interactiune Tntre acesta si campul electric generat de polarizarea colector

- emitor VCE = V+. Rezultatul acestei interactii este un camp electric perpendicular pe planul

celorlalte doua, paralel cu axa longitudinala a structurii. Baza, fiind polarizata prin generator

de curent, are un potential flotant dictat de potentialul fix al emitorului si de tensiunea de

deschidere a jonctiunii emitor - baza. Deoarece contactul pe baza este prevSzut numai Tn

Autor Marioara Avram 7 9


centrul structurii, datorita efectului rezistiv al stratului pe de o parte si campului Hall pe de alta

parte, se produce un gradient de potential Tn baza, Tn lungul dispozit ivului. Campul Hall

afecteaza diferit cele doua jurrteteti ale structurii Tn sensul ca pentru o jumatate favorizeaza

deschiderea supl imentara a jonctiunii emitor - baza, Tn timp ce pentru cealalta jumatate

favorizeaza blocarea ei. Acest gradient de potential genereazS potentialul flotant al bazei si

este fixat doar Tn centrul structurii.

Proiectarea magnetotranzistori lor bipolari cu doua baze s-a facut cu respectarea regulilor de

proiectare pentru circuite integrate bipolare adaptate procesului tehnologic standard de

realizare a circuitelor integrate cu tranzistoare dublu baza. Acest proiect este realizat prin

optimizarea proiectelor magnetotranzistori lor bipolari prezentati mai sus. Acesta este un

proces care utilizeazS 8 rrtesti, avand urmatoarele denumiri si coduri Tn etapele succesive ale

procesului de fotogravura: Masca M 1 , strat Tngropat, cod SI ; Masca M2, turn de izolare, cod

IZ; Masca M3, baza groasa\d BH; Masca M4, baza subtire, cod BL; Masca M5, emitor, cod

EM: Masca M6, contacte, cod CT; Masca M7, metal izare, cod ME; Masca M8, pasivare, cod

OP.

Ca o condit ie de ordin general , s-a avut Tn primul rand Tn vedere asigurarea garzilor Tntre

ferestrele de difuzie pentru baza, si ferestrele de difuzie pentru emitor si de plusare pentru

contactul de colector. Astfel, distanta minima Tntre difuzia de baz£ si cea de emitor este de 4

pm, Tntre difuzia de baza si cea de plusare pentru contactul de colector de 18 pm, iar Tntre

fereastra de emitor si cea de colector pe masca de difuzie a emitorului de 26 pm. Aceste

valori ale garzilor asigura obtinerea tensiunilor de lucru colector-baza\r si

emitor bazS Tn limitele necesare si impuse de foaia de catalog si asigura prevenirea

strapungeri i jonctiunilor la valori mici ale tensiunilor de al imentare. Pentru minimizarea

efectelor parazite. zona activa a senzorului. amplasata Tn zona centraia, este strict delimitate

si izolate de restul cipului prin intermediul unui zid izolare de tip p. Acesta este realizat printr-o

difuzie adanca. de concent ra te foarte mare, astfel meat patrunde Tn Tntregime stratul epitaxial

pana la substrat si formeaza de jur Tmprejurul structurii active o jonct iune p-n invers polarizata

si o izoleaza de celelalte elemente de pe cip. Turnuri de izolare sunt prevazute de asemenea,

Tn jurul fiecarui pad, pentru eliminarea cuplajelor capacit ive Tntre terminale si fate de substrat.

Latimea turnurilor de izolare este de 10 pm. Proiectul prevede de asemenea, accesul la

substrat prin intermediul padului de contactare a substratului, amplasat Tn partea dreapte a

structurii. Dimensiuni le cipului sunt de 1520 x 1020 p m 2 , structura fiind proiectata Tntr-o

conf igurate simetrica, avand zona activa cu dimensiuni le de 564/288 urn amplasata Tn centru,

iar paduri le de al imentare, iesire si testare amplasate perfect simetrie Tn zona perifericei a

cipului. Pentru definirea zonei intercip, Tn conformitate cu specificul procesului de fotogravura

pentru f iecare etapa tehnologica, au fost configurate cadre pe rrtestile: M3 (difuzie baza

groasa), M4 (difuzie baza subtire), M5 (difuzie emitor), M6 (deschidere ferestre pentru

Autor Marioara Avram SO


contacte) si M8 (deschidere ferestre Tn oxidul de pasivare, pentru contactele de paduri).

Masca M1 (deschidere ferestre de difuzie a stratului Tngropat) nu are figurat cadru si de

asemenea, nu au cadru nici masti le M2 (difuzie de izolare) si M7 (metalizare), care, datorita

particularitatilor procesului de mascare din aceste etape ale procesului tehnologic, sunt

realizate Tn polaritate negative! fata de celelalte masti.

Fig. 4.35. Setul m&stilor suprapuse ale structurii diferentiale cu tranzistor n-p-n vertical cu doua baze

I

1 \

I

1

• i . i . u . « u i . A i 4 i r a r M F *« u.

*«

m

Ic = 1mA

lb = 0.8mA

Vce = 5V

lixkictie nnyietica (mT)

Ic= 1mA lb = 0,8mA Vce = 5V

100 150 200 Induct ie iragnetica (mT)

Fig. 4.36. (a). Structunle a doi magnetotranzistori bipolari laterali (unui in partea de sus §i altul in partea de jos) realizati. (b) Variatia diferentei de curent de colector Alc in functie de inductia magnetica pentru magnetotranzistorul din partea supenoara a figuni (a). Sensibilitatea relativa este S = 0.11 (1/T) . (c) Variatia diferentei de curent de colector Alc in functie de inductia magnetica pentru magnetotranzistorul din partea inferioara' a figurii (a). Sensibilitatea relativa este S = 0.15 (1/T)

Autor Marioara Avram s i


Schema de ansamblu a layout-ului senzorului a fost gandita Tn sistem modular, astfel ca

pentru elementele componente similare Tntre ele, au fost proiectate layout-uri Tnregistrate Tn

celule distincte care au fost Tn final utilizate la realizarea layout-ului general prin asamblarea

lor. In figura 4.36 se poate vedea o fotografie a structurii magnetotranzistorului realizat si

sensibil i tatea lui Tn functie de inductia magnet ica.

4.7. Tehnologie de realizare a magnetotranzistorilor bipolari n-p-n cu doua baze

Senzorul de camp magnet ic cu structure integrate de tranzistor n-p-n se real izeaza pe

plachete de siliciu tip p, cu orientare cristalografica (100), iar fluxul tehnologie de realizare al

senzorului se bazeaza pe tehnologia bipolara pentru circuitele integrate. Initial, pe substratul

de siliciu se creste un strat gros de bioxid de siliciu Tn care, dupa fotogravare, se realizeaza

stratul Tngropat prin difuzie de stibiu. Dupa dezoxidarea totals, placheta de siliciu se

epitaxiaza si apoi. dupa oxidare termica si fotogravura, se realizeaza turnurile de izolare. In

fazele urmatoare ale procesului, se real izeaza bazele si emitorul prin difuzie de bor si

respectiv de fosfor, dupa care se realizeaza contactele pentru paduri si traseele de metal izare

ale interconexiunilor pe cip. iar Tn final, pe Tntreaga plachete se creste un strat gros de oxid

pirolitic pentru pasivarea structuri i. Instructiunile tehnologice contin urmatoarele elemente

caracteristice: Se folosesc plachete de siliciu de rezistivitate 8 - 1 2 Qcm dopate cu bor, care

se oxideaza Tn atmosfera de 0 2 + vapori H 2 0 (XoX • 1,1 pm) Tn vederea realizarii stratului

Tngropat. Prin tehnica fotolitografica se deschid ferestre Tn oxid cu ajutorul mastii M1(SI). In

aceste ferestre se difuzeaza stratul Tngropat prin tehnica oxizilor dopati Tn dou£ etape -

predifuzie Tn amestec 2 0 % O 2 Tn N 2 , difuzie Tn amestec 5% 0 2 Tn N 2 - pana la o adancime de 9

- 10pm si rezistivitate 9 - 11 Qcm ( C s = 10 1 9 cm" 3 ) . In oxidul de strat Tngropat se deschid

ferestrele pentru predifuzia de izolare (masca M2). Predifuzia de bor se real izeaza astfel meat

sa se obtina o rezistivitate de 1,5 Qcm. Plachetele se dezoxideaza si se creste un strat

epitaxial de tip n de grosime 18 - 20 pm si rezistivitate de 20 - 25 Qcm. Se oxideaza la T =

1050°C (XoX = 1100nm) Tn vederea realizarii oxidului de mascare pentru etapa a doua a

realizarii zidului de izolare. Cu ajutorul masti i M2 se redeschid ferestrele pentru difuzia de

izolare a insulelor de componente. Se execute o noua predifuzie de bor cu parametri i mai sus

mentionati . Se realizeaza apoi difuzia de bor simultana a celor doua zone predifuzate anterior

Tn doua etape, prima pana la o adancime de aproximativ 8 pm, cea de a doua coincizand cu

difuzia de baza. Rezistivitatea finala a stratului de bor se est imeaza la 8-10 Qcm. Plachetele

se dezoxideaza si reoxideaza pirogenic in atmosfera de 0 2 +vapor i de apa, ceea ce permite

obtinerea unui strat de S i 0 2 de buna calitate, Tn care se deschid fotolitografic, cu ajutorul

mastii M3, ferestrele pentru prima difuzie de bor pentru baza puternic dopate. Urmeaza un

nou proces de mascare cu masca M4, dupa care are loc difuzia de bor pentru baza slab



dopate. Bazele, colectorii si emitorii se realizeaza in doua etape: predifuzie si difuzie,

obtinandu-se In final o adancime x B = 3,5 pm si V/l = 8 - 10 Q. Cu masca M5, prin tehnica

fotolitografica. se deschid ferestre In oxid pentru realizarea emitorilor si a contactelor de

colector. In aceste ferestre se execute o difuzie de fosfor tot In dou£ etape (predifuzie in

atmosfera de N 2 + 0 2 + sursa de dopare - si difuziune), obt inandu-se x E = 2,7 - 2,8 pm si V/l =

3 - 4 Q. In oxidul crescut la difuzia de baza si emitor, cu masca M6, se deschid ferestrele de

contactare a componentelor realizate pe cip. Pentru interconectarea componentelor se

depune un strat de metal (TiAl) de grosime - 1 , 6 p m in care se definesc traseele de conexiune

cu ajutorul ntestii M7. Stratul de Al se sinterizeazci pentru obtinerea de contacte ohmice in

amestec de N2+H2. Plachetele se acopete cu un strat de oxid depus prin sistemul CVD la

presiune atmosfericci din sursS de silan+02+fosfina pentru protectie. Oxidul de pasivare

format are urmatoarea conf igurate in functie de concentratia de dopant: 0,2 pm nedopat, 0.6

pm dopat cu P aprox 7,5%, 0,2 pm nedopat. In oxidul de pasivare, cu ajutorul mastii M8. se

deschid ferestre de contactare in zonele de lipire a terminalelor (paduri). Caracterizarea

electrica se face prin masurarea principalilor parametri ai urrrtetoarelor componente:

tranzistorul n-p-n vertical, tranzistorul p-n-p lateral, tranzistorul p-n-p de substrat, dioda Zener,

rezistorul difuzat din difuzie de bor (baza). Caracterizarea electric^ s-a efectuat prin

ntesurarea principalilor parametri ai componentelor tranzistoarelor n-p-n verticale. Fluxul

prezentat reprezinta varianta optima din punct de vedere al minimizarii nivelelor de mascare

prin care se realizeaza senzorul magnetic in tehnologie bipolara. Tabelul de mai jos prezinta

sintetic toate etapele fluxului tehnologie, fmpreuna cu procesele si operatii le care se execute

In f iecare etapS a fluxului, iar In figura 4.37 sunt ilustrate etapele acestui flux.

Tabelul 4.1 Fluxul tehnologie pentru realizarea senzorului magnetic cu structura de tranzistor n-p-n dublu baza

Nr.crt Proces tehnologie Observatii

1 Formare lot

2 Oxidare initiala 1065°C, grosime 1,2pm

3 Fotogravura M1 Strat Ingropat

4 Indepartare fotorezist

5 Predifuzie strat ingropat S b 2 0 3 V/I = 9 - 1 5 Q

6 Dezoxidare partiala

7 Difuzie strat ingropat 30minO 2+24hN 2-1200 u C

8 Dezoxidare totala 2 min HF concentrat

10 Oxidare turnuri de izolare 1065°C, grosime 0,8pm

11 Fotogravura M2 Turnuri de izolare


13 Predifuzie turnuri de izolare 1100°C V/l = 1,1 - 1,50



14 Deglazurare turnuri de izolare 30min 650UC

15 Dezoxidare partiala 8 min HF 5%

16 Difuzie turnuri de izolare 1200 JC 4h 0 2

17 Dezoxidare totala 1,5min HF concentrat

18 Masurarea tensiunii de izolare

19 Crestere strat epitaxial 1 2 - 1 5 urn; 10Q

20 Oxidare baza groasa 1065°C, grosime 1um

21 Fotogravura M3 Baza groasa


23 Dezoxidare partiala 0,5 min HF 5%

24 Predifuzie baza groasa 950°C V/l = 3 , 5 - 5 0

25 Deglazurare baza groasa 30min 650UC

26 Difuzie baza groasa 1160°C V/l = 8 - 1 0 0

27 Oxidare baza subtire 1065°C, grosime 1u

28 Fotogravura M4 Baza subtire Emitor



31 Predifuzie baza subtire 1025°C V/l = 1 6 . 5 - 1 7 , 5 0

32 Difuzie baza subtire 965°C 20min V/l = 48 - 540

33 Fotogravura M5 Emitor



36 Predifuzie emitor 1025°C V/l = 1 , 6 - 1 , 9 0

37 Difuzie emitor 965°C 20min V/l = 4 , 6 - 4 , 7 0

38 Fotogravura M6 Deschidere contacte

39 Metalizare Al 1,2M

40 Fotogravura M7 Trasee metalizare


42 Sinterizare Al 450°C 30 min N 2 H 2

43 Depunere oxid de pasivare CVD P 2 0 3 0,7um

44 Fotogravura M8 Paduri


46 Lepuire mecanica si chimica

47 Metalizare spate

Autor Marioara Avram N4

Microsenzon magnetoelectronici Fig.4.37. Flux tehnologie de realizare a magnetotranzistorului n-p-n bipolar cu doua baze

o Oxidare initiala o Fotogravura M1. deschidere

ferestre de difuzie pentru strat ingropat

o Difuzie strat ingropat o Fotogravura M2 §i difuzie

turnuh de izolare o Epitaxie n o Fotogravura M2 §i difuzie

turnuri de izolare o Fotogravura M3 §i difuzie baza

groasi o Fotogravura M4 si difuzie baza

subtire o Fotogravura M5 §i difuzie

emitori si plusare contact de colector

o Fotogravura M6. deschidere ferestre pentru contacte metalice

o Depunere metal §i fotorezist o Fotogravura M7. corodare

metal o Fotogravura M8. deschidere

ferestre padun in oxidul de pasivare

In figura 4.38 s-a reprezentat sensibilitatea magnetotranzistorului cu doua baze in functie de

inductia magnetica, pentru diverse valori ale curentilor de polarizare a bazelor, iar in figura

4.39 s-a reprezentat sensibilitatea aceluiasi magnetotranzistor in functie de tensiunea baza -

colector pentru diverse valori ale curentului de emitor. In figura 4.40 s-a reprezentat grafic

diferenta curentilor de colector in functie de inductia magnetica pentru diverse valori ale

curentilor de polarizare a bazelor.

In figura 4.41 se prezinta pin-out-ul magnetotranzistorului p-n-p din partea de sus a figurii

4.36.(a), iar in figura 4.42 se prezinta schema electronica echivalenta a aceluiasi

magnetotranzistor. In figura 4.43 se prezinta pin-out-ul magnetotranzistorului n-p-n din partea

de jos a figurii 4.36.(a), iar in figura 4.44 se vede schema electronica echivalenta a aceluiasi

magnetotranzistor.

S-a observat din compararea rezultatelor masuratorilor obtinute pentru cei doi

magnetotranzistori , ca sensibilitatea la prezenta campului magnetic este mai mare pentru

magnetotranzistori i cu emitor lung, iar offsetul mai mic s-a obtinut pentru magnetotranzistori

fabricati pe substrat de siliciu cu orientare cristalografica (100).



Inductia magnetica (T)

-18=0.2 m A -IB=0 4 m A

18=0 6 m A

IB=0 8 m A . 18=1 m A

-18=' : m A

«• Inductia magnetica (T)

Fig. 4.38. Sensibilitatea relativa masurata a magnetotranzistorului n-p-n cu doua baze

Fig. 4.39. Sensibilitatea relativa masurata in functie de tensiunea baza - colector pentru diver§i curenti de emitor. inductia magnetica 0,5 T, iar curentul de polarizare a bazei 1 mA

Fig. 4.40. Diferenta curentilor de colector in functie de inductia magnetica pentru diversi curenti de polarizare a bazelor magnetotranzistorului

-TJD ,

: - ~ L C D { T > - - -

Fig. 4.41. Pin - out - ui magnetotranzistorului prezentat in partea superioara a figurii 4.36 (a)

Fig.4.42. Schema electronica echivalenta a magnetotranzistorului prezentat in partea superioara a fig.4.36. (a).



v +

Fig. 4.43. Pin-out-ul senzorului prezentat in Fig.4.44. Schema electronica echivalenta partea infenoara a fig. 4.36.(a) a magnetotranzistorului prezentat in

partea inferioara a fig.4.36. (a).

T E N S I U N E A D E O F S E T A M A G N E T O T R A N Z I S T O R I L O R L A T E R A L I I N M O N T A J D I F E R E N T I A L

Pentru un senzor magnetic, tensiunea de offset se manifests in general la iesirea acestuia in

cazul cand acesta este polarizat. Pentru un senzor privit ca o punte rezistivS, acest offset

este datorat micilor diferente dintre cele patru ramuri ale punt,ii si se manifests numai ca un

decalaj de iesire al dispozit ivului. Problema offsetului este mult mai complexa, atat ca definire

cat si din punctul de vedere al comportamentului in cazul senzorilor formati cu tranzistoare

verticale sau laterale in montaj diferential [87. 91]. In acest caz offsetul perceput pentru etajul

diferential este diferenta tensiunilor baza emitor ale celor douS tranzistoare, ce poate fi

generate atat de diferentele celor douS difuzii cat si de asimetria generals a Tntregului

dispozitiv intre cele douS tranzistoare : zone de contact ale regiunilor difuzate, treceri cu metal

peste regiunile difuzate, mici imperfectiuni in orientarea retelei cristaline etc.

Offsetul real este puternic influentat si de offsetul de iesire al celor doua tranzistoare, acesta

din urirte rezultand din diferentele accidentale dintre cele doua componente ale etajului

diferential, care conduc la o neliniaritate a tensiunii de offset la iesire in functie de offsetul

intrSrilor: V D * V , D * A v o -

Comportamentul la iesire influenteaza offsetul global in ambele directii. ampli f icand insS in

ambele cazuri valoarea sa absolute; se poate ajunge chiar pana acolo incat valoarea

offsetului sa fie mai mare decat deviatia magnetica utilS nominalS pentru o anumitS valoare de

camp magnetic. In acest caz problema este, ca si in cazul offsetului nul, simetria

mSsurStorilor:

I V ( B ) - VOFFSETI = I V ( - B ) - V 0 F F S E T

DacS exista aceastS relatie intre cele douS mSsurStori, practic se poate modifica sistemul de

referintS astfel incat valoarea noului decalaj sS fie zero, iar valoarea absolutS a mSsurStorii

V ( B ) = V ( B ) - VOFFSET = V ' ( - B ) . Aceasta este compensarea decalajului, dar tensiunea de

offset trebuie mSsuratS pentru a-i fi cunoscutS existenta si valoarea. Caracteristicile



magnet ice se analizeaza dupa compensarea tensiunii de offset. Valorile tensiunilor de offset

masurate pe cei doi magnetotranzistori bipolari laterali din f igura 4.36 sunt prezentate Tn

tabelul 4.2, Tn stanga pentru tranzistorul de sus si Tn dreapta pentru eel de jos.

label 4.2.Tensiumle de offset pentru structuri de magnetotranzistori realizati pe substrat de Si de onentare cristalografica (100) §i (111). si doua polarizari diferite: 150mV 4mA §i WOrnV 1mA

Magnetotranzistor Fig. 4.36 (a) s u s Magnetotranzistor Fig. 4.36 (a) jos

Si (111) Si (100) Si (111) Si (100)

150mV/4m 100mV/1m 150mV/4m 100mV71 150mV74m 100mV/1m 150mV/4m 100mV/1m

A A A A A A A A

69 28 0 1 30 20 0 0

73 20 3 3 35 20 6 1

32 12 6 0 25 33 4 3

52 42 8 0 22 24 5 2

6 28 7 2 23 10 1 2

37 46 3 1 ' 5 25 2 1

3 14 1 2 19 24 1 4

12 17 1 2 39 17 3 3

58 15 2 1 37 21 4 0

14 37 0 0 40 21 6 1

Pe langa o serie de parametri uzuali. (cum ar fi tensiunile de strapungere, curentii rezidual i ,

curentii de alimentare), senzorii de camp magnetic integrati realizati Tn tehnologia circuitelor

Fig. 4.45. Schema electrica echivalenta Z a circuitului de configurare externa a

Output senzorului magnetic diferential realizat cu tranzistoare n-p-n

\"SS

integrate bipolare au si o serie de parametri specifici ca, de exemplu, sensibil i tatea, curentul si

/ sau tensiunea de decalaj. Caracterizarea electrica a senzori lor magnetici diferentiali

necesita, de obicei. o configuratie externa de polarizare atat a bazei cat si a colectorilor sau

emitorilor. Avand Tn vedere valoarea mare a componentei de mod comun Tn comparat ie cu

cea diferentiala. pentru acuratetea masurari i , se impune o postprocesare a semnalului care

elimina aceasta componenta continua, astfel meat la iesire sa apara numai componenta

diferentiala. Etajele de polarizare precum si extractorul de curent - de mod comun - pot fi

Tnglobate Tntr-un singur circuit tampon de configurare externa a senzorului. Un exemplu al

unui asemenea circuit se prezinta Tn figura 4.45.



Semnalul de iesire, care poate fi si de ordinul pV, este amplif icat cu ajutorul unui amplif icator

de instrumentatie. La senzorii diferentiali, decalajul intre curentii sau tensiunile de iesire se

masoara in absenta campului magnetic.

MSsurarea sensibilitStii se face Tn prezenja campului magnetic transversal. Acesta se

genereazS cu ajutorul unei bobine cu miez magnetic Tn forma de C. Bobina este plasata Tn

colectorul unui amplificator de semnal realizat cu un tranzistor n-p-n Tn conexiune cu emitor

comun, Tn baza cSruia se plaseaza un generator de semnal . Blocul de generare a campului

magnet ic precum si amplif icatorul de instrumentatie sunt prezentate Tn figura 4.46.

Fig. 4.46. Schema electronic^ de masura a parametrilor magnetotranzistorilor bipolari

Semnalul amplif icat obtinut la iesirea amplif icatorului de instrumentatie poate fi citit direct cu

un aparat de mSsura sau preluat de un sistem de achizitie de date Tn vederea testarii

automate. Amplif icatorul de instrumentatie prezinta doua intrari diferentiale cu impedanta

foarte mare, notate cu + (intrarea neinversoare) si respectiv cu - (intrarea inversoare).

Caracteristica de atenuare a semnalului de mod comun micsoreaza efectul buclelor de masa,

varfurile semnalelor de curent alternativ ce pot sa apara pe al imentare, precum si erorile

datorate zgomotului indus. Amplif icatoarele de instrumentatie sunt folosite Tn special pentru

masurarea semnalelor de nivel mic, cum este si cazul senzorilor de camp magnet ic realizati

pe suport semiconductor. Pentru a pastra acurateta masuraiori i semnalelor Tn diverse game

de lucru, dar si pentru ca masuratori le sa nu influenteze sursa de semnal s-au folosit

amplif icatoare de instrumentatie integrate cu amplif icatoare programabile prin soft astfel Incat

impedanta de intrare, rejectia de mod comun si banda unui astfel de amplif icator sS fie foarte

mari , iar curentul de intrare si diferenta tensiunii intre intrari sS fie nulS. Sistemul de achizitii

de date a fost completat cu un convenor analog-digital care sa preia datele de la

amplif icatorul de instrumentatie.


microsenzori curs10

Documents