趙曉鋒，溫殿忠，潘東陽，王志強(qiáng)，修德軍

（黑龍江大學(xué)a.黑龍江省普通高等學(xué)校電子工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

0 引 言

20世紀(jì)70年代，采用合金燒結(jié)工藝制作立體結(jié)構(gòu)鍺磁敏三極管［1－2］，該器件具有正反磁靈敏度。在單晶硅片上制作具有矩形板狀立體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的硅磁敏三極管一直未能實(shí)現(xiàn)。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，2003年黑龍江大學(xué)敏感技術(shù)研究所采用KOH硅各向異性腐蝕技術(shù)在高阻單晶硅片上制作完成矩形板狀立體結(jié)構(gòu)的新型硅磁敏三極管。通過特性測(cè)試，該新型硅磁敏三極管的集電極電流相對(duì)磁靈敏度較高，最大可達(dá)227%／T，具有負(fù)溫度系數(shù)且溫度系數(shù)較?。?－6］。

本文在分析新型硅磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性基礎(chǔ)上，通過采用Silvaco的ATLAS軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其特性的影響，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新型硅磁敏三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 新型硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)和工作原理

采用MEMS技術(shù)在p型高阻（ρ≥100Ω· cm）＜100＞晶向單晶硅片表面制作具有矩形板狀立體結(jié)構(gòu)［3］的n＋pn＋型硅磁敏三極管，圖1給出新型硅磁敏三極管的基本結(jié)構(gòu)模型，B為外加磁場(chǎng)。

圖1 n＋pn＋型硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of n＋pn＋silicon magnetic sensitive transistor

圖2給出新型硅磁敏三極管在外加磁場(chǎng)作用下載流子偏轉(zhuǎn)。當(dāng)外界磁場(chǎng)B加于磁敏三極管，載流子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖2（a）、（b）、（c）分別給出新型硅磁敏三極管在共發(fā)射偏置時(shí)，在B＝0T、B＞0T、B＜0T時(shí)硅磁敏三極管載流子在洛侖茲力下的偏轉(zhuǎn)情況。

當(dāng)B＝0T時(shí)，如圖2（a）所示，e－i－b是n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)硅磁敏二極管，從發(fā)射極e注入的電子，一小部分被輸運(yùn)到集電極，形成集電極電流Ic。而大部分受橫向電場(chǎng)的作用，與基極注入的空穴復(fù)合，即形成基極電流Ib。

當(dāng)B＞0T時(shí)，如圖2（b）所示，e－i－b作為n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)硅磁敏二極管，在外加磁場(chǎng)且B＞0T時(shí)，發(fā)射極注入的電子和基極注入的空穴受到洛侖茲力的作用，載流子向發(fā)射極e一側(cè)偏轉(zhuǎn)，大部分在基區(qū)復(fù)合掉，使載流子有效壽命減小，致使有效擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，基區(qū)內(nèi)壓降增大，n＋－i和p＋－i結(jié)壓降減小，使載流子輸運(yùn)到集電結(jié)的數(shù)量減小。故集電極電流Ic減小。

當(dāng)B＜0T時(shí)，如圖2（c），e－i－b作為n＋－i－p＋型長(zhǎng)基區(qū)磁敏二極管，在外加磁場(chǎng)且B＜0T時(shí)，發(fā)射極注入的電子和基極注入的空穴受到洛侖茲力的作用，載流子向集電極c一側(cè)偏轉(zhuǎn)，由于表面處復(fù)合速率小，使載流子有效壽命增加，致使有效擴(kuò)散長(zhǎng)度變長(zhǎng)，基區(qū)內(nèi)壓降減小，n＋－i和p＋－i結(jié)壓降增加，使集電極收集的載流子數(shù)目增多。故集電極電流增加。新型硅磁敏三極管集電極電流Ic隨外加磁場(chǎng)B變化，具有正、反向磁靈敏度，而且有確定的磁敏感表面，磁場(chǎng)必須與之垂直，才有最大的磁靈敏度。

2 新型硅磁敏三極管特性研究

本文采用BJ－4814半導(dǎo)體管特性測(cè)試儀對(duì)新型硅磁敏三極管樣品進(jìn)行伏安特性測(cè)試，圖3（a）、（b）、（c）分別給出新型硅磁敏三極管在外加磁場(chǎng)B＝0T、B＞0T、B＜0T時(shí)的伏安特性，其中Vce為硅磁敏三極管發(fā)射極與集電極電壓，1V／每格；Ic為硅磁敏三極管集電極電流，1mA／每格。結(jié)果表明，當(dāng)B＞0T時(shí)，集電極電流變小；當(dāng)B＜0T時(shí)，集電極電流變大，該新型硅磁敏三極管具有正、反向磁靈敏度。

3 新型硅磁敏三極管特性仿真研究

3.1 仿真模型建立

采用Silvaco的ATLAS仿真軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)硅磁敏三極管特性的影響。圖4為新型硅磁敏三極管的模擬仿真結(jié)構(gòu)圖。

圖4 采用ATLAS新型硅磁敏三極管仿真模型Fig.4 Simulation model of new silicon magnetic transistor on the base of ATLAS

3.2 新型硅磁敏三極管Ic－Vce特性仿真

3.2.1 基區(qū)寬度對(duì)Ic－Vce特性影響

圖5（a）、（b）、（c）和（d）分別給出復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120μm，基區(qū)寬度w分別為40、30、20 μm和10μm時(shí)，溫度為300K、外加磁場(chǎng)B＝0T，基極注入電流Ib為不同值時(shí)Ic－Vce特性仿真曲線。仿真結(jié)果表明，當(dāng)基區(qū)寬度w和外加偏壓Vce恒定時(shí)，隨基極注入電流Ib增加，集電極電流Ic增加；當(dāng)外加偏壓Vce和基極注入電流Ib恒定時(shí)，基區(qū)寬度w減小，集電極電流放大倍數(shù)增加且集電極電流出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象。

3.2.2 復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度對(duì)Ic－Vce特性影響

圖6（a）、（b）、（c）分別給出基區(qū)寬度為30 μm，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L分別為80、120、160μm時(shí)，溫度為300K、外加磁場(chǎng)B＝0T，基極注入電流Ib為不同值時(shí)Ic－Vce特性仿真結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L和外加偏壓Vce恒定時(shí)，隨基極注入電流Ib增加，集電極電流Ic增加；當(dāng)外加偏壓Vce和基極注入電流Ib恒定時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度L增加，集電極電流放大倍數(shù)減小。

3.3 新型硅磁敏三極管磁特性仿真

3.3.1 基區(qū)寬度對(duì)磁特性影響

圖7（a）、（b）和 （c）分別給出復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120μm，基區(qū)寬度w為40、30μm和20μm時(shí)，基極注入電流Ib為5mA，外加磁場(chǎng)B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T時(shí)，新型硅磁敏三極管的Ic－Vce特性仿真結(jié)果。仿真結(jié)果給出，在基極注入電流恒定時(shí)，隨外加正向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸減小，隨外加反向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸增加，新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型具有正反向磁靈敏度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在基極注入電流相同時(shí)，隨基區(qū)寬度減薄，正反向磁靈敏度增加，但集電極電流出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象。

3.3.2 復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度對(duì)磁特性影響

圖8（a）、（b）和（c）分別給出基區(qū)寬度w為30μm，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為80、120μm和160μm時(shí)，基極注入電流Ib為5mA，外加磁場(chǎng)B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T時(shí)，新型硅磁敏三極管的Ic－Vce特性仿真結(jié)果。仿真結(jié)果給出，在基極注入電流恒定時(shí)，隨外加正向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸減小，隨外加反向磁場(chǎng)增加，集電極電流逐漸增加，新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型具有正反向磁靈敏度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在基極注入電流相同時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為160μm時(shí)，正反向磁靈敏度最大。

3.4 新型硅磁敏三極管溫度特性仿真

對(duì)基區(qū)寬度為30μm、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度為120 μm新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)外加磁場(chǎng)B＝0T，復(fù)合基極注入電流Ib＝5mA，采用ATLAS對(duì)新型硅磁敏三極管進(jìn)行溫度特性仿真，圖9給出新型硅磁敏三極管溫度特性仿真結(jié)果，結(jié)果表明，隨著溫度升高，集電極電流Ic減小，集電極電流Ic具有負(fù)溫度系數(shù)。

圖9 新型硅磁敏三極管溫度特性仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the new type silicon magnetic sensitive transistor temperature characteristics

4 結(jié) 論

本文通過分析新型硅磁敏三極管基本結(jié)構(gòu)、工作原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用ATLAS軟件建立新型硅磁敏三極管仿真結(jié)構(gòu)模型，研究基區(qū)寬度、復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型硅磁敏三極管I－V特性、磁電特性和溫度特性的影響。仿真結(jié)果表明：

1）在T＝300K、B＝0T時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度和基極注入電流一定時(shí)，基區(qū)寬度w減薄，集電極電流放大倍數(shù)增加且出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象；基區(qū)寬度和基極注入電流一定時(shí)，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度減小，集電極電流放大倍數(shù)增加。

2）在T＝300K、B≠0T時(shí)，新型硅磁敏三極管具有正反向磁靈敏度，復(fù)合基區(qū)長(zhǎng)度一定和基極注入電流一定時(shí)，基區(qū)寬度w減薄，正反向磁靈敏度增加。

3）新型硅磁敏三極管集電極電流具有負(fù)溫度系數(shù)。

通過仿真研究，給出影響新型硅磁敏三極管特性的主要因素，為實(shí)現(xiàn)新型硅磁敏三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

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