Введение к работе
Актуальность темы.
В докладе, подготовленном одной из фирм США в начале 90-х годов , указывается, что "если предыдущее десятилетие было десятилетием микропроцессоров, то следующее может стать десятилетием датчиков". Это вызвано в первую очередь экономической эффективностью датчиков (отношение прироста национального продукта, связанного с их использованием, к стоимости датчиков доходит до 150!), о чем свидетельствует рост их производства на Западе. Так, например, западноевропейский рынок бесконтактных выключателей и индикаторов положения в 1996 г. оценивался в 3.3 млрд. долларов, а прогноз динамики их развития, сделанный экспертами швейцарской фирмы Intechno Consulting AG, свидетельствует, что в 2001 г. рынок увеличится до 4.6 млрд. долларов. Таким образом, так как датчики магнитного поля (ДМП) являются наиболее распространенными в области бесконтактных выключателей и индикаторов положения, то потребность в них на сегодняшний день велика и продолжает расти.
Можно выделить две основные группы применения ДМП. К первой группе относятся непосредственные применения, когда ДМП является частью магнитометра. В качестве примеров можно назвать измерения магнитного поля, считывание с магнитных лент или дисков, распознавание рисунка магнитными чернилами на банкнотах и кредитных карточках, а также управление магнитными устройствами. Ко второй группе относятся косвенные применения, когда магнитное поле служит промежуточным показателем, позволяющим обнаружить немагнитные сигналы.
Примерами могут служить бесконтактное переключение, регистрация линейного и углового перемещения, бесконтактное измерение тока и интегральные ваттметры.
Существующие интегральные магниточувствительные схемы и ДМП на их основе в качестве первичного преобразователя часто используют тонкопленочные или объемные элементы Холла, обладающие энергопотреблением на уровне нескольких сотен милливатт. В ряде случаев, при непосредственном или косвенном применении ДМП, существует ограничение по потребляемой мощности до нескольких единиц милливатт. Разработанные КМОП магниточувствительные схемы не нашли широкого применения в качестве ДМП, из-за низкой разрешающей способности по магнитному полю, обусловленной высоким уровнем собственных шумов, как самого первичного преобразователя, так и последующей схемы обработки сигнала.
В связи с выше изложенным актуальной является задача разработки элемента Холла с высоким разрешением по магнитному полю на основе МОП структуры.
Цель диссертационной работы - разработка и комплексное исследование интегральных полупроводниковых элементов Холла на основе МОП структуры с высоким разрешением по магнитному полю, для применения в составе интегральных магниточувствительных матриц и КМОП интегральных схем.
Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе заключается в следующем:
-
Разработана физико-математическая модель элемента Холла на основе МОП структуры, которая позволяет проводить расчет электрофизических характеристик с вариацией геометрических и технологических параметров, а также учитывать изменение температуры.
-
Установлено, что источником повышенного уровня собственных шумов МОП структуры является граница раздела кремний-оксид кремния, полученный путем локального окисления по технологии "ЛОКОС", и для повышения предельного разрешения по магнитному полю в МОП элементах Холла необходимо удалять рабочую область от этой границы раздела.
-
В результате комплексного исследования пяти разработанных МОП элементов Холла показано, что особенностью новых конструкций является низкий уровень собственных шумов, высокое значение магни-точувствительности, малая и стабильная величина начального разбаланса, малый температурный коэффициент изменения абсолютной магни-точувствительности.
-
Предложен новый принцип построения интегрального полупроводникового датчика магнитного поля, основанный на комбинации гальваномагнитных и электрофизических эффектов в одной структуре.
-
Разработан принцип построения интегральной магниточувстви-тельной матрицы, размерностью NxM, на основе МОП элементов Холла, позволяющий снизить число информационных выходов до двух. Практическая значимость.
1. На основе разработанной физико-математической модели МОП элемента Холла создана программа двумерного численного расчета на
ПЭВМ электрофизических характеристик под названием "SENSOR", которая позволяет
- рассчитывать значения токов, магниточувствительности и ее
температурных коэффициентов для двух областей ВАХ МОП транзистора;
учитывать влияние конструктивных и технологических факторов на значение магниточувствительности;
варьировать в широких пределах геометрическими и технологическими параметрами, с целью получения максимальной магниточувствительности;
представлять графически двумерное изображение распределения эквипотенциальных и токовых линий в моделируемой области.
-
Разработаны конструкции МОП элементов Холла обладающие предельным разрешением по магнитному полю не хуже 5 мкТл, температурным коэффициентом абсолютной магниточувствительности на уровне ±0.01 %/"С.
-
На основании качественных и количественных результатов исследования выявлены закономерности основных параметров разработанных МОП элементов Холла от режима работы, от изменения величины вектора магнитной индукции и от температуры.
-
Разработана и изготовлена интегральная магниточувствитель-ная матрица, динамического типа с размерностью 10x10, на основе МОП элементов Холла с высоким уровнем разрешения, имеющая двадцать входов, для выбора магниточувствительной ячейки, и два информационных выхода, для опроса ее состояния.
Реализация результатов работы.
Разработанные конструкции МОП элементов Холла внедрены в научно-производственном комплексе Технологический Центр" при Московском государственном институте электронной техники и использованы в программе ГНЦ Российской Федерации НПК "Технологический Центр" МИЭТ на 1996-1997 гг. "Перспективные технологии и методы изготовления современных СБИС и микроэлектронных датчиков" по тема Ли-га-17: "Разработка' новых принципов построения кремниевых магнито-чувствительных матриц высокого разрешения" (r.P.N 01960007112), что подтверждено актом о внедрении. Разработанные и изготовленные интегральные магниточувствительные матрицы на основе МОП элементов Холла используются в Обнинском институте атомной энергетики, при построении магнитного интроскопа с высокой разрешающей способностью, что подтверждено актом о внедрении.
Использование данных интегральных магниточувствительных матриц позволило:
измерять нормальную составляющую магнитного поля;
повысить разрешающую способность и надежность магнитных интро-скопов.
На защиту выносятся:
-
Физико-математическая модель элемента Холла на основе МОП структуры и результаты оптимизации геометрических и технологических параметров, с целью повышения магниточувствительности;
-
Новые конструкции элементов Холла на основе МОП структуры с улучшенными характеристиками по разрешающей способности, по магни-
точувствительности и по температурному коэффициенту абсолютной магниточувствительности;
3. Результаты экспериментальных исследований характеристик раз
работанных элементов Холла на основе МОП структуры, из которых сле
дует, что:
-наименьшим значением эквивалентного поля шума (0.4 мкТлДГц)172 на центральной частоте 1 кГц) обладает конструкция прямоугольного элемента Холла на основе МОП структуры;
-наименьшим значением спектральной плотности шума (60 нВ/(Гц)1/2 на центральной частоте 1 кГц) обладает конструкция функционально-интегрированного МОП элемента Холла;
-наибольшее значение относительной магниточувствительности по току питания (374 В/А/Тл) зафиксировано в конструкции МОП элемента Холла Х-образной конфигурации;
-наименьший температурный коэффициент изменения абсолютной магниточувствительности (0.01 %/С) установлен в конструкции МОП элемента Холла комбинированного типа.
4. Принцип построения и конструкция интегральной магниточувстви-
тельной матрицы на основе МОП элементов Холла с высоким уровнем
разрешения.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения , контроля и управления", (Крым, май 1994 г., 1995 г., 1997 г., 1998 г.); Научно-техническая конференция студентов и
аспирантов "Микроэлектроника и информатика", (Москва, апрель 1995 г., 1996 г., 1997 г. 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95 (- 97)", (Москва, ноябрь, 1995 г., 1997 г). Публикации.
Основные результаты работы отражены в трех статьях, одном патенте на изобретение, одном положительном решении о выдаче патента и представлены двенадцатью докладами на научно-технических конференциях. Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 85 наименований. Объем диссертации составляет 161 страницу текста и включает 70 рисунков, фотографий и таблиц.
