WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 10 06;12 Кремниевый двухэмиттерный дифференциальный тензотранзистор с ускоряющим электрическим полем в базе © Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Институт физики полупроводиников АН Украины, 252650 Киев, Украина (Поступило в Редакцию 6 мая 1998 г. В окончательной редакции 2 марта 1999 г.) Приведены результаты исследования кремниевого двухэмиттерного тензотранзистора. Тензотранзистор относится к тензочувствительным полупроводинковым приборам с горизонтальной структурой и внутренним дифференциальным выходом. Определены оптимальная топология прибора и его основные характеристики.

Показано, что коэффициент переноса транзистора близок к единице.

Интегральные полупроводниковые датчики давления величина SR, определяемая выражением [1] прочно занимают ведущее место в сферах производства (Ic1 - Ic2) и потребления датчиков механических величин. СущеSR = (Ic)-1 (2) ствующие полупроводниковые датчики с резистивным =0 выходом можно разделить на две группы: ”монополяр(Ic = Ic1 + Ic2, Ic1, Ic2 — индивидуальные токи коллекные” и ”биполярные”, в которых выходной сигнал форторов), более чем на порядок превосходит аналогичное мируется при направленном движении соответственно значение для монополярных датчиков. Однако величина основных и неосновных носителей заряда. К первой SR, которую также называют величиной эффективности группе относятся пьезорезистивные датчики и датчики на преобразования [5,6], не учитывает токопотребления основе тензоэдс (механический аналог эффекта Холла), всего тензотранзистора в целом. Поэтому по аналогии ко второй — датчики с чувствительными элементас магнитотранзисторами [5] можно ввести понятие эфми на основе биполярных полупроводниковых прибоT фективности преобразования тензотранзистора SR, опреров: многоколлекторные тензотранзисторы, тензотириделив его следующим образом:

сторы [1–3]. Одним из важнейших параметров датчика давления является величина относительной чувствитель(Ic1 - Ic2) T -ности по току SR = Itot, (3) =(I) где Itot — сумма всех токов, необходимых для смещения -SR = I0. (1) тензотранзистора.

=Выражение (3) можно также рассматривать как частЗдесь I() = I0 +I(), где I0, I() —ток, прохо- ный случай формулы (1) для двухколлекторного тензодящий через датчик в отсутствие давления, и его изме- транзистора.

нение, обусловленное давлением, соответственно; — В ранее исследованных тензотранзисторах [1–3] механическое напряжение в области расположения дат- для достижения максимальной чувствительности (за чика. Величина SR монополярных датчиков сравнитель- счет фактора E/E0) был предусмотрен разделительно мала, поскольку относительное изменение тока при ный p-n-переход, отделяющий базовую область тендеформации, которое в свою очередь пропорциональ- зотранзистора от подложки. Поскольку толщина бано относительному изменению подвижности основных зы тензотранзистора была значительно меньше длины носителей заряда, составляет единицы процентов. Для диффузионного смещения носителей тока, то большая биполярных полупроводниковых датчиков даже малое часть инжектированных носителей не достигала колизменение подвижности может привести к большому лекторных p-n-переходов, а собиралась разделительизменению тока I(). Это связано с тем, что величина ным p-n-переходом (коллектором паразитного вертиI() в этом случае пропорциональна как относитель- кального транзистора) и рекомбинировала вблизи наиному изменению подвижности, так и отношению вели- более удаленного от эмиттера токового электрода бачин тянущего электрического E и диффузионного ED зы. Для этих тензотранзисторов величина Itot равна полей [4]. Произведение указанных параметров может сумме токов, протекающих через базовые электроды быть достаточно большим даже при малом изменении Ibb, эмиттер Ie и разделительный p-n-переход тензоподвижности за счет фактора E/ED. В силу этого вели- транзистора Is чина относительной чувствительности для биполярных Itot = Ibb + Ie + Ic + Is. (4) датчиков оказывается существенно выше, чем для монополярных. Так, для двухколлекторных тензотранзисторов 64 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Выражение (2) с учетом(3), (4) можно представить в которая в зависимости от знака деформации один из виде эмиттерных переходов смещает в прямом направлении, а другой — в обратном. Возникающая таким образом мо(c1 + c2)SR T SR =, (5) дуляция инжекции эмиттерных p-n-переходов приводит 1 +(c1 + c2)(1 + Ibb/Ic + Is/Ic) к разбалансу токов в коллекторных цепях тензотранзигде c1(c2) — коэффициенты передачи тока коллекторов стора и появлению выходного сигнала.

c1(c2), которые связаны с эффективностями эмиттера e Принцип работы описываемого здесь тензотранзистои коллекторов c1(c2), а также коэффициентом переноса ра формально эквивалентен принципу действия магнитc1(c2) соотношением ного датчика с дифференциальным усилением [5], в котором инжекция эмиттерных p-n-переходов модулируется c1(c2) = ec1(c2)c1(c2), (6) холловским полем.

Как и ранее [1–3], будем полагать, что тензотрангде величина c1(c2) равна отношению дырочных композистор расположен на мембране, трансформирующей нент токов эмиттера Ipe и коллектора Ic1(c2) равномерно распределенную по ее поверхности нагрузку c1(c2) = Ipe/Ic1(c2). (7) в одноосную упругую деформацию растяжения (или сжатия) его базовой области в кристаллографическом При наличии разделительного p-n-перехода и направлении [110]. В этом случае параметр анизотропии рекомбинации в базовой области тензотранзистора a связан с величиной упругого механического напряжеIpe Ic1(c2), поэтому для рассмотренных ранее ния в базе тензотранзистора соотношением тензотранзисторов значения c1(c2) и связанные с ним c1(c2) существенно меньше единицы (см., a =44/2, (8) например, [1,7]).

В оптимальном случае (Ibb, Is Ic, c1(c2) 1) ве- где 44 — сдвиговый пьезорезистивный коэффициент личины эффективности преобразования и относительной для p-Si.

чувствительности тензотранзистора по току практически С целью оптимизации топологии и геометрических T совпадают. Однако на практике c1(c2) 1 и SR = SR. В размеров элементов тензотранзистора проведем расчет этом случае целесообразно оптимизацию конструкции, его основных характеристик. Расчет проведем в приблитопологии и режима работы тензотранзисторов прово- жениях малого уровня инжекции и слабых деформаций, T дить одновременно по двум параметрам SR и SR, достигая когда параметр анизотропии достаточно мал |a| 1.

тем самым как максимального значения относительной В силу малости отношения 2d/ly 1 будем также чувствительности, так и минимального энергопотребле- пренебрегать влиянием слоя шириной 2d (рис. 1), разния прибора.

деляющего коллекторные p-n-переходы, на пространВ настоящей работе проводится анализ работы двух- ственное распределение неосновных носителей заряда в эмиттерного дифференциального тензотранзистора с бо- базе тензотранзистора.

T лее высокими значениями SR и SR, что достигается Ограничим базу тензотранзистора координатами особенностями его конструкции, которые исключают 0 < x < lx, 0 < y < ly, 0 < z < lz. При необходимость создания разделительного p-n-перехода принятых предположениях уравнения, описывающие (Is = 0), а также позволяют достичь значительно более распределения электрического потенциала в базовой высоких значений коэффициентов передачи коллекторобласти тензотранзистора, совпадают с исследованными ных токов.

ранее [1]. Поэтому полученные там результаты, Топология и электрическая схема включения тензокасающиеся выбора геометрических размеров базы транзистора представлены на рис. 1.

тензотранзистора и расположения эмиттеров, остаются Неравновесные носители заряда инжектируются в бав силе lx/ly = 0.2, xc/lx 0.25, где xc — расстояние зовую область тензотранзистора двумя эмиттерами, nот центра эмиттеров до ближайшего к ним базового области которых находятся под равным потенциалом. В электрода.

ускоряющем электрическом поле базы Ex (величина Ex Для расчета выходных характеристик тензотранзиопределяется разностью потенциалов U на p+-базовых стора необходимо знать пространственное распределеэлектродах) носители тока дрейфуют вдоль базовой ние концентарции неравновесных носителей заряда в области тензотранзистора. В отсутствие упругой дефорбазе тензотранзистора. Используя функцию источника мации токи коллекторов, обусловленные диффузионным n(x, y, z, x, y, z ) [2], выражение для концентарции нераврастеканием носителей заряда в y- и z-направлениях, новесных носителей заряда находим интегрированием по равны между собой. Вследствие этого выходной сигнал объему эмиттеров Vc U, снимаемый с нагрузочных сопротивлений Rc1 и Rc2, равен нулю.

n(x, y, z) = dx dy dz (x, y )n(x, y, z, x, y, z ), При одноосной упругой деформации базовой области тензотранзисторов в кристаллографическом направлеx, y, z Ve. (9) нии [110] подвижность основных носителей заряда (дырок) становится анизотропной в xy-плоскости, в резуль- Здесь (x, y ) — плотность источников неравновесных тате чего появляется поперечная разность потенциалов, носителей заряда, которая в нашем случае является Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Кремниевый двухэмиттерный дифференциальный тензотранзистор... Рис. 1. Топология тензотранзистора: 1, 2 — базовые электроды; 3, 4 — эмиттеры; 5, 6 — коллекторы C1 и C2 соответственно;

— направление одноосного сжатия.

функцией тянущего поля, параметра анизотропии и ко- 0 — напряжение начального смещения эмиттерного ординат n-p-перехода, T — температура, kB — постоянная Больцмана, e и n0 — заряд электрона и равновесная (x, y ) =n0{exp[(x, y )] - 1}, (10) концентрация электронов в базе.

ly 0 + Exx + aEx y Дальнейшее рассмотрение проведем для размеров (x, y ) =e, (11) (все размеры в µm) базы lx ly lz = 200 50 3, эмитkBT 5 Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 66 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Рис. 2. Поперечное распределение концентрации неравновесных носителей заряда при различных значениях параметра анизотропии : 1 —0, 2 — 0.055.

теров lxly lz = 451.5, расстояние между центрами Величины тока коллекторов находим интегрированием эмиттеров ye1-ye2 = 25, x0 = 42, длина диффузии неравновесных носителей заряда L = 30. Тянущее поле равно Ic1(c2) = -eDn dx Ex = 500 V/cm, скорость поверхностной рекомбинации S = 0. В расчетах выбрано значение для параметра xанизотропии a = 0.055, чему соответствует одноосное ly -d,(ly) упругое механическое напряжение = 800 kgf/cm2.

n n dz + dy. (13) Изменения в каждом конкретном случае оговариваются y z y=0,(ly) z=lz ly особо. Заметим, что условие малого уровня инжекции 0, +d накладывает ограничения на величину На рис. 3 и 4 показаны относительные изменения 2kBT n0 токов коллекторов в зависимости от величины параметра ye1 - ye2 + ly ln + 1. (12) анизотропии и значения тянущего электрического поля |a|Ex pв базе тензотранзистора. Из рисунков видно, что при наложении упругих деформирующих усилий величина Здесь p0 — равновесная концентрация основных нотока коллектора может увеличиваться более чем в 3 раза, сителей (дырок) в базе тензотранзистора. В обратном при этом его зависимость от параметра анизотропии случае генерируемые n-p-переходом неравновесные но(величины деформации) существенно нелинейна.

сители будут закорачивать поперечное поле и модуляция инжекции исчезает. На рис. 2 показаны поперечные распределения концентрации неравновесных носителей заряда в базе тензотранзистора вдоль линии, задаваемой координатами, в µm (80, y, 3). Видно, что в отсутствии деформации ( = 0) распределение зеркально симметрично относительно центральной плоскости (x, ly/2, z) (кривая 1). При наличии механического напряжения распределение становится резко асимметричным, у одного из коллекторов концентрация резко увеличивается, а у другого уменьшается (кривая 2). При этом общее количество неравновесных носителей заряда растет, что следует из сравнения площадей под кривыми 1 и 2. Такое изменение пространственного распределения неравновесных электронов в базе является прямым следствием Рис. 3. Зависимость изменения тока коллекторов C1 (1) и модуляции инжекции. C2 (2) от величины параметра анизотропии.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Кремниевый двухэмиттерный дифференциальный тензотранзистор... Зависимость относительного изменения коллекторных токов при деформации от расстояния между коллекторами показана на рис. 7. С ростом расстояния между коллекторами увеличивается поперечная разность потенциалов, модулирующая локальную инжекцию эмиттерных p-n-переходов.

Результаты исследования относительного изменения коллекторных токов Ic/Ic0 (Ic = Ic - Ic0, где Ic, Ic0 — токи коллектора при наличии и отсутствии деформации соответственно) от длины диффузионного смещения носителей заряда L и ширины эмиттерных p-n-переходов сводятся к следующему. При уменьшении величины L от 30 до 5 µm Ic/Ic0 увеличивается незначительно, в то же Рис. 4. Полевая зависимость относительного изменения тока время значение Ic0 уменьшается в 4.5 раза, что ведет к коллекторов C1 (1) и C2 (2).

нежелательному увеличению выходного сопротивления прибора. Аналогичное поведение характерно для зависимости Ic/Ic0 от ширины эмиттерных p-n-переходов при фиксированном значении расстояния между их центрами ye1 - ye2. При уменьшении ширины эмиттерных переходов значение Ic/Ic0 увеличивается незначительно, однако значительно уменьшается значение Ic0.

Рис. 5. Зависимость z- (1, 2) и y-компонент (3, 4) тока коллекторов C1 (1, 3) и C2 (2, 4) от параметра анизотропии.

На рис. 5 показаны изменения компонент коллекторных токов Icz и Icy, протекающих соответственно через плоскости (x, y, lz) и (x, 0, z) (x, ly, z), коллекторных p-n-переходов. Видно, что основной вклад в величину Рис. 6. Продольные распределения плотностей коллекторных токов в отсутствие (2) и при наличии (1, 3) деформации для lc вносит ток, протекающий через (x, y, lz) плоскость коллекторов C1 (2) и C2 (1, 3).

коллекторного перехода. Из этой зависимости также следует, что для данного тензотранзистора величина относительного увеличения тока коллектора в условиях упругой деформации его базовой области примерно в 2 раза меньше при прочих равных условиях, чем у исследованного ранее n-p-n-тензотранзистора [1], поскольку рассматриваемой конструкции носители заряда, инжектируемые эмиттером, ток которого увеличивается при деформации, достигают обоих коллекторных переходов. Этот эффект существенно меньше для n-p-nтензотранзистора, так как его коллекторы удалены друг от друга на значительно большее расстояние.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.