Автореферат: Полевой датчик холла на основе структур Кремний на изоляторе

Была также исследована температурная зависимость подвижности электронов в канале ПДХ в интервале температур 1,7 ч 400К. Установлено, что в интервале температур, превышающих температуру жидкого азота, температурная зависимость демонстрирует участки роста и уменьшения, соответствующие хорошо известным из литературы механизмам рассеяния носителей в Si.

Обнаружено сильное уменьшение подвижности при гелиевых температурах, не характерное для объемного кремния. При этих температурах рассеяние на примесных центрах в кремнии постоянно (все атомы легирующей примеси не ионизированы).

Табл. 1. Подвижность при различных сочетаниях напряжений питания и затворов

Следовательно, можно предположить, что уменьшение подвижности обусловлено кулоновским рассеянием на заряженных поверхностных состояниях.

Исследовано влияние ионизирующей радиации на характеристики КНИ ПДХ (прежде всего на магниточувствительность приборов) в зависимости от электрических режимов. В этих экспериментах варьировались знак и величина потенциалов затворов в присутствии или отсутствии напряжения питания. Обнаружено, что максимальная устойчивость ПДХ к облучению, источником которого служили гамма-кванты изотопа Co⁶⁰, достигается, когда на прибор подается напряжение питания, но он заперт отрицательным потенциалом затворов, значение которых превышает значение потенциалов плоских зон. В этом случае магниточувствительность ПДХ практически не изменяется вплоть до очень больших доз облучения (10 Мрад). Радиационная стойкость ПДХ в таком электрическом режиме определяется не только известным эффектом подавления захвата дырок на дефекты в SiO₂ отрицательным потенциалом затворов, но и тем, что протекающий в закрытом состоянии слабый подпороговый ток (? 1мкА) обеспечивает возможность захвата электронов поверхностными состояниями и тем самым повышает вероятность рекомбинации рождённых при облучением дырок в подзатворном диэлектрике.

Исходя из этих результатов, был предложен и экспериментально подтвержден способ измерения магнитного поля в условиях воздействия ионизирующего облучения. С этой целью был изготовлен и подвергнут радиационным испытаниям макет устройства на основе ПДХ и промышленной ИС, обладающих повышенной радиационной стойкостью и обеспечивающих возможности переключения потенциалов затворов и усиления холловского сигнала. При работе ПДХ находится в закрытом состоянии благодаря отрицательному потенциалу затворов, но по каналу протекает подпороговый ток. Периодически знак потенциалов меняется на положительный, что открывает ПДХ на время измерения (2-3 мсек). Выигрыш в радиационной стойкости определяется отношением интервалов времени, в котором ПДХ находится в закрытом и открытом состояниях (в эксперименте это время составило 1 с и 2 мс соответственно).

Представлены результаты исследования ВАХ ПДХ при напряжениях питания и потенциалах затворов, когда в канале прибора происходит лавинное умножение носителей тока. Были обнаружены особенности формы ВАХ, заключающиеся в ступенчатых скачках тока, причем количество ступенек и их положение на оси напряжений зависит от значения потенциалов затворов (рис.4).

Появление скачков можно объяснить поведением электронно-дырочных пар, рождаемых ударной ионизацией. Пары разделяются полем в канале, электроны при этом дрейфуют к области стока, а дырки накапливаются вблизи истока и подзатворных диэлектриков, вызывая дополнительный ток электронов из контакта истока. Такая кинетика носителей заряда приводит к появлению внутри КНИ ПДХ паразитного n-p-n транзистора с плавающей базой, который является по сути «шунтом» к проводящему каналу. Кроме того, положительный заряд дырок уменьшает напряженность поля в канале, т.е. уменьшает плотность тока в канале и соответственно количество рождённых в единицу времени электронно-дырочных пар. Возникает внутренняя отрицательная обратная связь, которая приводит к динамическому равновесию системы. Такая кинетика носителей отображается ВАХ. Первый участок - стандартная ВАХ характеристика ПДХ, второй участок - ударная ионизация с образованием паразитного n-p-n транзистора, третий участок - квазилинейный, связанный с ростом напряжения питания и действием отрицательной обратной связи в цепи канал - паразитный n-p-n транзистор (см. рис.4).

Как видно, в такой ситуации в ПДХ, по сути, отсутствует участок пробоя, что является, несомненно дополнительным преимуществом таких структур. Большие напряжения питания увеличивают ток канала и позволяют повысить магнитную чувствительность ПДХ КНИ практически на порядок, что является важным фактором для датчиков магнитного поля. Кроме того, упомянутое динамическое равновесие проявляется в форме автоколебаний тока, амплитуда которых мала по сравнению со средним значением тока канала в данной области напряжений питания. Было доказано, что этот эффект может быть использован для создания оригинальных высокочувствительных преобразователей типа магнитная индукция - частота.

Рис.4. Вольт-амперная характеристика КНИ ПДХ в области ударной ионизации.

Приведены результаты исследования зависимости холловского сигнала V_x от величины индукции B магнитного поля. Измерения проводились при постоянном напряжении питания (5 В) и различных сочетаниях напряжения на затворах (V₁=V₂=5 B; V₁=5 B, V₂=0; V₁=0, V₂=5 B). Индукция магнитного поля изменяласть в пределах от 10^-3 до 5 Тл. Показано, что значение ЭДС Холла линейно возрастает с ростом магнитной индукции по закону V_H =k·B, где величина коэффициента k определяется электрическим режимом. При этом во всех случаях отклонения от линейности были меньше 1%.

В пятой главе обсуждаются особенности схемного использования ПДХ, основанные на особенности его МДПДМ конструкции. Исследованы возможности управления ПДХ с помощью затворов и изучены модуляционные методы измерения постоянных и переменных магнитных полей на основе двухзатворной управляющей системы. Рассмотрены особенности построения сенсорных устройств на основе ПДХ, позволяющие улучшить их характеристики.

Известно, что ЭДС Холла зависит от рабочего тока и индукции магнитного поля. При этом холловский сигнал сильно зависит от температуры. Физически это связано с тем, что при изменении температуры изменяется сопротивление тела датчика (прежде всего, из-за изменения подвижности носителей тока) и, следовательно, величина рабочего тока, если датчик питается от источника постоянного напряжения. Очевидно, что уменьшить зависимость магниточувствительности элемента Холла от температуры можно, если датчик будет работать в режиме генератора тока.

Общепринятый путь реализации такого режима применительно к традиционным элементам Холла - использование специального электронного узла, стабилизирующего рабочий ток датчика. Однако в ПДХ эта задача может быть решена без помощи дополнительных элементов. Указанная цель может быть достигнута путем изменения потенциала на управляющих затворах, включенных в цепь обратной связи каскада усиления холловского сигнала.

На рис. 5 в качестве примера показана характерная зависимость ЭДС Холла ПДХ, работающего в режиме генератора тока, от температуры. Потенциал одного из затворов был равен нулю во всем исследованном температурном диапазоне (80 ч 380К). Для поддержания постоянного тока канала напряжение на другом затворе ПДХ изменялось. Диапазон соответствующих изменений зависел от выбора величины напряжения на другом затворе. К примеру, если напряжение на одном из затворов отсутствовало, напряжение на втором затворе изменялось от 8.3 до 9.3 В (кривая 1 ). При напряжении на одном из затворов 3.5 В напряжение на другом затворе изменялось от 1.8 до 5.2 В (кривая 2). Напряжение питания в процессе эксперимента оставалось постоянным и было равно 5 В. Из рис. 5 видно, что коэффициент температурной зависимости ЭДС Холла в этом случае составляет около 0.09%/К, а для контрольных образцов, работавших в том же интервале температур в режиме генератора напряжения при постоянных значениях потенциала на затворах коэффициент температурной зависимости ЭДС Холла составляет около 0.4%/К.

Рис. 5. Зависимость ЭДС Холла ПДХ, работающего в режиме генератора тока, от температуры. Напряжение на одном из электродов затворов 0 В (1) или 3.5 В (2). Напряжение питания 5 В. Величина стабилизируемого тока I = 100 мкА.

Показано, что периодическим изменением потенциала затворов ПДХ можно модулировать ток канала и измерять холловский сигнал на частоте модуляции. При этом, используя схему синхронного детектирования холловского сигнала, можно существенно увеличить отношение сигнал/шум. Принципиальная схема измерений индукции магнитного поля при модулировании тока через канал полевыми затворами и синхронном детектировании холловского сигнала приведена на рис. 6. Использование такой схемы позволило повысить пороговую магниточувствительность при регистрации постоянного магнитного поля до ~1 мкТл. Дополнительное достоинство затворной модуляции тока канала заключается в снижении коммутационных помех, характерных для обычно используемых схем, в которых модулируется непосредственно холловский сигнал.

Показано, что при подаче потенциала на затворы с различной частотой ПДХ будет играть роль смесителя и формировать сигнал промежуточной частоты. Это позволяет использовать ПДХ для измерения индукции и частоты переменного магнитного поля в соответствии с хорошо известным из радиотехники принципом гетеродина. Один из вариантов блок-схемы гетеродинного измерения переменного магнитного поля на основе ПДХ приведён на рис.7.

В эксперименте источником переменного магнитного поля с частотой до 10 кГц служила катушка с малой индуктивностью. Было показано, что чувствительность гетеродинного устройства составляет 97 мВ/мТл, а при включении в обычном режиме - 0.45 мВ/мТл.

Рис. 6. Принципиальная схема измерения магнитного поля на основе синхронного детектирования сигнала ПДХ. 1, 2 - токовые электроды; 3, 4 - холловские электроды; 5, 6 - электроды затворов.

Рис. 7. Блок-схема гетеродинного измерителя переменного магнитного поля на основе ПДХ. 1, 2 - токовые электроды; 3, 4 - холловские электроды; 5, 6 - электроды затворов.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Разработана и экспериментально подтверждена физико-математическая модель полевого датчика Холла, который сочетает в себе традиционный датчик Холла и полевой транзистор с управляющей системой МДПДМ. Модель позволяет рассчитать вольт-амперные, сток-затворные и холл-затворные характеристики ПДХ.

2. Обнаружено, что на участке роста ВАХ, несмотря на возрастание тока в канале ПДХ, с ростом напряжения на затворах холловский сигнал убывает. Эффект объясняется возрастанием рассеяния носителей тока на поверхностных состояниях у границ раздела диэлектрик - полупроводник.

3. Обнаружены ступенчатые скачки тока на участке лавинного умножения ВАХ, количество и величина которых определяется соотношением напряженностей продольного (тянущего) и поперечного электрических полей в канале ПДХ.

4. Установлено, что величина магнитоиндуцированного сигнала ПДХ линейно возрастает с увеличением индукции магнитного поля В по закону V_H=k·B, где величина коэффициента k зависит от электрических режимов ПДХ.

5. Исследованы закономерности влияния ионизирующей радиации на характеристики ПДХ в зависимости от знака и величины потенциалов на управляющих затворах и напряжении питания. Определены электрические режимы, при которых магниточувствительность ПДХ практически не изменяется под воздействием очень больших доз облучения (10 Мрад) гамма-квантами Co⁶⁰. На основе этих результатов предложен и экспериментально подтвержден способ повышения радиационной стойкости магнитометрических устройств на основе ПДХ.

6. Установлено, что модуляция тока канала переменным потенциалом затворов и последующее синхронное детектирование холловского сигнала позволяет на 3 порядка величины улучшить отношение сигнал/шум в ПДХ и соответственно увеличить пороговую магниточувствительность. Показано, что ПДХ способен регистрировать значение магнитной индукции, которая на порядок слабее магнитного поля Земли.

7. Продемонстрировано, что управляющую систему типа металл - диэлектрик - полупроводник - диэлектрик ? металл можно использовать для создания цепей обратной связи и обработки холловского сигнала. Перспективность такого подхода продемонстрирована на примере создания высокочувствительного преобразователя магнитная индукция - частота и устройства стабилизации собственного рабочего тока ПДХ.

В приложении приводятся примеры использования ПДХ в сенсорных и магнитометрических устройствах.

В разделе П-1 представлен оригинальный защищённый патентом РФ преобразователь магнитная индукция - частота, функционирование которого основано на использовании ПДХ как нелинейного магниточувствительного элемента, частота которого изменяется пропорционально величине индукции измеряемого магнитного поля. Реализованы два варианта преобразователя индукция - частота. В первом из них ПДХ включается в качестве нагрузки в автогенераторное устройство. Оригинальность преобразователя определяется тем, что вариации напряжения питания и потенциала затворов позволяют управлять не только чувствительностью преобразователя, но и существенно менять частоту генерации устройства в отсутствии магнитного поля.