eng
Выпуск #9/2018
Ю. Горячкин, А. Однолько
Моделирование интегральных магнитотранзисторов, формируемых в рамках КМОП-технологии
Моделирование интегральных магнитотранзисторов, формируемых в рамках КМОП-технологии
Просмотры: 1760
Рассмотрено моделирование двухколлекторных магнитотранзисторов с горизонтальным и вертикальным расположением коллекторов. Приведены параметры магнитотранзисторов, оптимальные для их применения в составе магниточувствительных микросхем.
УДК 621.382:004.94 | ВАК 05.13.18
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.108.113
УДК 621.382:004.94 | ВАК 05.13.18
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.108.113
Теги: cmos technology magnetic field magnetotransistor modelling кмоп-технология магнитное поле магнитотранзистор моделирование
Н
аибольшее распространение получили биполярные двухколлекторные магнитотранзисторы n-p-n-типа. Они могут быть реализованы в стандартных процессах производства интегральных схем, таких как биполярные или КМОП-технологии. В данной работе исследования проводились применительно к КМОП-технологии XT018 с проектными нормами 0,18 мкм компании X-FAB.[1]
Параметры слоев, которые могут быть использованы для создания магнитотранзисторов, – поверхностное сопротивление RS и глубина залегания xj – даны в табл. 1.
Рассматривалось два варианта магнитотранзисторов – с горизонтальным и вертикальным расположением коллекторов. На рис. 1 показаны схематически топология и структуры магнитотранзистора с горизонтальным расположением коллекторов. L и W – соответственно, длина и ширина магнитотранзистора, lк – длина коллекторов, lкб – расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора, Э – эмиттер, Б – база, К1 и К2 – коллекторы, DTI – глубокая щелевая окисная изоляция, BOX – слой скрытого окисла.
На рис. 2 схематически представлена топология магнитотранзистора с вертикальным расположением коллекторов.
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ
Моделирование проводилось в автоматизированной системе приборно-технологического проектирования (TCAD) компании Synopsys. Для моделирования были разработаны модели трехмерных структур магнитотранзисторов (см. рис. 1, 2). При этом, для упрощения, вокруг контактов к эмиттеру и коллекторам не создавались слои NIMP и вокруг контакта к базе не создавался слой PIMP, поскольку в TCAD можно задать сопротивление контакта (сколь угодно малое). Также не создавались слои DTI и BOX.
На рис. 3а показана часть трехмерной структуры магнитотранзистора с горизонтальным расположением коллекторов со стороны коллектора К1, на рис. 3б – со стороны базы.
При моделировании использовалась дрейфово-диффузионная модель и учитывались следующие физические эффекты:
• сужение ширины запрещенной зоны кремния по мере повышения концентрации легирующей примеси;
• рассеяние носителей заряда на фононах и на ионах примеси;
• рекомбинация Шокли-Рида-Холла с временами жизни неравновесных носителей заряда, зависящими от концентрации легирующей примеси, а также Оже-рекомбинация;
• перенос носителей заряда в магнитных полях.
Подробное описание этих эффектов приведено в [7].
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРОВ
При моделировании ток базы задавался резистором 500 Ом, подключенным к источнику напряжения. Напряжение источника изменялось от 0 до 5 В. Эмиттер подключен к общему проводу. Коллекторы подключены через резисторы 10 кОм к источнику напряжения 5 В. Значение магнитной индукции 1 000 Гс. Измерялось напряжение между коллекторами.
При моделировании ширина магнитотранзисторов W составляла 150 мкм, длина L – 100 мкм, ширина эмиттера и коллекторов – 3 мкм. Варьировались длина коллекторов lк и расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора lкб (см. рис. 1).
На рис. 4 показаны результаты моделирования зависимости разности напряжений между коллекторами ΔVк = Vк2 – Vк1 от тока базы Iб при различных значениях lк и lкб для структур магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов. Как видно из графиков на рис. 4, по мере роста базового тока разность напряжений между коллекторами практически линейно увеличивается и, достигнув максимального значения, также практически линейно уменьшается с большей скоростью. При одинаковых значениях lкб по мере увеличения значения lк значение базового тока, при котором ΔVк достигает максимума, уменьшается.
Также из графиков видно, что при увеличении lкб от 30 до 50 мкм значение максимальной разности напряжений между коллекторами уменьшается очень слабо, а при дальнейшем увеличении lкб до 70 мкм – резко снижается. Таким образом, значение lкб не должно превышать 50 мкм, то есть lкб ≤ L / 2.
Затем были промоделированы зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях сопротивления коллекторных резисторов Rк и значениях lкб = 50 мкм, lк = 50 мкм (рис. 5). Как видно из графиков на рис. 5, при увеличении сопротивления коллекторных резисторов от 5 до 15 кОм максимальное значение ΔVк снижается от 0,26 до 0,13 В, то есть в два раза. При этом ток базы уменьшается от 1,5 до 0,25 мА, то есть в шесть раз.
Были также получены зависимости токов коллекторов К1 и К2 от тока базы при напряжении на коллекторах 3, 4 и 5 В и значениях lкб = 50 мкм, lк = 50 мкм. Моделирование показало, что зависимости практически одинаковы. На рис. 6 представлены результаты моделирования зависимости токов коллекторов Iк и разности коллекторных токов ΔIк от тока базы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРОВ
Условия моделирования и значения параметров были такие же, как и при моделировании магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов. На рис. 7 показаны результаты моделирования зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях lк и lкб для структур магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов (см. рис. 2). Как видно из графиков на рис. 7, ход зависимостей такой же, как и для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 4). И также при одинаковых значениях lкб с увеличением параметра lк значение базового тока, при котором разность напряжений между коллекторами достигает максимума, уменьшается.
В отличие от магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов, при увеличении lк от 10 до 70 мкм резко уменьшается максимальная разность напряжений между коллекторами. Таким образом, для получения максимальной ΔVк длина коллектора lк должна быть минимальной.
Следует отметить, что для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов значения базовых токов, при которых достигается максимальное значение ΔVк, в 2–3 раза больше, чем для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов.
Далее были промоделированы зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях Rк и lкб = 30 мкм, lк = 30 мкм (рис. 8). Как видно из графиков на рис. 8, зависимости аналогичны зависимостям для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 5), но значения базовых токов, при которых достигается максимальная ΔVк, также в 2–3 раза больше.
Кроме того, были получены зависимости токов коллекторов К1 и К2 от тока базы при напряжении на коллекторах 3, 4 и 5 В и значениях lкб = 30 мкм, lк = 30 мкм. Данные зависимости оказались практически одинаковыми. На рис. 9 показаны результаты моделирования зависимости токов коллекторов Iк и разности коллекторных токов ΔIк от тока базы. Как видно из графиков на рис. 9, зависимости аналогичны зависимостям для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 6), но значения базовых токов, при которых достигается аналогичная разность коллекторных токов, также в 2–3 раза больше.
На основании данных моделирования разработаны и будут изготовлены тестовые магнитотранзисторы.
СРАВНЕНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ ХОЛЛА
Как отмечалось выше, авторами были разработаны, промоделированы и исследованы элементы Холла [2–4]. Результаты моделирования были подтверждены последующими измерениями тестовых элементов Холла, изготовленных компанией X-FAB по технологиям XT018, XC06, XT06 и XH035.
В табл. 2 представлены сравнительные данные по чувствительности для элементов Холла и магнитотранзисторов при напряжении 5 В. Видно, что чувствительность магнитотранзисторов в 4–10 раз выше, чем элементов Холла. Также для элементов Холла характерна зависимость чувствительности от напряжения, то есть от протекающего тока. Для магнитотранзисторов, как показали результаты моделирования, такая зависимость отсутствует.
Таким образом, по результатам моделирования магнитотранзисторов можно сделать следующие выводы:
• для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов в целях получения максимальной разности напряжений между коллекторами максимальное расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора не должно превышать половины длины магнитотранзистора, то есть lкб ≤ L / 2;
• для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов в целях получения максимальной разности напряжений между коллекторами длина коллектора lк должна быть минимальной;
• сравнение магнитотранзисторов с горизонтальным и вертикальным расположением коллекторов показывает, что при примерно одинаковой максимальной разности напряжений между коллекторами значения базовых токов, при которых достигается максимальная ΔVк, для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов в 2–3 раза больше, чем для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов;
• для магнитотранзисторов можно получить чувствительность в 4–10 раз выше, чем для элементов Холла.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.576.21.0026 от 30 июня 2014 года, уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57614X0026).
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев О. А., Мамиконова В. М., Петров В. В., Котов В. Н., Негоденко О. Н. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 153 с.
2. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M., Svistunov A. Hall integrated plate research and simulation // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11. № 7. P. 4288–4294.
3. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M. Comparative analysis and simulation of integrated Hall elements formed in CMOS-technology // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11. № 19. P. 11574–11580.
4. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M., Svistunov A., Demidov D. CMOS integrated Hall elements parameters simulation and real structures behaviors measuring // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. V. 12. № 19. P. 5597–5606.
5. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. – М.: ДМК Пресс, 2001. 544 с.
6. Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. – М.: Радио и связь, 1987. 88 с.
7. Горячкин Ю. В., Нестеров С. А., Сурин Б. П. Физико-топологическое моделирование в САПР TCAD. – Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2006. 124 c.
аибольшее распространение получили биполярные двухколлекторные магнитотранзисторы n-p-n-типа. Они могут быть реализованы в стандартных процессах производства интегральных схем, таких как биполярные или КМОП-технологии. В данной работе исследования проводились применительно к КМОП-технологии XT018 с проектными нормами 0,18 мкм компании X-FAB.[1]
Параметры слоев, которые могут быть использованы для создания магнитотранзисторов, – поверхностное сопротивление RS и глубина залегания xj – даны в табл. 1.
Рассматривалось два варианта магнитотранзисторов – с горизонтальным и вертикальным расположением коллекторов. На рис. 1 показаны схематически топология и структуры магнитотранзистора с горизонтальным расположением коллекторов. L и W – соответственно, длина и ширина магнитотранзистора, lк – длина коллекторов, lкб – расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора, Э – эмиттер, Б – база, К1 и К2 – коллекторы, DTI – глубокая щелевая окисная изоляция, BOX – слой скрытого окисла.
На рис. 2 схематически представлена топология магнитотранзистора с вертикальным расположением коллекторов.
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ
Моделирование проводилось в автоматизированной системе приборно-технологического проектирования (TCAD) компании Synopsys. Для моделирования были разработаны модели трехмерных структур магнитотранзисторов (см. рис. 1, 2). При этом, для упрощения, вокруг контактов к эмиттеру и коллекторам не создавались слои NIMP и вокруг контакта к базе не создавался слой PIMP, поскольку в TCAD можно задать сопротивление контакта (сколь угодно малое). Также не создавались слои DTI и BOX.
На рис. 3а показана часть трехмерной структуры магнитотранзистора с горизонтальным расположением коллекторов со стороны коллектора К1, на рис. 3б – со стороны базы.
При моделировании использовалась дрейфово-диффузионная модель и учитывались следующие физические эффекты:
• сужение ширины запрещенной зоны кремния по мере повышения концентрации легирующей примеси;
• рассеяние носителей заряда на фононах и на ионах примеси;
• рекомбинация Шокли-Рида-Холла с временами жизни неравновесных носителей заряда, зависящими от концентрации легирующей примеси, а также Оже-рекомбинация;
• перенос носителей заряда в магнитных полях.
Подробное описание этих эффектов приведено в [7].
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРОВ
При моделировании ток базы задавался резистором 500 Ом, подключенным к источнику напряжения. Напряжение источника изменялось от 0 до 5 В. Эмиттер подключен к общему проводу. Коллекторы подключены через резисторы 10 кОм к источнику напряжения 5 В. Значение магнитной индукции 1 000 Гс. Измерялось напряжение между коллекторами.
При моделировании ширина магнитотранзисторов W составляла 150 мкм, длина L – 100 мкм, ширина эмиттера и коллекторов – 3 мкм. Варьировались длина коллекторов lк и расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора lкб (см. рис. 1).
На рис. 4 показаны результаты моделирования зависимости разности напряжений между коллекторами ΔVк = Vк2 – Vк1 от тока базы Iб при различных значениях lк и lкб для структур магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов. Как видно из графиков на рис. 4, по мере роста базового тока разность напряжений между коллекторами практически линейно увеличивается и, достигнув максимального значения, также практически линейно уменьшается с большей скоростью. При одинаковых значениях lкб по мере увеличения значения lк значение базового тока, при котором ΔVк достигает максимума, уменьшается.
Также из графиков видно, что при увеличении lкб от 30 до 50 мкм значение максимальной разности напряжений между коллекторами уменьшается очень слабо, а при дальнейшем увеличении lкб до 70 мкм – резко снижается. Таким образом, значение lкб не должно превышать 50 мкм, то есть lкб ≤ L / 2.
Затем были промоделированы зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях сопротивления коллекторных резисторов Rк и значениях lкб = 50 мкм, lк = 50 мкм (рис. 5). Как видно из графиков на рис. 5, при увеличении сопротивления коллекторных резисторов от 5 до 15 кОм максимальное значение ΔVк снижается от 0,26 до 0,13 В, то есть в два раза. При этом ток базы уменьшается от 1,5 до 0,25 мА, то есть в шесть раз.
Были также получены зависимости токов коллекторов К1 и К2 от тока базы при напряжении на коллекторах 3, 4 и 5 В и значениях lкб = 50 мкм, lк = 50 мкм. Моделирование показало, что зависимости практически одинаковы. На рис. 6 представлены результаты моделирования зависимости токов коллекторов Iк и разности коллекторных токов ΔIк от тока базы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРОВ
Условия моделирования и значения параметров были такие же, как и при моделировании магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов. На рис. 7 показаны результаты моделирования зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях lк и lкб для структур магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов (см. рис. 2). Как видно из графиков на рис. 7, ход зависимостей такой же, как и для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 4). И также при одинаковых значениях lкб с увеличением параметра lк значение базового тока, при котором разность напряжений между коллекторами достигает максимума, уменьшается.
В отличие от магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов, при увеличении lк от 10 до 70 мкм резко уменьшается максимальная разность напряжений между коллекторами. Таким образом, для получения максимальной ΔVк длина коллектора lк должна быть минимальной.
Следует отметить, что для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов значения базовых токов, при которых достигается максимальное значение ΔVк, в 2–3 раза больше, чем для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов.
Далее были промоделированы зависимости ΔVк от тока базы Iб при различных значениях Rк и lкб = 30 мкм, lк = 30 мкм (рис. 8). Как видно из графиков на рис. 8, зависимости аналогичны зависимостям для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 5), но значения базовых токов, при которых достигается максимальная ΔVк, также в 2–3 раза больше.
Кроме того, были получены зависимости токов коллекторов К1 и К2 от тока базы при напряжении на коллекторах 3, 4 и 5 В и значениях lкб = 30 мкм, lк = 30 мкм. Данные зависимости оказались практически одинаковыми. На рис. 9 показаны результаты моделирования зависимости токов коллекторов Iк и разности коллекторных токов ΔIк от тока базы. Как видно из графиков на рис. 9, зависимости аналогичны зависимостям для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов (см. рис. 6), но значения базовых токов, при которых достигается аналогичная разность коллекторных токов, также в 2–3 раза больше.
На основании данных моделирования разработаны и будут изготовлены тестовые магнитотранзисторы.
СРАВНЕНИЕ МАГНИТОТРАНЗИСТОРОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ ХОЛЛА
Как отмечалось выше, авторами были разработаны, промоделированы и исследованы элементы Холла [2–4]. Результаты моделирования были подтверждены последующими измерениями тестовых элементов Холла, изготовленных компанией X-FAB по технологиям XT018, XC06, XT06 и XH035.
В табл. 2 представлены сравнительные данные по чувствительности для элементов Холла и магнитотранзисторов при напряжении 5 В. Видно, что чувствительность магнитотранзисторов в 4–10 раз выше, чем элементов Холла. Также для элементов Холла характерна зависимость чувствительности от напряжения, то есть от протекающего тока. Для магнитотранзисторов, как показали результаты моделирования, такая зависимость отсутствует.
Таким образом, по результатам моделирования магнитотранзисторов можно сделать следующие выводы:
• для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов в целях получения максимальной разности напряжений между коллекторами максимальное расстояние от края магнитотранзистора со стороны базового контакта до коллектора не должно превышать половины длины магнитотранзистора, то есть lкб ≤ L / 2;
• для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов в целях получения максимальной разности напряжений между коллекторами длина коллектора lк должна быть минимальной;
• сравнение магнитотранзисторов с горизонтальным и вертикальным расположением коллекторов показывает, что при примерно одинаковой максимальной разности напряжений между коллекторами значения базовых токов, при которых достигается максимальная ΔVк, для магнитотранзисторов с вертикальным расположением коллекторов в 2–3 раза больше, чем для магнитотранзисторов с горизонтальным расположением коллекторов;
• для магнитотранзисторов можно получить чувствительность в 4–10 раз выше, чем для элементов Холла.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.576.21.0026 от 30 июня 2014 года, уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57614X0026).
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев О. А., Мамиконова В. М., Петров В. В., Котов В. Н., Негоденко О. Н. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 153 с.
2. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M., Svistunov A. Hall integrated plate research and simulation // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11. № 7. P. 4288–4294.
3. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M. Comparative analysis and simulation of integrated Hall elements formed in CMOS-technology // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11. № 19. P. 11574–11580.
4. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M., Svistunov A., Demidov D. CMOS integrated Hall elements parameters simulation and real structures behaviors measuring // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. V. 12. № 19. P. 5597–5606.
5. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. – М.: ДМК Пресс, 2001. 544 с.
6. Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. – М.: Радио и связь, 1987. 88 с.
7. Горячкин Ю. В., Нестеров С. А., Сурин Б. П. Физико-топологическое моделирование в САПР TCAD. – Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2006. 124 c.
Отзывы читателей
