Разработка магнитодиода (стр. 5 из 8)

Периметр наклонной части концентратора

(3.39)

Периметр прямой части концентратора

(3.40)

=0.008

Периметр магнита

(3.41)

По приведенной методике определяется максимальная магнитная индукция на магнитной нейтрале в зазоре дипольной МС.

1) Построим график зависимости индукции от перемещения для дипольной МС (рис 3.11)

, (3.42)

где В_max - максимальное значение магнитной индукции в зазоре дипольной системы, определяемое величиной магнитных проводимостей системы, Тл; X - смещение измерителя магнитной индукции (ИМИ) относительно положения с В_max, м; k - коэффициент, зависящий от ширины ИМИ (k==0,13…0.17).

3.2 Расчет магнитодиода

Исходные данные для расчета параметров магнитодиода:

Исходный материал - арсенид галлия.

Удельному сопротивление - 25000 Ом·см;

Время жизни неосновных носителей заряда - 600 мкс.

Рабочее напряжение - 2 В.

Ток, протекающий через магнитодиод, I=0,25 мА, при индукции магнитного поля B=0.23 Тл. Возникающее холловское напряжение при заданном токе и индукции U_х=2,5 В. Напряженность электрического поля E=1,37·10⁴ В/см. Толщина пластины (рис.3.12) определяется из уравнения

, (3.43)

где

- коэффициент Холла; h - толщина полупроводниковой пластины в направлении магнитного поля; I - ток, текущий через пластину; q - заряд электрона (1,6·10^-19 Кл); p - концентрация носителей заряда в базе магнитодиода; B - магнитная индукция внешнего магнитного поля

. (3.44)

Концентрация носителей заряда в базе магнитодиода

, (3.45)

где r - удельное сопротивление пластины, Ом·см; m_р - подвижность дырок, 400 см²/ В·с.

Рис. 3.12. Конструкция магнитодиода

Подставим это выражение в формулу (3.44)

Ширина пластины магнитодиода находится из выражения

, (3.46)

где v - дрейфовая скорость носителей заряда в магнитодиоде, которая равна

где m_р - подвижность дырок; E - напряженность электрического поля.

v = 400^-4·1.37·10⁶= 5,48·10⁴ м/с.

Подставим это значение в формулу (3.38)

.

Оптимальное значение отношения d/L, т.е. длины базы к длине диффузионного смещения

(d/L) _опт= 1.2+0.5·ln (p_о·r), (4.5)

где L - длина диффузионного смещения, см; p_о=P/S - удельная рассеиваемая мощность, Вт/см²; S - площадь поперечного сечения магнитодиода, см²; P - рассеиваемая мощность, Вт; r - удельное сопротивление, Ом·см; рассеиваемая мощность:

P = U·I = 2·0,25·10^-3 = 5·10^-4 Вт.

Площадь поперечного сечения магнитодиода

S = h·а = 235·10^-5·1,94·10^-4 = 456,2·10^-5 см².

Удельная рассеиваемая мощность

.

Подставим полученные значения в формулу (3.39)

(d/L) _опт»1.2+0.5·ln (109,6·25·10³) = 8,612

Длина диффузионного смещения находится из выражения

, (3.47)

где b=m_n/m_p; m_р - подвижность дырок, 400 см²/B·с; m_n- подвижность электронов, 8500 см²/B·с; j_т - температурный потенциал, 0.025 В; t_р - время жизни носителей заряда, для данного материала > 600 мкс.

см.

Длина базы магнитодиода равна

d= L·8,612 = 3,38·10^-4·8,612 = 0,29 см.

Длина магнитодиода с учетом ширины контактных площадок равна

l = 2,9+2·0.8 = 4,4 мм.

Основные геометрические размеры магнитодиода:

h (толщина) = 0,23 мм;

а (ширина) = 0, 194 мм;

d (длина базы) = 2,9 мм;

l (длина магнитодиода) = 4,4 мм.

Проведем расчет параметров ионного легирования арсенида галлия для создания n⁺ - и p⁺-областей под инжектирующий и антизапирающий контакты; n⁺ - область образуется введением атомов фосфора, а p^{+ -} введением атомов бора.

Основные исходные данные для расчета параметров ионного легирования: ускоряющее напряжение E =100 кэВ; доза легирования Ф =10¹² см^-2 (при легировании бором); доза легирования Ф =10¹² см^-2 (при легировании фосфором). Необходимо рассчитать глубину залегания p-n перехода. При легировании бором E=100 кэВ, Rp=307 нм, DRp=69 нм

, (3.48)

где Rp - средняя проекция пробега иона; DRp - среднее квадратичное отклонение проекции пробега;

см^-3.

Глубина p-n перехода определяется из соотношения

, (3.49)

где N_о - исходная концентрация примесей в подложке.

Глубина залегания p-n перехода при ионном легировании бором равна 0.6 мкм.

В процессе легирования фосфором при E=100 кэВ, Rp=135 нм, DRp=53 нм

Магнитная чувствительность полученного магнитодиода

, (3.50)

где U = 2В - напряжение на магнитодиоде при B = 0.

Вольт-амперная характеристика магнитодиода

(3.51)

(3.52)

Подставляя значения напряжения от 0 до 2 В, строим график зависимости I = f (U) (рис.3.13).

Рис.3.13. Вольт-амперная характеристика магнитодиода

Построим график зависимости выходного напряжения магнитодиода от перемещения U (X) (рис.3.14).

где:, I- управляющий ток, мА, В_max - максимальное значение магнитной индукции в зазоре дипольной системы, определяемое величиной магнитных проводимостей системы, Тл; X - смещение измерителя магнитной индукции (ИМИ) относительно положения с В_max, м; k - коэффициент, зависящий от ширины ИМИ (k==0,13…0.17).

Рис. 3.14.

Зависимость выходного напряжения от смещение измерителя магнитной индукции относительно положения с В_max.

4. Разработка топологии кристалла

При разработке топологии кристалла полупроводникового датчика на кристалле необходимо учитывать следующие конструктивно-технологические ограничения [8]:

Таблица 4.1 - Конструктивно-технологические ограничения

Минимально-допустимые размеры	мкм
Размер контактных площадок для приварки проводников	100×100
Расстояние между контактными площадками	70
Ширина проводника	6
Расстояние между проводниками	4
Размеры окна вскрытия в окисле	4×4
Размер окна в пассивирующем слое	100×100