赵晓锋，温殿忠，潘东阳，王志强，修德军

（黑龙江大学a.黑龙江省普通高等学校电子工程重点实验室；b.集成电路重点实验室，哈尔滨150080）

0 引 言

20世纪70年代，采用合金烧结工艺制作立体结构锗磁敏三极管［1－2］，该器件具有正反磁灵敏度。在单晶硅片上制作具有矩形板状立体标准结构的硅磁敏三极管一直未能实现。随着MEMS技术的发展，2003年黑龙江大学敏感技术研究所采用KOH硅各向异性腐蚀技术在高阻单晶硅片上制作完成矩形板状立体结构的新型硅磁敏三极管。通过特性测试，该新型硅磁敏三极管的集电极电流相对磁灵敏度较高，最大可达227%／T，具有负温度系数且温度系数较小［3－6］。

本文在分析新型硅磁敏三极管基本结构、工作原理和特性基础上，通过采用Silvaco的ATLAS软件建立新型硅磁敏三极管仿真结构模型，研究基区宽度、复合基区长度等几何结构参数对其特性的影响，为进一步实现新型硅磁敏三极管优化设计奠定基础。

1 新型硅磁敏三极管结构和工作原理

采用MEMS技术在p型高阻（ρ≥100Ω· cm）＜100＞晶向单晶硅片表面制作具有矩形板状立体结构［3］的n＋pn＋型硅磁敏三极管，图1给出新型硅磁敏三极管的基本结构模型，B为外加磁场。

图1 n＋pn＋型硅磁敏三极管结构模型Fig.1 Structure model of n＋pn＋silicon magnetic sensitive transistor

图2给出新型硅磁敏三极管在外加磁场作用下载流子偏转。当外界磁场B加于磁敏三极管，载流子在洛仑兹力作用下发生偏转。图2（a）、（b）、（c）分别给出新型硅磁敏三极管在共发射偏置时，在B＝0T、B＞0T、B＜0T时硅磁敏三极管载流子在洛仑兹力下的偏转情况。

当B＝0T时，如图2（a）所示，e－i－b是n＋－i－p＋型长基区硅磁敏二极管，从发射极e注入的电子，一小部分被输运到集电极，形成集电极电流Ic。而大部分受横向电场的作用，与基极注入的空穴复合，即形成基极电流Ib。

当B＞0T时，如图2（b）所示，e－i－b作为n＋－i－p＋型长基区硅磁敏二极管，在外加磁场且B＞0T时，发射极注入的电子和基极注入的空穴受到洛仑兹力的作用，载流子向发射极e一侧偏转，大部分在基区复合掉，使载流子有效寿命减小，致使有效扩散长度减小，基区内压降增大，n＋－i和p＋－i结压降减小，使载流子输运到集电结的数量减小。故集电极电流Ic减小。

当B＜0T时，如图2（c），e－i－b作为n＋－i－p＋型长基区磁敏二极管，在外加磁场且B＜0T时，发射极注入的电子和基极注入的空穴受到洛仑兹力的作用，载流子向集电极c一侧偏转，由于表面处复合速率小，使载流子有效寿命增加，致使有效扩散长度变长，基区内压降减小，n＋－i和p＋－i结压降增加，使集电极收集的载流子数目增多。故集电极电流增加。新型硅磁敏三极管集电极电流Ic随外加磁场B变化，具有正、反向磁灵敏度，而且有确定的磁敏感表面，磁场必须与之垂直，才有最大的磁灵敏度。

2 新型硅磁敏三极管特性研究

本文采用BJ－4814半导体管特性测试仪对新型硅磁敏三极管样品进行伏安特性测试，图3（a）、（b）、（c）分别给出新型硅磁敏三极管在外加磁场B＝0T、B＞0T、B＜0T时的伏安特性，其中Vce为硅磁敏三极管发射极与集电极电压，1V／每格；Ic为硅磁敏三极管集电极电流，1mA／每格。结果表明，当B＞0T时，集电极电流变小；当B＜0T时，集电极电流变大，该新型硅磁敏三极管具有正、反向磁灵敏度。

3 新型硅磁敏三极管特性仿真研究

3.1 仿真模型建立

采用Silvaco的ATLAS仿真软件建立新型硅磁敏三极管仿真结构模型，研究基区宽度、复合基区长度等不同结构参数对硅磁敏三极管特性的影响。图4为新型硅磁敏三极管的模拟仿真结构图。

图4 采用ATLAS新型硅磁敏三极管仿真模型Fig.4 Simulation model of new silicon magnetic transistor on the base of ATLAS

3.2 新型硅磁敏三极管Ic－Vce特性仿真

3.2.1 基区宽度对Ic－Vce特性影响

图5（a）、（b）、（c）和（d）分别给出复合基区长度为120μm，基区宽度w分别为40、30、20 μm和10μm时，温度为300K、外加磁场B＝0T，基极注入电流Ib为不同值时Ic－Vce特性仿真曲线。仿真结果表明，当基区宽度w和外加偏压Vce恒定时，随基极注入电流Ib增加，集电极电流Ic增加；当外加偏压Vce和基极注入电流Ib恒定时，基区宽度w减小，集电极电流放大倍数增加且集电极电流出现不饱和现象。

3.2.2 复合基区长度对Ic－Vce特性影响

图6（a）、（b）、（c）分别给出基区宽度为30 μm，复合基区长度L分别为80、120、160μm时，温度为300K、外加磁场B＝0T，基极注入电流Ib为不同值时Ic－Vce特性仿真结果。结果表明，当复合基区长度L和外加偏压Vce恒定时，随基极注入电流Ib增加，集电极电流Ic增加；当外加偏压Vce和基极注入电流Ib恒定时，复合基区长度L增加，集电极电流放大倍数减小。

3.3 新型硅磁敏三极管磁特性仿真

3.3.1 基区宽度对磁特性影响

图7（a）、（b）和 （c）分别给出复合基区长度为120μm，基区宽度w为40、30μm和20μm时，基极注入电流Ib为5mA，外加磁场B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T时，新型硅磁敏三极管的Ic－Vce特性仿真结果。仿真结果给出，在基极注入电流恒定时，随外加正向磁场增加，集电极电流逐渐减小，随外加反向磁场增加，集电极电流逐渐增加，新型硅磁敏三极管仿真结构模型具有正反向磁灵敏度，与实验结果一致。在基极注入电流相同时，随基区宽度减薄，正反向磁灵敏度增加，但集电极电流出现不饱和现象。

3.3.2 复合基区长度对磁特性影响

图8（a）、（b）和（c）分别给出基区宽度w为30μm，复合基区长度为80、120μm和160μm时，基极注入电流Ib为5mA，外加磁场B＝0T、B＝±0.3T和B＝±0.5T时，新型硅磁敏三极管的Ic－Vce特性仿真结果。仿真结果给出，在基极注入电流恒定时，随外加正向磁场增加，集电极电流逐渐减小，随外加反向磁场增加，集电极电流逐渐增加，新型硅磁敏三极管仿真结构模型具有正反向磁灵敏度，与实验结果一致。在基极注入电流相同时，复合基区长度为160μm时，正反向磁灵敏度最大。

3.4 新型硅磁敏三极管温度特性仿真

对基区宽度为30μm、复合基区长度为120 μm新型硅磁敏三极管仿真结构模型，当外加磁场B＝0T，复合基极注入电流Ib＝5mA，采用ATLAS对新型硅磁敏三极管进行温度特性仿真，图9给出新型硅磁敏三极管温度特性仿真结果，结果表明，随着温度升高，集电极电流Ic减小，集电极电流Ic具有负温度系数。

图9 新型硅磁敏三极管温度特性仿真结果Fig.9 Simulation results of the new type silicon magnetic sensitive transistor temperature characteristics

4 结 论

本文通过分析新型硅磁敏三极管基本结构、工作原理和实验结果，采用ATLAS软件建立新型硅磁敏三极管仿真结构模型，研究基区宽度、复合基区长度等结构参数对新型硅磁敏三极管I－V特性、磁电特性和温度特性的影响。仿真结果表明：

1）在T＝300K、B＝0T时，复合基区长度和基极注入电流一定时，基区宽度w减薄，集电极电流放大倍数增加且出现不饱和现象；基区宽度和基极注入电流一定时，复合基区长度减小，集电极电流放大倍数增加。

2）在T＝300K、B≠0T时，新型硅磁敏三极管具有正反向磁灵敏度，复合基区长度一定和基极注入电流一定时，基区宽度w减薄，正反向磁灵敏度增加。

3）新型硅磁敏三极管集电极电流具有负温度系数。

通过仿真研究，给出影响新型硅磁敏三极管特性的主要因素，为实现新型硅磁敏三极管优化设计奠定基础。

［1］黄得星.长基区晶体管的磁敏感效应 ［J］.半导体学报，1982，3（4）：319－327.

［2］黄得星.磁敏感器件及其应用 ［M］.北京：科学出版社，1987：146－159.

［3］温殿忠，穆长生，赵晓锋.采用MEMS技术制造硅磁敏三极管［J］.传感器技术，2001，20（5）：49－52.

［4］赵晓锋，温殿忠.基于MEMS技术新型硅磁敏三极管负阻－振荡特性［J］.半导体学报，2005，（6）：1 214－1 217.

［5］Dianzhong Wen.A new measurement circuit of magneto－transistor formed on a SOI Substrate［J］.Journal of Electron Devices，2006，29（3）：609－612.

［6］Zhao Xiaofeng，Wen Dianzhong.Fabrication–technology research of new type silicon magnetic－sensitive transistor［J］.RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING，2006，35（12）：492－494.

［7］Dianzhong Wen.Sensitivity analysis of junction field effect－pressure Halltron［J］.RECIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS，1995，66（1）：251－255.

［8］温殿忠.P＋－I－N＋器件压磁电效应的研究 ［J］，传感器技术学报，1996，（6）：10－15.

［9］温殿忠，黄得星，张喜勤，等.磁敏感元器件与磁传感器［M］.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2003：150－154.