扇形分裂漏磁敏场效应晶体管相对灵敏度研究

论文摘要

本文的主要研究内容是扇形分裂漏磁敏场效应晶体管(MAGFET)相对灵敏度模型。随着社会和科技的飞速进步，已有传感器技术已经不能完全适应越来越复杂的应用环境。现代传感技术对传感器发展提出了新的要求，小型化、集成化、网络化、智能化，以及多参量多维度传感成为大势所趋。MAGFET是一种基于标准CMOS制造工艺的磁敏传感器，与集成电路制造流程完全兼容，它将磁信号转换成电信号输出，可以与信号处理电路直接相连，完成传感器系统的单片集成，十分适应现代智能传感器系统的发展趋势。扇形分裂漏磁敏场效应晶体管是一种新结构MAGFET，实验测试其相对灵敏度最高为3.77％／T，高于已报导的传统矩形MAGFET灵敏度水平，因而研究其灵敏度模型极具意义。本文通过如下两种方法对扇形分裂漏磁敏场效应晶体管的相对灵敏度进行研究：一、数值模拟法。通过数值方法求解一组半导体物理方程，得到器件内部电压电流分布规律，再利用灵敏度与电流密度关系得到扇形MAGFET的数值模型。在数值模拟中使用包含磁场信息的沟道电荷方程，在载流子迁移率公式中引入磁场调制效应，与传统方法相比，提高了模拟精度；二、解析法。利用保角变换构造了扇形器件与矩形器件的物理映射关系，在该映射关系下得到扇形分裂漏MAGFET的几何修正因子。几何修正因子是联系器件沟道内部横向电流与纵向电流的纽带，根据二维电流密度方程计算出分裂漏极之间的横向电流差值，从而建立起扇形MAGFET灵敏度的解析模型。测试芯片采用上华0.6μm数模混合CMOS工艺设计，通过对磁场中扇形分裂漏MAGFET的性能测试，数值与解析两种模型得到验证。根据相对灵敏度模型，扇形器件设计得到优化，优化后的器件被应用于磁敏传感器集成电路设计。利用扇形MAGFET实现了磁传感器预处理电路的同步采样工作模式，并结合相关二次采样技术完成了传感器芯片设计。与异步采样电路相比，同步采样电路具有周期短、失真小等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 磁敏传感器发展现状
• 1.2.1 磁敏传感器发展现状
• 1.2.2 半导体磁敏传感器的应用
• 1.3 磁敏传感器发展方向
• 1.4 本论文研究工作
• 第2章 霍耳效应传感器
• 2.1 霍耳效应
• 2.2 霍耳效应器件的主要性能指标
• 2.3 霍耳板
• 2.4 分裂漏MAGFET
• 2.4.1 矩形分裂漏MAGFET
• 2.4.2 扇形分裂漏MAGFET
• 2.5 分裂漏MAGFET相对灵敏度的主要研究方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 半导体器件数值模拟
• 3.1 半导体器件模拟的历史
• 3.2 基本半导体方程
• 3.3 基本半导体方程解析分析
• 3.3.1 变量选择
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 方程参数归一化（scaling）
• 3.4 有限差分法简介
• 3.4.1 直接差分
• 3.4.2 箱形积分
• 3.4.3 Scharfetter-Gummel离散
• 3.5 有限元法简介
• 3.6 本章小结
• 第4章 扇形分裂漏MAGFET二维器件模拟研究
• 4.1 扇形分裂漏MAGFET的二维器件模拟
• 4.1.1 基本方程与边界条件
• 4.1.2 扇形分裂漏MAGFET模拟
• 4.1.3 磁场中载流子迁移率
• 4.1.4 扇形MAGFET相对灵敏度
• 4.1.5 器件数值模拟软件
• 4.1.6 数值模拟结果
• 4.2 扇形分裂漏MAGFET性能测试
• 4.2.1 阈值电压测试
• 4.2.2 输出特性曲线测试
• 4.2.3 相对灵敏度测试
• 4.3 扇形分裂漏MAGFET相对灵敏度模型的验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 扇形分裂漏MAGFET相对灵敏度解析模型
• 5.1 保角变换
• 5.2 扇形分裂漏MAGFET灵敏度的解析模型
• 5.2.1 矩形MAGFET几何修正因子
• 5.2.2 扇形MAGFET几何因子
• 5.2.3 扇形分裂漏MAGFET相对灵敏度模型的建立
• 5.3 解析模型验证与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 CMOS磁敏传感器集成电路设计
• 6.1 扇形MAGFET同步采样工作模式
• 6.2 集成电路系统设计
• 6.3 动态二次扫描功能的相关二次采样电路
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表情况