Resumen

Los sensores magnéticos de estado sólido fabricados con materiales semiconductores generan una señal eléctrica cuando son sometidos bajo la influencia de un campo magnético. Esta señal eléctrica es el resultado de una serie de efectos físicos dentro del material semiconductor conocidos como efectos galvanomagnéticos, que son a su vez resultado de la fuerza de Lorentz sobre las cargas en movimiento dentro del cuerpo del sensor. Los sensores magnéticos de estado sólido se diseñan de tal forma que las cargas en movimiento dentro del semiconductor experimentan la mayor desviación posible cuando se aplica un campo magnético. Las propiedades físicas del material semiconductor son de suma importancia para construir sensores magnéticos.

La movilidad de los portadores es uno de los parámetros más importantes para fabricar sensores magnéticos con materiales semiconductores. Debido a que la desviación de los portadores es directamente proporcional a la movilidad, mientras más alto sea este valor, más fuerte será esta desviación, y por lo tanto se pueden detectar campos magnéticos más débiles. Sin embargo, es muy caro fabricar sensores magnéticos con materiales semiconductores que tienen valores altos de movilidad de los portadores y solo se fabrican si no hay otra alternativa disponible. Además, es deseable integrar en la misma pastilla de material semiconductor la electrónica para el proceso de la señal eléctrica y el cuerpo del sensor.

La tecnología de metal-óxido-semiconductor complementaria (CMOS) es la tecnología de material semiconductor más popular y barata entre las diferentes tecnologías de materiales semiconductores. Usando principalmente silicio como material semiconductor, esta tecnología puede producir miles o millones de dispositivos electrónicos idénticos a precios relativamente bajos. Fabricar un sensor magnético de silicio con la tecnología CMOS es económico porque la electrónica del sensor se puede fabricar fácilmente en el mismo circuito integrado. Pero esto solo se puede lograr si la fabricación del cuerpo del sensor magnético se realiza sin modificar los pasos de fabricación de la tecnología CMOS. Cualquier modificación en el proceso de fabricación estándar no pueden realizarse sin encarecer el precio final del sensor integrado.

La estructura de drenaje dividido de un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, MAGFET, es la alternativa ideal para fabricar sensores magnéticos integrados con la tecnología CMOS. Su fabricación no necesita ningún proceso extra de fabricación dentro del proceso CMOS ya que es 100 % compatible. Se puede fabricar la electrónica para procesar la señal eléctrica en el mismo substrato que el del sensor. De hecho, la tecnología CMOS está diseñada para construir MOSFETs de alto rendimiento y el principio de funcionamiento de un MAGFET aprovecha la capa de inversión de un MOSFET común. Sin embargo, la movilidad de los portadores en esta capa de inversión no es tan alta como en el substrato del silicio o de otros materiales semiconductores.

La estructura MAGFET tiene su drenaje dividido en dos o más partes. En ausencia de un campo magnético, la corriente total se reparte equitativamente entre los diferentes drenajes. Si se aplica un campo magnético perpendicular respecto de la capa de inversión de un MAGFET, las corrientes de drenaje dejan de ser iguales. Entonces se puede medir un diferencial de corriente entre dos drenajes, que es directamente proporcional a la movilidad de los portadores. A temperatura ambiente solo pueden detectarse campos magnéticos fuertes, pero si se congela la estructura del MAGFET a temperatura del nitrónego líquido, la movilidad de los portadores se incrementa, así como el diferencial, por lo tanto, se pueden detectar campos magnéticos débiles. Además, la operación criogénica de dispositivos de silicio ofrece muchas otras ventajas, como por ejemplo una mejor razón de señal-ruido.

Para entender mejor la interrelación entre las fuerzas eléctricas y magnéticas dentro del material semiconductor se necesitan simulaciones en tres dimensiones. La naturaleza vectorial de la fuerza de Lorentz obliga a este tipo de análisis. Además, se pueden analizar mejor las variaciones en los parámetros geométricos ya que los modelos analíticos se han desarrollado para geometrías específicas. Se pueden analizar mejor las variaciones del potencial y de la concentración de los portadores bajo la presencia de un campo magnético si se dispone de resultados de simulación a temperatura ambiente y temperatura del nitrógeno líquido.

En esta tesis se presentan resultados de simulación de MAGFETs. Los datos experimentales de MAGFETs de dos drenajes han sido bien reproducidos con las simulaciones tanto a temperatura ambiente como a temperatura del Nitrógeno líquido. Se analiza la sensibilidad relativa bajo diferentes condiciones de polarización y parámetros geométricos ya que ésta es una de las principales figuras de mérito de los sensores magnéticos. Se ha programado un procedimiento de discretización que toma en cuenta un campo magnético arbitrario, y con ayuda de éste se han realizado simulaciones en tres dimensiones usando el simulador de dispositivos MINIMOS-NT.