Тензочувствительности полупроводниковых пленок с мелких и глубоких примесей при температуре жидким гелием

АННОТАЦИЯ

Разработано установка для определения тензочувствительности полупроводниковых тонких пленок при температуре 4.2К. Установлено, что относительной изменения сопротивления полупроводниковой пленке при ее деформации в различных температурах и предложено структурная модель, объясняющая механизм определения тензочувствительности при температуре жидкого гелия 4.2К.

ABSTRACT

The setup to determine tensosensitivity of semiconductor thin films under temperature of 4.2K has been developed. The relative change of resistance of the semiconductor film during its deformation at different temperatures is established, and a structural model is proposed that explains the mechanism to determine tensosensitivity at temperature 4.2K of liquid helium.

Ключевые слова: тензочувствительности, потенциальный барьер, коэффициент тензочувствительности, деформация, барьерный механизм, полупроводниковая пленка, тензодатчик.

Keywords: stress sensitivity, potential barrier, stress sensitivity coefficient, deformation, barrier mechanism, semiconductor film, strain gauge.

Введение

В последние годы в мире резко возрастает интерес к полупроводниковым тензодатчиками. Причиной бурного развития полупроводниковой тензометрии является новые широкие возможности применения полупроводниковых тензодатчиков в области исследования прочности материала и конструкций, в сверх миниатюрных преобразователях механических величин (силы, давления, деформации, момента и т. д.) в электрические сигналы. Исследование тензометрических свойств различных полупроводниковых материалов и приборов показало, что многие из них могут служить датчиками деформаций и давлений, обладающими существенными преимуществами перед известными проволочными тензочувствительными элементами.

Основными свойствами полупроводниковых тензодатчиков, отличающими их от проволочных, являются весьма малые размеры, очень высокая тензочувствительность (на два-три порядка выше, чем у проволочных датчиков)[1], высокий уровень выходного сигнала измерительных схем, которые исключают сложные, громоздкие и дорогие усилители[2]. Важнейшей особенностью полупроводниковых тензодатчиков является возможность изменять в широких пределах их механические и электрические свойства, что принципиально неосуществимо в проволочных датчиках.

Вместе с тем, разработка и применение полупроводниковых датчиков связано с ростом серьёзных трудностей как технологического (процесс изготовления полупроводниковых датчиков весьма сложен), так эксплуатационного порядка (необходимы специальные средства температурной компенсации и т. п.)[3].

В настоящее время ведутся интенсивные исследования полупроводниковых тензорезисторов и устройств, используюших их в качестве преобразователей[4]. В результате проведенных последнее время исследований выявили ряд тензочувствительных полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий, карбид кремния, фосфид галлия, антимонид индия и галлия и других, перспективных для использования их в тензометрии для интервала различных температур. В связы с этим было разработанно криогенная установка жидкого гелия 4,2 К.

Между тем потребности в полупроводниковой тензометрии значительно возросли: датчики механических параметров с полупроводниковыми тензодатчиками находят всё более широкое применение в авиационной и ракетной технике, машиностроении, приборостроении, в медицине и в биологии и в ряде других областях народного хозяйства, и поэтому в настоящее время актуальной задачей является поиски новых материалов, обладающих хорошими тензосвойствами. Особое внимание привлекает исследование тензоэффекта и тензометрических свойств материалов при низких температурах . В связи с этим  разработанно установка и исследованно тензочувствительность полупроводниковых пленок с присутствием мелких и глубоких примесей при  низких температурах.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Известно, что коэффициент тензочувствительности в полупроводниковых тензорезисторах связан с константами пьезосопративления, материала из которого они изготовлены, которые определяются из эффекта пьезосопротивления.

Целью работы является повышение точности измерения тензометрии-ческих параметров полупроводниковых пленок с присутствием мелких и глубоких примесей.

Криогенная установка содержит корпус с жидким гелием и расположенный внутри него криогенный контей-нер, состоящий из верхней и нижней частей, жестко соединенных между собой, и исследуемый образец.

Верхняя часть контейнера выполнена из стальной трубы-стержня, расположенного внутри криогенного контейнера, нижняя часть выполнена в виде латунного стакана, установленного дном вверх, в котором выполнены два отверстия. Исследуемый образец выполнен в виде полупроводниковой пленки с двумя посеребренными контактами и установлен на стальной подложке, закрепленной посредством планки и бронзовых винтов на площадке, расположенной в нижней части стакана, причем контакты образца под-ключены посредством токопроводов, проходящих через первое отверстие в дне к одной паре контактов электрической измерительной схемы, размещенной вне криогенного контейнера, на дне латунного стакана установлен тензодатчик, контакты которого соединены со второй парой контактов электрической измерительной схемы, а стержень, выполненный с заостренным нижним концом, расположен во втором отверстии дна латунного стакана с воз-можностью вертикального перемещения.

На рис. 1 приведена конструкция криогенной установки, на рис. 2–график относительного изменения сопротивления полупроводниковой пленки от относительного удлинения при ее деформации.

На рис. 3 приведена структурная модель, объясняющая механизм тензочувствительности полупроводниковой пленки.

Криогенная установка 1 содержит криогенный контейнер 2, состоящий из двух частей. Верхняя часть 3 выполнена в виде, стальной нержавеющей трубы, нижняя часть 4 выполнена в виде латунного стакана, установленного дном вверх. На дне латунного стакана выполнены два отверстия 5,6. Исследуемый образец 7 выполнен в виде полупроводниковой пленки с двумя посеребренными контактами 8 и установлен на стальной подложке 9. Ис-следуемый образец 7 закреплен посредством планки 10 и бронзовых винтов 11. Стальная площадка 9 установлена на площадке 12 в нижней части стакана. Токопроводы 13 служат для подключения исследуемого образца к первой паре контактов электрической измерительной схемы 14.

Контакты 16 тензодатчика 15 подключены ко второй паре контактов электрической измерительной схемы 14 посредством токопроводов 17. Стержень 18 с заостренным концом 19 и рукояткой 20 расположен в отверстии 5 с возможностью вертикального перемещения.

Рисунок 1. Конструкция криогенной установки:

1-криогенная установка; 2-криогенный контейнер; 3-сталь; 4-латунный стакан; 5, 6-отверствия 7-образец; 8- контакты; 9-стальная подложка; 10-планка; 11-бронзовый винт;12-нижный часть стакана; 13-токопроводы;14-электричская измерительная схема; 15, 16- контакты тензодатчики; 17-токопроводы; 18-стержень; 19-заостренный конец; 20-рукоятка.

Рисунок 2. Относительного изменения сопротивления полупроводниковой пленке относительного удлинения при ее деформации

Рисунок 3. Структурная модель, объясняющая механизм тензочувствительности полупроводниковой пленки

Устройство работает следующим образом. На подложке 9 наклеивают исследуемый образец 7, затем посредством планки 10 и бронзовых винтов 11 исследуемый образец 7 жестка закрепляют на подложке. Криогенный кон-тейнер 2 погружают в криогенную установку 1, корпус которой на часть объ-ема заполнен жидким гелием. С помощью электрической измерительной схемы 14 измеряют температуру на исследуемом образце 7. Когда тем-пература образца 7 достигнет 4,2 градуса Кельвина, то его подвергают дефор-мации растяжения или сжатия посредством вертикального перемещения стержня 18. Например, рукоятку 20 стержня 18 вращают до упора так, чтобы острие 19 стержня касалось подложки 9, затем с помощью тензодатчика 15, определяют относительное удлинение исследуемого образца 7, а его электрическое сопротивление определяют с помощью электрической измерительной схемы 14.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) рассчитывают по формуле

                                                                       (1)

где D R=R₁–R_o;

R₀- сопротивление полупроводниковой пленки при 20⁰С;

R­₁ – сопротивление полупроводниковой пленки в жидком гелии;

Т₀ – комнатная температура;

t₁- температура жидкого гелия.

Коэффициент тензочувствительности (КТЧ) полупроводниковой пленки 3 определяют по формуле

 ,                                                                         (2)

   ,                                                                            (3)

DR=R–R₀ ,

где R₀ – сопротивление полупроводниковой пленки без деформации;

R- сопротивление полупроводниковой пленки при деформации;

Dl=l–l₀,  где Dl – расстояние между упорами;

l – длина полупроводниковой пленки при деформации;

l₀- длина полупроводниковой пленки без деформации;

Dy=nDS, где n-число оборотов винта, DS – шаг винта, 6- коэффициент.

На рис.2 показана зависимость относительного изменения сопро-тивления полупроводниковой пленки от относительного удлинения при ее деформации – растяжении – сжатии при температуре жидкого гелия.

При наложении деформации, т.е. изменении ширины барьеров, в пер-каляционной сетке за счет температурного сужения зерен возникают допол-нительные туннельные переходы их прозрачность меняется, а относительное изменение сопротивления пленки растет с увеличением числа дополнительных барьеров, при этом наблюдается рост тензочувствительности с уменьшением температуры, а сопротивление, зависящее от деформации, составляет небольшую часть DR/R ~ 10% от общего сопротивления пленки.

На рис. 3 дана структурная модель, объясняющая механизм определения тензочувствительности полупроводниковых пленок при деформации и температуре жидкого гелия 4,2 К, которая сводится к потенциальному барьерному механизму электропроводности.

Потенциальные барьеры возникают между зернами материала полу-проводниковых пленок. Структура каждого зерна неоднородна, т.е в цен-тральной части зерна содержится более чистое полупроводниковое вещество, и его структура имеет монокристаллическое строение. Вблизи поверхности структура зерен становится поликристаллической. Сама поверхность зерен имеет окисный слой. Между зернами возникает потенциальный барьер. Ши-рина этого барьера составляет 50 ÷ 200 . На окисном слое существуют по-верхностные уровни, которые играют роль резонансных уровней при низких температурах.

При деформации высота потенциального барьера зависит от толщины поверхностного слоя, изменения спектра энергии носителей заряда в соответствующих зонах.

Коэффициент тензочувствительности обусловлен изменением высота потенциального барьера, учитывающей изменение степени заполнения по-верхностных состояний под действием деформации полупроводниковой пленки.

В случае произвольной ионизации примесей, а также при наличии глубоких центров в определенных условиях становятся чувствительными к деформацию наряду с неосновными и основные носители заряда[6]. Необходимо также учесть и зависимость времени жизни носителей от деформации. Все это должно привести к новым зависимостям параметров и характеристик переходов от механического напряжения. Поэтому представляет интерес исследование влияния механической деформации на параметры и характеристики переходов в случае произвольной ионизации мелких и глубоких примесей при низких температурах.

Заключение

В заключении отметим, что исследованы деформационные явления в полупроводниковых структурах при температуры жидкого гелия дает шанс разработки оптимального режима технологии получения пленочных элементов с уникальными свойствами : высокой тензочувствительностью, температурной стабильностью.

Список литературы:
1. Стучебников В.Г. Маркетинг микроэлектронных датчиков. //Зарубежная радиоэлектроника 1991. № 8. стр. 3-6
2 Стучебников В.Г. Структуры “КНС” как материал для тензопреобразателей механических величин.// Радиотехника и электроника 2005. т.50, № 6. стр. 678-696
3. Лурье Г.И. Измерения давления в криогенных средах. //Измерения, контроль автоматизация. 1989. № 2. Стр. 18-25
4. Мирсагатов Ш. А., Лейдерман А.Ю., Атабоев О.К. Механизм переноса тока в инжекционном фотодиоде на основе структуры In- n+-CdS- n-CdSxTe1-x- p-ZnzCd1-xTe -Mo.// Физика твёрдого тела. 2013, том 55, вып.8. стр.1525-1535
5. Москалев С.А. Интегральный датчик давления, ускорения и температуры на базе МЭМС-технологий // Датчики и системы. 2012, № 9. стр. 9 - 12.
6. Отажонов С.М. Алимов Н. Э., Ботиров К.А., Изучение деформационных эффектов в нанокристаллических фоточувствительных активированных тонких пленках p-CdTe // Журнал физики и инженерии поверхности Харьков 2016 том 2, № 2, стр. 140 – 144;