Исследование частотной зависимости проводимости нитевидных кристаллов кремния при криогенных температурах для создания сенсоров температуры на их основе

Abstract

Исследована частотная зависимость активного сопротивления нитевидных кристаллов кремния, легированных бором в разной концентрации, соответствующей диэлектрической стороне перехода «металл — диэлектрик», в температурном интервале 4,2—100 К. На основе анализа полученных характеристик установлены и изучены особенности механизма переноса носителей заряда в нитевидных кристаллах Si в области низких частот. Разработан тензорезистор, работоспособный при криогенных температурах и обеспечивающий точность измерения температуры до 0,1 К.

Дослідження особливостей низькотемпературної провідності напівпровідникових ниткоподібних кристалів (НК) кремнію відіграють значну роль при розробці електронних приладів, зокрема сенсорів температури. Результати досліджень активної складової імпедансу Z' НК кремнію, отримані при кріогенних температурах, вказують на її збільшення при зниженні температури і частотну залежність в діапазоні від 0 до 250 кГц. При цьому встановлено, що в температурному діапазоні 4,2—20 К при частоті ωкр, яка може дорівнювати від 8 до 20 кГц в залежності від питомого опору та температури, в зразках реалізується стрибкова провідність за участю фононів, що призводить до суттєвого зниження величини Z' при підвищенні частоти до 250 кГц. Наприклад, при температурі 4,2 К для зразка з питомим опором ρ300К = 0,0168 Ом⋅см частота ωкр дорівнює 8 кГц, і в діапазоні до 250 кГц активна складова імпедансу знижується майже вдвічі. Така загальна поведінка частотної характеристики зразка зберігається аж до 20 К, при 25 К величина Z' практично не залежить від частоти, а при більш високих температурах при підвищенні частоти вона несуттєво зростає. Зменшення питомого опору зразків призводить до звуження температурного інтервалу, в якому реалізується стрибкова провідність, і при ρ300К = 0,0143 Ом⋅см вона спостерігається тільки в області гелієвої температури. Зсув частоти початку стрибкової провідності ωкр від 8 до 20 кГц, в залежності як від температури, так і від величини питомого опору досліджуваних кристалів кремнію, пов’язаний зі зміною концентрації вільних носіїв заряду в зразках, оскільки саме вона обумовлює вплив кулонівської щілини на ωкр. Експериментальні дослідження низькотемпературної провідності ниткоподібних кристалів кремнію дозволили запропонувати працездатний в інтервалі 4,2—100 К сенсор температури. Сенсор працює на змінному струмі, оскільки це дозволяє уникнути саморозігріву чутливого елемента, а також виникнення «паразитних» термо-ерс, що теж впливає на точність вимірювання температури.

Studies of low-temperature features of semiconductor silicon whisker conductivity play a significant role in the development of electronic devices, such as temperature sensors. The results of studies of the active component of impedance Z' for silicon whiskers obtained at cryogenic temperatures, indicating the increase of its value under temperature decreasing, and showing the frequency dependence in the range from 0 to 250 kHz. It was found that in temperature range 4.2–20 K at a frequency ωкр which can amount from 8 to 20 kHz, depending on resistivity and temperature, the hopping conduction with the participation of phonons is observed in whisker samples, resulting in a significant reduction of Z' value at frequencies up to 250 kHz. For example, at a temperature of 4.2 K for the sample with resistivity ρ300K=0.0168 Ohm • cm the frequency ωкр is equal to 8 kHz, and in frequency range up to 250 kHz the active component of impedance is reduced approximately by half. Such behavior of the frequency response for these samples is kept up to 20 K, whereas at 25 K the value of Z' is almost independent of frequency, and at higher temperatures with the increasing of frequency, it slightly increases. Reducing the resistivity of the samples leads to a narrowing of the temperature range, where the hopping conduction is observed, and at ρ300K= 0.0143 Ohm • cmit is observed only at a helium temperature.