The summaryThe studies of piezoresistance of boron doped p-type silicon whiskers with [111] crystallographic orientation mounted on the spring elements, fabricated of the invar alloy, were carried out in the wide ranges of strains ε = ±1.26×10 -3 rel. units and temperatures 4.2-300 K. The measurements were carried out in a helium cryostat. There were investigated silicon whiskers with different types of boron doping: 1) heavily doped crystals with metallic conductivity; 2) in the vicinity of metal-insulator transition (MIT) from the metallic side of MIT and 3) in the vicinity of MIT from the insulating side of MIT. Resistance vs. strain (tensile and compressive) dependences at fixed temperatures: 4.2 K, 77 K and 300 K for Si were measured fo whiskers, mounted on in the tempereture range 4.2-300 K for the heavily doped silicon whiskers in the whole temperature range. The classic piezoresistance was observed. Non-classic piezoresistance at helium temperatures was revealed In Si whiskers with definite boron concentration in the vicinity of MIT. Gauge factor of Si whiskers with boron concentration presencefrom the insulating side of MIT achieves at 4.2 K the magnitude GF 4,2К ≈-10000 at compressive strain and GF 4,2К ≥8000 at the tensile strain. Obtained characteristics of p-type Si whiskers mounted on the spring elements allowed to forecast the performance of piezoresistive mechanical sensors characteristics on their basis. The possibility of construction of the mechanical parameters sensors (strain gages, pressure sensors etc.) of two types was shown: sensors based on heavily doped p-type Si whiskers for the wide temperature range 4.2-300 K and high-sensitive sensors based on Si crystals with boron concentration in the vicinity of MIT for control and signaling systems at cryogenic temperatures.Key words: piezoresistance, silicon, whiskers, cryogenic temperatures, mechanical sensors. отн. ед. и тем-ператур 4,2-300 К. Измерения проводились в гелиевом криостате. Исследовались НК крем-ния с различной концентрацией бора: 1) сильно легированные кристаллы с металличес-кой проводимостью; 2) вблизи перехода металл-изолятор (ПМИ) с металлической сторо-ны; 3) вблизи ПМИ с изолирующей стороны. Определялись зависимости относительного изменения сопротивления НК р-Si, закрепленных на балках из инвара, от деформации растяжения и сжатия при фиксированных температурах: 4,2 К, 77 К и 300 К, а также тем-пературные зависимости коэффициента тензочувствительности этих кристаллов в диапа-зоне температур 4,2-300 К. В сильно легированных НК р-Si во всём диапазоне температур наблюдался классический пьезорезистивный эффект. В НК Si с концентрацией бора вбли-зи перехода металл-изолятор при гелиевых температурах обнаружено неклассическое пье-зосопротивление. Величина коэффициента тензочувствительности в НК Si c концентра-цией бора, соответствующей изолирующей стороне ПМИ, при 4,2 К достигала значений К 4,2К ≈-10000 при деформации сжатия и К 4,2К ≥8000 при деформации растяжения. Получен-ные характеристики НК кремния р-типа, закреплённых на упр...
АнотаціяДля створення сенсорів деформації, працездатних при кріогенних температурах, дослі-джено тензометричні характеристики легованих бором ниткоподібних кристалів (НК) Si р-типу, закріплених на пружних елементах, виготовлених зі сталі, при фіксованих темпе-ратурах 4,2, 77 і 300 К. Показано, що термічна деформація, яка виникає внаслідок різниці коефіцієнтів термічного розширення (КТР) кремнію і матеріалу пружного елемента (сталі) при закріпленні кристала на балці, дуже сильно впливає на тензометричні характеристики кристалів кремнію, особливо при кріогенних температурах. Це необхідно враховувати при розробці сенсорів на основі мікрокристалів Si для вимірювання деформацій в конс-трукціях, виготовлених з різних матеріалів. Показано, що НК Si p-типу з ρ 300К =0,010 Ом×см з концентрацією бору поблизу переходу метал-діелектрик з металевого боку з коефіцієн-том тензочутливості К 4,2К =-1020 при деформації стиску найбільш придатні для створення сенсорів деформації для кріогенних температур, зокрема для 4,2 К. Для створення сенсорів деформації для температури рідкого азоту найбільш придатні НК p-Si з ρ 300К =0,025 Ом×см з коефіцієнтом тензочутливості К 77К =263.Ключові слова: кремній, ниткоподібні кристали, кріогенні температури, сенсори де-формації, п'єзорезистивний.
This research investigates complex studies of electrical conductivity and magnetoresistance of both strain and non-strain samples of p-type Si whiskers with different degrees of doping with boron and nickel in a wide temperature range from 4.2 to 300 K. It is established that the greatest manifestation of the piezoresistive effect is observed in the vicinity of concentrations which correspond to the metal-insulator transition. Investigation of the magnetoresistance of crystals was carried out in the range of fields with induction up to 14 T. Whiskers of silicon with a doping concentration of boron of 5•1018 cm-3 can be used as a sensitive element for two-functional deformation and magnetic field sensors in difficult operating conditions. Microwires for research were grown by chemical transport reactions with the crystallographic orientation <111> and with the concentration of charge carriers, which corresponds to the vicinity of metal-insulator transition (5•1018 cm-3). The nickel doping was conducted by the low-temperature diffusion from the precipitated film on the surface of the crystal. The uniaxial strain of Si microcrystals was carried out by fixing them on substrates with the different coefficient of thermal. The metallic-type temperature dependence on the resistivity is typical for heavily doped silicon microcrystals (with the bor concentration >5•1018 cm-3) for both deformed and non deformed samples. Significant influence of the deformation on characteristics of microcrystals wasn't found. The maximum magnetoresistance of such samples doesn't exceed 4% in magnetic fields with induction of 14 T at the temperature of liquefied helium. The resistivity of Si crystals with ρ300K = 0.012 Ohm•cm (which corresponds to the dielectric side of MIT) is reduced in several times at the temperature of liquefied helium and under the uniaxial deformation. Decreasing of boron concentration reduces this effect. This is also confirmed by the calculation of the experimental data temperature dependence of gauge factor for these samples in helium temperatures. The gauge factor is K4.2K=165 at the compressive strain ε=–5.29•10-3 RVUs. It is also found that the deformation of these samples has significant impact on characteristics of the magnetoresistance and the value of the magnetoresistance decreased almost in 3 times. The undeformed samples of Si p-type microwire doped with nickel and boron concentration in the vicinity of dielectric side to MIT can be used as the sensing element of magnetic field. The significant magnetic field dependence on magnetoresistance is observed in such crystals which can reach a value of 250% at 14 T.
МАЛОГАБАРИТНИЙ СЕЙСМОДАТЧИК НА ОСНОВІ НИТКОПОДІБНИХ КРИСТАЛІВ КРЕМНІЮ А. О. Дружинін, О. П. Кутраков, Р. М. КорецькийАнотація. Запропонована конструкція сейсмодатчика, принцип дії якого базується на тензо-резистивному ефекті у напівпровідниках. Розглянуто можливості застосування ниткоподібних кристалів кремнію р-типу, легованих бором, в якості чутливих елементів. Розроблений датчик призначений для вимірювання як статичних, так і динамічних деформацій у діапазоні частот 0 -800 Гц. Серед переваг даного сейсмодатчика над аналогами є слабка залежність від магнітного поля, електронного опромінення і широка смуга досліджуваних сигналів.Ключові слова: ниткоподібний кристал, кремній, сейсмічний датчик (геофон), вібрація, акселерометр SPACE-SAVING SEISMIC SENSOR BASED ON SILICON WHISKER A. A. Druzhinin, O. P. Kutrakov, R. M. KoretskyyAbstract. The design of the seismic sensor the principle of action of which is based on tensoresistive effect is proposed. The possibilities of the use of p-type boron doped silicon whiskers as sensitive elements were examined. The developed sensor is designed to measure both static and dynamic strain
Ïðîâåäåíî êîìïëåêñíå äîñë³äaeåííÿ åëåêòðîïðîâ³äí³ñò³, ìàãí³òîîïîðó ³ ï'ºçîîïîðó ì³ê-ðîêðèñòàë³â êðåìí³þ ð-òèïó, ëåãîâàíèõ áîðîì, ç îð³ºíòàö³ºþ <111> â ä³àïàçîí³ òåìïåðàòóð 4,2-300 Ê ³ ìàãí³òíèõ ïîëÿõ äî 14 Òë. Äîñë³äaeåíî âïëèâ îäíîâ³ñíî¿ äåôîðìàö³¿ íà ïèòîìèé îï³ð ³ ìàãí³òîîï³ð ì³êðîêðèñòàë³â Si ç ð³çíîþ êîíöåíòðàö³ºþ áîðó ïðè íèçüêèõ òåìïåðàòóðàõ.  ì³êðîêðèñòàëàõ ð-Si ç êîíöåíòðàö³ºþ áîðó ïîáëèçó ïåðåõîäó ìåòàë-ä³åëåêòðèê (ÏÌÄ) ç ä³åëåêòðè÷íîãî áîêó ïðè ãå볺âèõ òåìïåðàòóðàõ âèÿâëåíî ã³ãàíòñüêèé íåêëàñè÷íèé ï'ºçîîï³ð, êîåô³ö³ºíò òåíçî÷óòëèâîñò³ òàêèõ êðèñòàë³â ïðè 4,2 Ê äîð³âíþº GF 4.2K =-5.7×10 5 ïðè äåôîðìàö³¿ ñòèñêó. Íåêëàñè÷íèé ï'ºçîîï³ð çóìîâëåíèé ñòðèáêîâîþ ïðîâ³äí³ñòþ â öèõ êðèñòàëàõ ïðè íèçüêèõ òåìïåðàòóðàõ; âèçíà÷åíî åíåð㳿 àêòèâàö³¿ E 2 ³ E 3 , ¿õ çíà÷åííÿ çì³íþþòüñÿ ï³ä 䳺þ äåôîðìàö³¿ ïðè êð³îãåííèõ òåìïåðàòóðàõ. Âèì³ðþâàëèñü òåíçîìåòðè÷í³ õàðàêòåðèñòèêè öèõ êðèñòàë³â, çàêð³ïëåíèõ íà ïðóaeíèõ åëåìåíòàõ ç ³íâàðó, â øèðîêîìó ä³-àïàçîí³ òåìïåðàòóð 4,2-300 Ê ³ äåôîðìàö³é ε=0-±1,2×10-3 â³äí. îä. Îäåðaeàí³ õàðàêòåðèñòèêè äîçâîëÿþòü ïðîãíîçóâàòè ïàðàìåòðè ï'ºçîðåçèñòèâíèõ ñåíñîð³â ìåõàí³÷íèõ âåëè÷èí íà îñíîâ³ öèõ êðèñòàë³â. Ïîêàçàíî ìîaeëèâ³ñòü ñòâîðåííÿ íàä÷óòëèâèõ ñåíñîð³â ìåõàí³÷íèõ âåëè÷èí äëÿ ðîáîòè ïðè êð³îãåííèõ òåìïåðàòóðàõ íà îñíîâ³ íåêëàñè÷íîãî ï'ºçîîïîðó â ì³êðîêðèñòàëàõ Si(B). Íàâåäåíî ïðèêëàäè ðîçðîáëåíèõ ñåíñîð³â äåôîðìàö³¿, ñåíñîðà òèñêó òà ñåíñîðà ð³âíÿ êð³îãåííèõ ð³äèí.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.