Silicon Microcrystals With High Piezoresistance at Cryogenic Temperatures for Sensors Application

Abstract

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...

Piezoresitive Characteristics of Silicon Microcrystals at Cryogenic Temperatures

“…Найбільш висока тензочутливість (чутливість до деформації) була досягнута при 4,2 К в мікрокристалах Si, легованих бором до концентрацій поблизу фазового переходу ме-тал-діелектрик (ПМД) з діелектричного боку, які мають стрибкову провідність при гелієвих температурах внаслідок виникнення в кремнії при цих температурах некласичного п'єзорези-стивного ефекту. Для моделювання роботи п'є-зорезистивних сенсорів тиску на основі мікро-кристалів кремнію при низьких температурах досліджувались п'єзорезистивні характеристи-ки цих кристалів, закріплених на консольній балці з інварного сплаву з коефіцієнтом терміч-ного розширення (КТР), максимально близь-ким до КТР кремнію при низьких температурах [8,9]. Було показано можливість створення надчутливих сеснорів механічних величин, працездатних при кріогенних температурах [10].…”

Piezoresistive Pressure Sensors Based on Silicon Whiskers

“…-діелектрик (ПМД) з діелектричного боку спостерігається некласичний тензорезистивний ефект [5], викликаний зміною механізму переносу носіїв. За таких умов величина коефіцієнта тензочутливості НК р-Si при температурі -269 0 С може досягати значень К ≈ -5,7×10…”

Variable‐range hopping conductance in Si whiskers

“…Investigation of electrical and magnetic properties of doped Si wires is interesting both from a practical and a fundamental point of view due to their unique and attractive properties (high levels of mechanical strength and mobility of charge carriers) . On the other hand, because of the possible influence of microstructural features on the charge carrier transport, these materials require more detailed consideration and research using both DC and AC measurements .…”