mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-2-109-115mateltech-389Research ArticleМоделирование процессов и материаловMODELING OF PROCESSES AND MATERIALSМоделирование полевых элементов Холла на основе наноразмерных гетероструктур «кремний на изоляторе»Simulation of Hall field elements based on nanoscale silicon-on-insulator heterostructuresМордковичВ. Н.MordkovichV. N.

ул. Акад. Осипьяна, д. 6, Черноголовка, Московская обл., 142432

Мордкович Виктор Наумович — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник

6 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region, 142432

Victor N. Mordkovich: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher

mord36@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0059-0712АбгарянК. К.AbgaryanK. K.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333;

Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993

Абгарян Каринэ Карленовна — доктор физ.-мат. наук, заведующая отделом

44 Vavilov Str., Moscow 119333;

4 Volokolamskoe shosse, 4, Moscow 125993

Karine K. Abgaryan: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Department

kristal83@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0998-7975РевизниковД. Л.ReviznikovD. L.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333;

Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993

Ревизников Дмитрий Леонидович — доктор физ.-мат. наук, профессор

44 Vavilov Str., Moscow 119333;

4 Volokolamskoe shosse, 4, Moscow 125993

Dmitry L. Reviznikov: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor

reviznikov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3437-9501ЛеоновА. В.LeonovA. V.

ул. Акад. Осипьяна, д. 6, Черноголовка, Московская обл., 142432

Леонов Алексей Владимирович

6 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region, 142432

Alexey V. Leonov: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАНРоссияInstitute of Microelectronics Technology and High-Purity Materials of the Russian Academy of SciencesRussian FederationВычислительный центр им. А. А. Дородницына Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» Российской академии наук; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияDorodnicyn Computing Centre of the Russian Academy of Sciences; Moscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation202008082020232109115Copyright © Мордкович В.Н., Абгарян К.К., Ревизников Д.Л., Леонов А.В., 20202020Мордкович В.Н., Абгарян К.К., Ревизников Д.Л., Леонов А.В.Mordkovich V.N., Abgaryan K.K., Reviznikov D.L., Leonov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/389

Статья посвящена вопросам численного моделирования полевых датчиков Холла (ПДХ) на основе структуры «кремний на изоляторе» с двумя управляющими затворами. Для решения задачи применяется двухуровневая локально-одномерная вычислительная модель. На первом уровне решается серия одномерных уравнений Шредингера—Пуассона, описывающих распределение плотности носителей заряда поперек гетероструктуры в различных сечениях. Полученная информация передается на второй уровень, где осуществляется расчет токовых характеристик элемента. Результаты численного моделирования сопоставляются с экспериментальными данными, полученными для полевых датчиков Холла. Сравнительный анализ показывает хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных. Разработанная компьютерная модель позволяет оперативно проводить многовариантный анализ различных структур ПДХ, что создает основу для оптимизации устройств рассматриваемого класса.

The article is devoted to the issues of numerical simulation of field Hall sensors based on the "silicon on insulator" structure with two control gates. To solve the problem, a two-level local-one-dimensional computational model is used. At the first level, a series of one-dimensional Schrödinger—Poisson equations are solved, which describe the distribution of the electron density across the heterostructure in different sections. The obtained information is transmitted to the second level, where the current characteristics of the element are calculated. The numerical simulation results are compared with the experimental data obtained for field Hall sensors. Comparative analysis shows good agreement between calculated and experimental data. The developed computer model makes it possible to carry out a multivariate analysis of various heterostructures, which creates the basis for optimizing devices of the class under consideration.

полевой датчик Холлакремний на изоляторегетероструктураматематическое моделированиеfield Hall sensorsilicon on insulatorheterostructuremathematical modelingРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-08-01191.This work was supported by the RFBR grant No. 19-08-01191.ReferencesМордкович В. Н. Датчики на основе структур «кремний на изоляторе» // Электронная техника. Cер. 2. Полупроводниковые приборы. 2008. Вып. 2. С. 34—44.Mordkovich V. N. Sensors based on silicon-on-insulator structures. Elektronnaya tekhnika. Series. 2. Poluprovodnikovye pribory = Electronic engineering. Ser. 2. Semiconductor devices, 2008, no. 2, pp. 34—44. (In Russ.)Popovich R. S. Hall Effect Devices. Bristol (Philadelphia): IOP Publishing Ltd, 2004. 419 p.Popovich R. S. Hall Effect Devices. Bristol (Philadelphia): IOP Publishing Ltd, 2004. 419 p.Baranochnikov M. L., Leonov A. V., Mordkovich V. N., Pazhin D. M., Filatov M. M. Some features of magnetometric and sensor devices based on the field effect Hall sensor // Advanced Electromagnetics Symposium. Proceedings. Paris (France), 2012. P. 455—459.Baranochnikov M. L., Leonov A. V., Mordkovich V. N., Pazhin D. M., Filatov M. M. Some features of magnetometric and sensor devices based on the field effect Hall sensor. Advanced Electromagnetics Symposium. Proceedings. Paris (France), 2012, pp. 455—459.Мордкович В. Н., Бараночников М. Л., Леонов А. В, Мокрушин А. Д., Омельяновская Н. М., Пажин Д. М. Полевой датчик холла — новый тип преобразователя магнитного поля // Датчики и системы. 2003. Вып. 7. С. 33—38.Mordkovich V. N., Baranochnikov M. L., Leonov A. V., Mokrushin A. D., Omelianovskaya N. M., Pazhin D. M. Field Hall device - a new type of magnetic field transducer. Datchiki i sistemy = Sensors and Systems, 2003, no. 7, pp. 33—38. (In Russ.)Королев М. А., Павлюк М. И., Девликанова С. С. Физическая модель полевого датчика Холла на основе КНИ структуры // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2017. № 2. С. 166—170. DOI: 10.24151/1561-5405-2017-22-2-166-170Korolev M. A., Pavlyuk M. I., Devlikanova S. S. Physical model of SOI field-effect Hall sensor. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of universities. Electronics, 2017, no. 2, pp. 166—170. (In Russ.). DOI: 10.24151/1561-5405-2017-22-2-166-170Щербачев К. Д., Бублик В. Т., Мордкович В. Н., Пажин Д. М. Особенности образования радиационных дефектов в слое кремния структур «кремний на изоляторе» // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, Вып. 6. С. 754—758.Shcherbachev K. D., Bublik V. T., Mordkovich V. N., Pazhin D. M. Specific features of formation of radiation defects in the silicon layer in “silicon-on-insulator” structures. Semiconductors, 2011, vol. 45, no. 6, pp. 738—742. DOI: 10.1134/S1063782611060224Мордкович В. Н., Пажин Д. М., Громов Д. В., Скоробогатов П. К., Релаксационные эффекты в полевых датчиках Холла при воздействии импульса ионизирующего облучения // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2011. № 1. С. 19—26.Mordkovich V. N., Pazhin D. M., Gromov D. V., Skorobogatov P. K. Relaxation effects in field Hall sensors influence of impulse ionizing irradiation. Elektronnaya tekhnika. Series. 2. Poluprovodnikovye pribory = Electronic engineering. Ser. 2. Semiconductor devices, 2011, no. 1, pp. 19—26. (In Russ.)Королев М. А., Козлов А. В., Петрунина С. С. Особенности функционирования полевого датчика Холла на основе КНИ структур, предназначенного для работы в телекоммуникационных сетях // Труды МФТИ. 2015. Т. 7, № 3. С. 91—95.Korolev M. A., Kozlov A. V., Petrunina S. S. Functioning features of the SOI field-effect hall sensor designed for application in telecommunications networks. Trudy MFTI, 2015, vol. 7, no. 3, pp. 91—95. (In Russ.)Леонов А. В., Малых А. А., Мордкович В. Н., Павлюк М. И. Тонкопленочный кремниевый магниточувствительный полевой транзистор холловского типа с расширенным до 350 °С диапазоном рабочих температур // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, Вып. 2. С. 30—36. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42789Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. A magnetosensitive thin-film silicon Hall-type field-effect transistor with operating temperature range expanded up to 350 °C. Tech. Phys. Lett., 2016, vol. 42, no. 1, pp. 71—74. DOI: 10.1134/S1063785016010272Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. Field controlled Si Hall element with extended operation temperature range from liquid helium temperature up to 650 K // Proc. Engineering. 2015. V. 120. P. 1197—1200. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.786Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. Field controlled Si Hall element with extended operation temperature range from liquid helium temperature up to 650 K. Proc. Engineering, 2015, vol. 120, pp. 1197—1200. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.786Абгарян К. К., Ревизников Д. Л. Вычислительные алгоритмы в задачах моделирования и оптимизации полупроводниковых гетероструктур. М.: МАКС Пресс, 2016. 120 с.Abgaryan K. K., Reviznikov D. L. Vychislitel'nye algoritmy v zadachakh modelirovaniya i optimizatsii poluprovodnikovykh geterostruktur [Computational algorithms in problems of modeling and optimization of semiconductor heterostructures]. Moscow: MAKS Press, 2016,120 p. (In Russ.)Абгарян К. К., Ревизников Д. Л. Численное моделирование распределения носителей заряда в наноразмерных полупроводниковых гетероструктурах с учетом поляризационных эффектов // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2016. Т. 56, № 1. С. 155—166. DOI: 10.7868/S004446691601004XAbgaryan K. K., Reviznikov D. L. Numerical simulation of the distribution of charge carrier in nanosized semiconductor heterostructures with account for polarization effects. Comput. Math. and Math. Phys., 2016, vol. 56, pp. 161—172. DOI: 10.1134/S0965542516010048Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Computational model of 2DEG mobility in the AlGaN/GaN heterostructures // Phys. Status Solidi (c). 2015. V. 12, N. 4–5. P. 460—465. DOI: 10.1002/pssc.201400200Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Computational model of 2DEG mobility in the AlGaN/GaN heterostructures. Phys. Status Solidi (c), 2015, vol. 12, no. 4–5, pp. 460—465. DOI: 10.1002/pssc.201400200Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Theoretical investigation of 2DEG concentration and mobility in the AlGaN/GaN heterostructures with various Al concentrations // Phys. Status Solidi (c). 2015. V. 12, N 12. P. 1376—1382. DOI: 10.1002/pssc.201510159Abgaryan K. K., Mutigullin I. V., Reviznikov D. L. Theoretical investigation of 2DEG concentration and mobility in the AlGaN/GaN heterostructures with various Al concentrations. Phys. Status Solidi (c), 2015, vol. 12, no. 12, pp. 1376—1382. DOI: 10.1002/pssc.201510159Vasileska D., Goodnick S. M., Goodnick S. Computational Electronics: Semiclassical and Quantum Device Modeling and Simulation, CRC Press, 2010.Vasileska D., Goodnick S. M., Goodnick S. Computational Electronics: Semiclassical and Quantum Device Modeling and Simulation, CRC Press, 2010.Stengel F., Noor Mohammad S., Morkoç H. Theoretical investigation of electrical characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors // J. Appl. Phys. 1996. V. 80, Iss. 5. P. 3031—3042. DOI: 10.1063/1.363162Stengel F., Noor Mohammad S., Morkoç H. Theoretical investigation of electrical characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors. J. Appl. Phys., 1996, vol. 80, no. 5, pp. 3031—3042. DOI: 10.1063/1.363162Наумова О. В., Зайцева Э. Г., Фомин Б. И., Ильницкий М. А., Попов В. П., Зависимость подвижности электронов в режиме обогащения от их плотности в полностью обедняемых пленках кремний-на-изоляторе // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49, Вып. 10. C. 1360—1365. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42306Naumova O. V., Zaitseva E. G., Fomin B. I., Ilnitsky M. A., Popov V. P. Density dependence of electron mobility in the accumulation mode for fully depleted SOI films. Semiconductors, 2015, vol. 49, no. 10, pp. 1316—1322. DOI: 10.1134/S106378261510017Зи С. Физика полупроводниковых приборов. M.: Мир, 1984. Т. 2. 453 с.Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience, 1981, 880 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.