mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-4-234-241mateltech-486Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSТемпературные исследования полевых датчиков Холла на основе наноразмерных гетероструктур «кремний на изоляторе»Temperature studies of Hall field sensors based on nanosized silicon-on-insulator heterostructureshttps://orcid.org/0000-0002-0059-0712АбгарянК. К.AbgaryanK. K.

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

Абгарян Каринэ Карленовна — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, зав. отделом

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333

Karine K. Abgaryan — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Head of Department

kristal83@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3437-9501ЛеоновА. В.LeonovA. V.

ул. Осипьяна, д. 6, Черноголовка, 142432

Леонов Алексей Владимирович — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник

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

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

alex25.08@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0998-7975РевизниковД. Л.ReviznikovD. L.

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

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

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333

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

reviznikov@gmail.comФедеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наукРоссияFederal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наукРоссияInstitute of Microelectronics Technology and High-Purity Materials of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202130012022244234241Copyright © Абгарян К.К., Леонов А.В., Ревизников Д.Л., 20212021Абгарян К.К., Леонов А.В., Ревизников Д.Л.Abgaryan K.K., Leonov A.V., Reviznikov D.L.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/486

Микроэлектроника относится к числу отраслей промышленности, которые в последние десятилетия развиваются рекордно быстрыми темпами. Важнейшую роль в развитии цифровой экономики играет разработка и организация производства нового поколения микроэлектронных датчиков внешних воздействий и микросистем на их основе. В связи с необходимостью эксплуатации таких устройств в различных условиях, включая широкие температурные интервалы, определение диапазонов их надежной работы является актуальной задачей. Тепловые исследования проводились с применением построенной ранее двухуровневой математической модели полевого датчика Холла (ПДХ) на основе гетероструктуры «кремний на изоляторе» (КНИ). Представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований влияния температуры на характеристики ПДХ КНИ. Показана возможность функционирования датчика в широком диапазоне температур. Проведена параметрическая идентификация разработанной авторами математической модели по экспериментальным данным. Определена функция чувствительности электрического тока к изменению температуры. Предложенный подход позволяет оценить требуемую чувствительность датчика для определения температуры с заданной точностью.

Microelectronics is one of the industries that have been developing at a record pace in recentdecades. The most important role in the development of the digital economy is played by the development and organization of the production of a new generation of microelectronic sensors of external influences and microsystems based on them. Due to the need to operate such devices under various conditions, including wide temperature ranges, determining the ranges of their reliable operation is an urgent task. Thermal studies are carried out using the previously constructed two-level mathematical model of a Hall field sensor (HFS) based on a silicon-on-insulator (SOI) heterostructure. The results of computational and experimental studies of the influence of temperature on the characteristics of the SOI HFS are presented. The possibility of operation of the sensor in a wide temperature range is shown. Parametric identification of the mathematical model developed by the authors based on the experimental data is carried out. The sensitivity function of the electric current to temperature change is determined. The proposed approach makes it possible to estimate the required sensitivity of the sensor to determine the temperature with the given accuracy.

полевой датчик Холлакремний на изоляторегетероструктураматематическое моделированиеHall field sensorsilicon-on-insulatorheterostructuremathematical modelingReferencesАбгарян 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. Computational algorithms in problems of simulation 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. Журнал вычислительной математики и математической физики. 2015; 56(1): 153—164. https://doi.org/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. Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2015; 56(1): 153—164. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S004446691601004XAbgaryan K.K., Mutigullin I.V., Reviznikov D.L. Computational model of 2DEG mobility in the AlGaN/GaN heterostructures. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(4-5): 460—465. https://doi.org/10.1002/PSSC.201400200Abgaryan K.K., Mutigullin I.V., Reviznikov D.L. Computational model of 2DEG mobility in the AlGaN/GaN heterostructures. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(4-5): 460—465. https://doi.org/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. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(12): 1376—1382. https://doi.org/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. Physica Status Solidi (c). 2015; 12(12): 1376—1382. https://doi.org/10.1002/PSSC.201510159Mordkovich V.N., Abgaryan K.K., Reviznikov D.L., Leonov A.V. Simulation of hall field elements based on nanosized silicon-on-insulator heterostructures. Russian Microelectronics 2021; 50(8): 617—622. https://doi.org/10.1134/S1063739721080059Mordkovich V.N., Abgaryan K.K., Reviznikov D.L., Leonov A.V. Simulation of hall field elements based on nanosized silicon-on-insulator heterostructures. Russian Microelectronics. 2021; 50(8): 617—622. https://doi.org/10.1134/S1063739721080059Мордкович В.Н. Датчики на основе структур «кремний на изоляторе». Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2008; 2(221): 34—44.Mordkovich V.N. Sensors based on “silicon on insulator” structures. Elektronnaya Tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovye Pribory. 2008; 2(221): 34—44. (In Russ.)Huijsing I.H. Smart Sensor Systems: Why? Where? How? G.C.M. Meiyer, ed. Great Britain: I. Wiley and Sons; 2008. 385 p. https://doi.org/10.1002/9780470866931.CH1Meiyer G.C.M., ed. Huijsing I.H. Smart Sensor Systems: Why? Where? How? Great Britain: I. Wiley and Sonus; 2008. 385 p. https://doi.org/10.1002/9780470866931.CH1Balakrishnan V., Phan H.-P., Dinh T., Dao D.V., Nguyen N.-T. Sensors for harsh environments. Sensors. 2017; 17(9): 2060—2092. https://doi.org/10.3390/s17092061Balakrishnan V., Phan H.-P., Dinh T., Dao D.V., Nguyen N.-T. Sensors for harsh environments. Sensors. 2017; 17(9): 2060—2092. https://doi.org/10.3390/s17092061Baumgartner A., Ihn T., Ensslin K., Papp G., Peeters F., Maranowski K., Gossard A.C. Classical Hall effect in scanning gate experiments. Physical Review B. 2006. 74: 165426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.165426Baumgartner A., Ihn T., Ensslin K., Papp G., Peeters F., Maranowski K., Gossard A.C. Classical Hall effect in scanning gate experiments. Physical Review B. 2006. 74: 165426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.165426Щербачев 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; 45(6): 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; 45(6): 754—758. (In Russ.)Громов Д.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М., Скоробогатов П.К. Релаксационные эффекты в полевых датчиках Холла при воздействии импульса ионизирующего облучения. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2011; 1(226): 19—26.Mordkovich V.N., Pazhin D.M., Gromov D.V., Skorobogatov P.C. Relaxation effects in field hall sensor influence of impulse ionizing irradiation. Elektronnaya Tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovye Pribory. 2011; 1(226): 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; 7(3): 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; 7(3): 91—95. (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; 22(2): 166—170. https://doi.org/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. Proceedings of Universities. Electronics. 2017; 22(2): 166—170. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-2-166-170Popovich R.S. Hall effect devices. 2nd. ed. Bristol; Philadelphia: Institute of Physics; 2004. 419 p.Popovich R.S. Hall effect devices. 2nd. ed. Bristol; Philadelphia: Institute of Physics; 2004. 419 p.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 журнал технической физики. 2016; 42(2): 30—36.Leonov A.V., Malykh A.A., Mordkovich V.N., Pavlyuk M.I. Thin-film silicon magnetically sensitive field-effect transistor of the Hall type with an extended operating temperature range up to 350 °С. Technical Physics Letters. 2016; 42(2): 30—36. (In Russ.)Leonov 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. Procedia Engineering. 2015; 120: 1197—1200. https://doi.org/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. Procedia Engineering. 2015; 120: 1197—1200. https://doi.org/10.1016/J.PROENG.2015.08.786Stengel F., Noor Mohammad S., Morkoc H. Theoretical investigation of electrical characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors. Journal of Applied Physics. 1996; 80(5): 3031—3042. https://doi.org/10.1063/1.363162Stengel F., Noor Mohammad S., Morkoc H. Theoretical investigation of electrical characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors. Journal of Applied Physics. 1996; 80(5): 3031—3042. https://doi.org/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; 49(10): 1360—1365.Naumova 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; 49(10): 1360—1365. (In Russ.)

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