Mathematical modeling of the electric field in anisotropic semiconductors during Hall measurements

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: Modern discrete functional semiconductor devices and structural elements of micro- and nanoelectronics use materials with anisotropy of electrical properties. In particular, such materials are crystalline thermoelectrics, layered graphite structures, strained silicon. In the practical application of these semiconductors, it becomes necessary to measure their kinetic coefficients, however, the electrodynamics of these media differs from isotropic ones, which requires the correction of existing methods for measuring the specific conductivity and concentration of the main charge carriers. The paper presents a technique for solving the Neumann problem with inhomogeneous boundary conditions for the electric field potential in a rectangular region in a relatively weak magnetic field in a linear approximation. Materials and Methods: The boundary value problem considered in the paper occurs in the analysis of measurements of the Hall effect by probe methods. Using the perturbation theory and the Fourier method, an expression for the Hall field potential is obtained, presented in rectangular coordinates as a series of harmonic functions, convenient for further practical use. Results: Practically important expressions for the analysis of Hall measurements by probe methods have been obtained for anisotropic samples with flat boundaries. An analysis of the obtained solution and computer simulation of the electric potential in anisotropic semiconductor wafers with flat boundaries have been performed. Conclusion: An experimental verification of the obtained distributions of potentials and practical recommendations on the application of the obtained theoretical expressions are presented.

About the authors

Vladimir Vladimirovich Filippov

Lipetsk State Pedagogical University named after P.P. Semenov-Tyan-Shansky

ORCID iD: 0000-0003-4323-351X
Scopus Author ID: 7202667204
ResearcherId: O-4288-2015
Липецк, ул. Ленина, 42

Anatoliy A. Zavorotniy

Lipetsk State Technical University

ORCID iD: 0009-0008-6316-667X
398055, Россия, г. Липецк, ул. Московская, д. 30

References

  1. Маренкин С. Ф., Трухан В. М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия. Минск : Вараскин, 2010. 224 с.
  2. Гриднев С. А., Калинин Ю. Е., Макагонов В. А., Шуваев А. С. Перспективные термоэлектрические материалы // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 1-2 (118). С. 117–125.
  3. Yang J., Li J., Zhang C., Feng Z., Shi B., Zhai W., Yan Y., Wang Y. Excellent thermoelectric performance of BaMgSi driven by low lattice thermal conductivity: A promising thermoelectric material // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 827. P. 154342. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154342
  4. Wang C., Zheng C., Gao G. Bulk and Monolayer ZrS3 as Promising Anisotropic Thermoelectric Materials: A Comparative Study // The Journal of Physical Chemistry С. 2020. Vol. 124, № 12. P. 6536–6543 https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c00298
  5. Немов С. А., Улашкевич Ю. В., Погумирский М. В., Степанова О. С. Отражение от боковой грани кристалла PbSb2Te4 // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54, вып. 3. С. 228–231. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.03.49023.9308
  6. Япрынцев М. Н., Иванов О. Н., Васильев А. Е., Жежу М. В., Попков Д. А. Синтез, структура и анизотропия термоэлектрических свойств соединения Bi2Te2.7Se0.3, легированного самарием // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55, вып. 12. С. 1156–1161. https://doi.org/10.21883/FTP.2021.12.51699.16
  7. Pokhrel T. R., Majumder A. Impact of Work Function Engineering on Strained Silicon Based Double Gated Junction-less Transistor // Silicon. 2022. Vol. 14. P. 10061–10069. https://doi.org/10.1007/s12633- 022-01661-3
  8. Beccari A., Visani D. A., Fedorov S. A., Bereyhi M. J., Boureau V., Engelsen N. J., Kippenberg T. J. Strained crystalline nanomechanical resonators with quality factors above 10 billion // Nature Physics. 2022. Vol. 18. P. 436–441. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01498-4
  9. Orton J. W., Blood P. The Electrical Characterization of Semiconductors: Measurement of Minority Carrier Properties. London ; San Diego : Academic Press, 1990. 735 p.
  10. Батавин В. В., Концевой Ю. А., Федорович Ю. В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М. : Радио и связь, 1985. 264 с.
  11. Луганский Л. Б., Цебро В. И. Четырехзондовые методы измерения удельного сопротивления образцов, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда // Приборы и техника эксперимента. 2015. Т. 58, № 1. С. 122–133. https://doi.org/10.7868/S0032816215010206
  12. Филиппов В. В. Четырехзондовый метод совместных измерений компонент тензора удельной электропроводности и коэффициента Холла анизотропных полупроводниковых пленок // Приборы и техника эксперимента. 2012. Т. 55, № 1. С. 112–117.
  13. Аскеров Б. М. Электронные явления переноса в полупроводниках. М. : Наука, 1985. 320 с.
  14. Филиппов В. В., Бормонтов Е. Н. Особенности распределения электрических полей в пластинах анизотропных полупроводников в поперечном магнитном поле // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47, вып. 7. С. 878–881.
  15. Filippov V. V., Mitsuk S. V. Modelling magnetoresistance effect in limited anisotropic semiconductors // Chinese Physics Letters. 2017. Vol. 34, №. 7. P. 077201. https://doi.org/10.1088/0256-307X/34/7/077201
  16. Баранский П. И., Буда И. С., Даховский И. В., Коломоец В. В. Электрические и гальваномагнитные явления в анизотропных полупроводниках. Киев : Наукова думка, 1977. 270 с.
  17. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 621 с.
  18. Корн Г. А., Корн Т. М. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). СПб. : Лань, 2003. 832 с.
  19. Webster A. Partial Differential Equations of Mathematical Physics : Second edition. New York : Dover Publications Inc., 2016. 464 p. (Dover Books on Mathematics).
  20. Гуревич Ю. Г., Кучеренко В. В., Рамирес де Арейано Э. О задаче с косой производной в теории гальваномагнитных явлений // Математические заметки. 1999. Т. 65, № 4. С. 520–532. https://doi.org/10.4213/mzm1078
  21. Gonzalez G., Gurevich Yu. G., Prosentsov V. V. New mechanism of magnetoresistance in bulk semiconductors: Boundary condition effects // Solid State Communications. 1996. Vol. 97, № 12. P. 1069–1072. https://doi.org/10.1016/0038-1098(96)00032-4
  22. Кибирев В. В. Основные краевые задачи теории потенциала // Вестник Бурятского государственного университета. Математика, Информатика. 2015. № 2. С. 22–29.
  23. Филиппов В. В., Власов А. Н. Зондовые измерения распределения потенциала в анизотропных полупроводниковых кристаллах и пленках // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2012. № 1. С. 48–53.
  24. Макаров Е. Г. Инженерные расчеты в Mathcad 15. СПб. : Питер, 2011. 402 с.
  25. Maxfield B. Essential Mathcad for Engineering, Science, and Math. 2nd edition. Elsevier Science ; Academic Press, 2009. 501 p.
  26. Лазарев В. Б., Шевченко В. Я., Гринберг Я. Х., Соболев В. В. Полупроводниковые соединения группы AIIBV. М. : Наука, 1977. 148 с.
  27. Филиппов В. В., Заворотний А. А., Тигров В. П. Измерение компонент тензора удельной электропроводности анизотропных полупроводниковых пластин модифицированным методом Ван дер Пау // Известия вузов. Физика. 2019. Т. 62, № 1. С. 92–99.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies