nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2023-18-2-105-117nguphys-265Research ArticleУЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИEDUCATIONAL AND METHODICAL PROVISION OF TEACHING OF PHYSICSИзучение электрофизических свойств анизотропных полупроводников в лабораторном практикуме вузовского курса физикиThe Study of the Electrical Properties of Anisotropic Semiconductors in the Laboratory Workshop of the University Course in Physicshttps://orcid.org/0000-0003-4323-351XФилипповВ. В.FilippovV. V.

Владимир Владимирович Филиппов - доктор физико-математических наук

Липецк

Vladimir V. Filippov - Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor

Lipetsk

wwfilippow@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-6316-667XЗаворотнийА. А.ZavorotnyA. A.

Анатолий Анатольевич Заворотний - кандидат физико-математических наук

Липецк

Anatoly A. Zavorotny - Candidate of Science (Physics and Mathematics), Assistant Professor

Lipetsk

aazavorotniy@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9820-9253СмирновМ. Ю.SmirnovM. Yu.

Михаил Юрьевич Смирнов - кандидат физико-математических наук

Липецк

Mikhail Yu. Smirnov - Candidate of Science (Physics and Mathematics), Assistant Professor

Lipetsk

m_u_smirnov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5136-837XЗияутдиновВ. С.ZiyautdinovV. S.

Владимир Сергеевич Зияутдинов - кандидат педагогических наук

Липецк

Vladimir S. Ziyautdinov - Candidate of Science (Pedagogical), Assistant Professor

Lipetsk

zevslipetsk@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2980-1322ЛыковД. Д.LykovD. D.

Дмитрий Денисович Лыков - студент, лаборант

Липецк

Dmitry D. Lykov -Student, Laboratory Assistant

Lipetsk

lykovdmitri2000@gmail.comЛипецкий государственный педагогический университет им. П. П. Семенова-Тян-Шанского ; Московский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского (ПКУ) – Липецкий казачий институт технологий и управления (филиал)РоссияLipetsk State Pedagogical University named after P. P. Semenov-Tyan-Shansky; Moscow State University of Technology and Management named after K.G. Razumovsky (PKU), Lipetsk Cossack Institute of Technology and Management (branch)Russian FederationЛипецкий государственный технический университетРоссияLipetsk State Technical UniversityRussian FederationМосковский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского (ПКУ) – Липецкий казачий институт технологий и управления (филиал)РоссияMoscow State University of Technology and Management named after K.G. Razumovsky (PKU), Lipetsk Cossack Institute of Technology and Management (branch)Russian FederationЛипецкий государственный педагогический университет им. П. П. Семенова-Тян-ШанскогоРоссияLipetsk State Pedagogical University named after P. P. Semenov-Tyan-ShanskyRussian Federation202310122023182105117Copyright © Филиппов В.В., Заворотний А.А., Смирнов М.Ю., Зияутдинов В.С., Лыков Д.Д., 20232023Филиппов В.В., Заворотний А.А., Смирнов М.Ю., Зияутдинов В.С., Лыков Д.Д.Filippov V.V., Zavorotny A.A., Smirnov M.Y., Ziyautdinov V.S., Lykov D.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/265

Целью статьи является разработка теоретически и экспериментально обоснованной конкретной лабораторной работы для изучения анизотропии электрических свойств полупроводников в рамках учебных программ высших учебных заведений для таких направлений подготовки, как физика, техническая физика, радиофизика, электроника и наноэлектроника. Актуальность проблематики обусловлена стремлением отечественной электроники к технологическому суверенитету и высокими требованиями к подготовке квалифицированных кадров для производства структур твердотельной функциональной электроники. На основе решения краевой электродинамической задачи получено выражение для электрического потенциала в области тонкого прямоугольного полупроводникового образца с тензорным характером проводимости. Итогом работы стала разработка оригинальной лабораторной установки для демонстрации и практического изучения анизотропии электрических свойств полупроводниковых кристаллов. Предлагаемая методика позволяет определять основные электрокинетические параметры анизотропного полупроводника – удельную проводимость, концентрацию и холловскую подвижность основных носителей заряда. Предложена принципиальная схема установки и формулы для расчета погрешностей измеряемых величин. Полученные результаты могут также представлять и научный интерес при изучении анизотропных полупроводниковых материалов в лабораторных условиях.

The purpose of the article is to develop a theoretically and experimentally substantiated specific laboratory work for studying the anisotropy of the electrical properties of semiconductors within the framework of the curricula of higher educational institutions, for such areas of training as “Physics”, “Technical Physics”, “Radiophysics” and “Electronics and Nanoelectronics”. The relevance of the problem is due to the desire of domestic electronics for technological sovereignty and high requirements for the training of qualified personnel for the production of structures of solid-state functional electronics. Based on the solution of the boundary electrodynamic problem, an expression is obtained for the electric potential in the region of a thin rectangular semiconductor sample with a tensor character of conductivity. The results of this work is the development of an original laboratory setup for the demonstration and practical study of the anisotropy of the electrical properties of semiconductor crystals. The proposed technique makes it possible to determine the main electrokinetic parameters of an anisotropic semiconductor – specific conductivity, concentration and Hall mobility of the main charge carriers. A schematic diagram of the installation and formulas for calculating the errors of the measured quantities are proposed. The results obtained may also be of scientific interest in the study of anisotropic semiconductor materials in laboratory conditions.

полупроводникметодика изученияанизотропиякристаллэлектропроводимостьэлектрический потенциалподвижность носителей токаэффект Холлаsemiconductorstudy techniqueanisotropycrystalelectrical conductivityelectric potentialcarrier mobilityHall effectReferencesЛучинин В. Индустрия микро- и наносистем: От импортозамещения к технологическому суверенитету // Наноиндустрия. 2018. Т. 11, № 6. С. 450–461. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2018.11.5.450.461Luchinin V. Industry of micro- and nanosystems: From import substitution to technological sovereignty. Nanoindustry, 2018, vol. 11, no. 6, pp. 450-461. https://doi.org/10.22184/19938578.2018.11.5.450.461Шелепин Н. Глобализация и монополизация микроэлектроники в современных условиях // Электроника: наука, технология, бизнес. 2023. № 2 (223). С. 32–43. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2023.223.2.32.42Shelepin N. Globalization and monopolization of microelectronics in modern conditions. Electronics: Science, technology, business, 2023, no. 2 (223), pp. 32-43. https://doi.org/10.22184/19924178.2023.223.2.32.42Эннс В. Меры по развитию отечественной микроэлектроники в современных условиях // Электроника: наука, технология, бизнес. 2022. № 6 (217). С. 86–93. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2022.217.6.86.92.Enns V. Measures for the development of domestic microelectronics in modern conditions. Electronics: Science, technology, business, 2022, no. 6 (217), pp. 86-93. https://doi.org/10.22184/19924178.2022.217.6.86.92Кокин С. М. О физическом образовании в вузах в условиях необходимости обеспечения технологического суверенитета страны // Физическое образование в вузах. 2022. Т. 28. № 4. С. 5–11. https://doi.org/10.54965/16093143_2022_28_4_5.Kokin S. M. On physical education in universities in the context of the need to ensure the technological sovereignty of the country. Physical education in universities, 2022, vol. 28, no. 4, pp. 5-11. https://doi.org/10.54965/16093143_2022_28_4_5Свистова Т. В. Методы исследования материалов и структур электроники. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2013. 225 с.Svistova T. V. Methods for researching materials and structures of electronics. Voronezh, Voronezh State Technical University, 2013. 225 p. (in Russ.)Рембеза С. И., Синельников Б. М., Рембеза Е. С., Каргин Г. И. Физические методы исследования материалов твердотельной электроники. Ставрополь: СевКавГТУ, 2002. 432 с.Rembeza S. I., Sinelnikov B. M., Rembeza E. S., Kargin G. I. Physical methods for studying materials of solid-state electronics. Stavropol, North-Caucasian State Technical University, 2002. 432 p. (in Russ.)Павлов Л. П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк., 1987. 240 с.Pavlov L. P. Methods for measuring the parameters of semiconductor materials. Moscow, Higher School, 1987. 240 p. (in Russ.)Yang J., Li J., Zhang C., Feng Z., Shi B., Zhai W., Yan Y., Wang Y. Excel-lent thermoelectric performance of BaMgSi driven by low lattice thermal con-ductivity: A promising thermoelectric material // Journal of Alloys and Com-pounds. 2020. Vol. 827. P. 154342. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154342Yang 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, pp. 154342. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154342Wang C., Zheng C., Gao G. Bulk and Monolayer ZrS3 as Promising Aniso-tropic Thermoelectric Materials: A Comparative Study // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124, № 12. P. 6536–6543. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c00298Wang C., Zheng C., Gao G. Bulk and Monolayer ZrS3 as Promising Anisotropic Thermoelectric Materials: A Comparative Study. The Journal of Physical Chemistry C, 2020, vol. 124, no. 12, pp. 6536–6543. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c00298Немов С. А., Улашкевич Ю. В., Погумирский М. В., Степанова О. С. Отражение от боковой грани кристалла PbSb2Te4 // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54, № 3. С. 228-231. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.03.49023.9308Nemov S. A., Ulashkevich Yu. V., Pogumirsky M. V., Stepanova O. S. Reflection from the Side Face of a PbSb2Te4 Crystal. Semiconductors, 2020, vol. 54, no. 3, pp. 282–284. https://doi.org/10.1134/S1063782620030161Япрынцев 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, № 12. С. 1156–1161. https://doi.org/10.21883/FTP.2021.12.51699.16Yapryntsev M. N., Ivanov O. N., Vasil’ev A. E., Zhezhu M. V. Popkov D. A. Synthesis, structure and anisotropy of thermoelectric properties of Bi2Te2.7Se0.3 compound doped with samarium. Semiconductors, 2022, vol. 55, no. 14, pp. 2121. http://dx.doi.org/10.21883/SC.2022.14.53856.16Филиппов В.В., Бормонтов Е. Н. Особенности распределения электрических полей в пластинах анизотропных полупроводников в поперечном магнитном поле // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47, № 7. С. 878–881. https://doi.org/10.1134/S1063782613070063Filippov V. V., Bormontov E. N. Features of the electric-field distribution in anisotropic semiconductor wafers in a transverse magnetic field. Semiconductors, 2013, vol. 47, iss. 7, pp. 884-891. https://doi.org/10.1134/S1063782613070063Балагуров Б. Я. Электрофизические свойства композитов: Макроскопическая теория. М.: URSS, 2018. 752 с.Balagurov B. Ya. Electrophysical properties of composites: Macroscopic theory. Moscow, URSS, 2018. 752 p. (in Russ.)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/34/7/077201Filippov V. V., Mitsuk S. V. Modelling magnetoresistance effect in limited anisotropic semiconductors. Chinese Physics Letters, 2017, vol. 34, no. 7, pp. 077201. https://doi.org/10.1088/0256307X/34/7/077201Филиппов 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. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01689-wFilippov V. V., Zavorotny A. A., Tigrov V. P. Modified Van der Pauw method of measuring the electrical conductivity tensor of anisotropic semiconductor films. Russian Physics Journal, 2019, vol. 62, № 1, pp. 105-113. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01689-wБаранский П. И., Буда И. С., Даховский И. В., Коломоец В. В. Электрические и гальваномагнитные явления в анизотропных полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1977. 270 с.Baranskij P. I., Buda I. S., Dahovsky I. V., Kolomoets V. V. Electrical and galvanomagnetic phenomena in anisotropic semiconductors. Kiev, Naukova dumka, 1977. 270 p.Аскеров Б. М. Электронные явления переноса в полупроводниках. М.: Наука, 1985. 320 с.Askerov B. M. Electron Transport Phenomena in Semiconductors. World Scientific: Singapore, New Jersey, London, 1994. 412 p. https://doi.org/10.1142/1926Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2019. 656 с.Landau L. D., Lifshitz E. M. Electrodynamics Of Continuous Media. Elsevier, New Delhi, India, 1984. 474 p.Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. СПб.: Лань, 2003. 832 с.Korn G. A., Korn T. M. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review. Dover Publications, Inc., New York, 2000. 1152 p.Черняк А. А., Черняк Ж. А. Математические расчеты в среде Mathcad: Учеб. пособие для вузов. М.: Юрайт, 2023. 163 с.Chernyak A. A., Chernyak Zh. A. Mathematical calculations in the Mathcad environment: textbook for universities. Moscow: Urayt Publishing House, 2023. 163 p. (in Russ.)Maxfield B. Essential Mathcad for Engineering, Science and Math. 2nd ed. Academic Press, 2009. 501 p.Maxfield B. Essential Mathcad for Engineering, Science, and Math. 2nd edition. Elsevier Science, Academic Press, 2009. 501 p.Прошин В. И., Сидоров В. Г. Анализ результатов измерений в экспериментальной физике. М.: URSS, 2021. 172 с.Proshin V. I., Sidorov V. G. Analysis of measurement results in experimental physics. Moscow, URSS, 2021. 172 p.Маренкин С. Ф., Трухан В. М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия. Минск: Вараскин, 2010. 224 с.Marenkin S. F., Truhan V. M. Phosphides, zinc and cadmium arsenides. Minsk, Varaskin, 2010. 224 p.

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