Linear and Non-Linear Piezoresistance Coefficients in Cubic Semiconductors. I. Theoretical Formulations

(Received 21 April 1995, revised 12 October 1995, accepted 15 November 1995)

Abstract
This paper constitutes the first part of a work devoted to applications of piezoresistance effects in germanium and silicon semiconductors. In this part, emphasis is placed on a formal explanation of non-linear effects. We propose a brief phenomenological description based on the multi-valleys model of semiconductors before to adopt a macroscopic tensorial model from which general analytical expressions for primed non-linear piezoresistance coefficients are derived. Graphical representations of linear and non-linear piezoresistance coefficients allows us to characterize the influence of the two angles of cut and of directions of alignment. The second part will primarily deal with specific applications for piezoresistive sensors.

Résumé
Cette publication constitue la première partie d'un travail consacré aux applications des effets piézorésistifs dans les semiconducteurs germanium et silicium. Cette partie traite essentiellement de la modélisation des effets non-linéaires. Après une description phénoménologique à partir du modèle de bande des semiconducteurs nous développons un modèle tensoriel macroscopique et nous proposons des équations générales analytiques exprimant les coefficients piézorésistifs non-linéaires dans des repères tournés. Des représentations graphiques des variations des coefficients piézorésistifs linéaires et non-linéaires permettent une pré-caractérisation de l'influence des angles de coupes et des directions d'alignement avant l'étude d'applications spécifiques qui feront l'objet de la deuxième partie.