Исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Физика
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    901,12 Кб
  • Опубликовано:
    2015-06-09
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов

Введение

полупроводник сопротивление рекомбинация

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволило понять их особенность задолго до этого были обнаружены:

. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

2 фотопроводимость.

Были построены первые приборы на их основе.

О.В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

В СССР изучение полупроводников начались в конце 20-х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах.

Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. С введением примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер её температурной зависимости.

Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Появление носителей заряда в полупроводниках определяется химической чистотой и температурой.

Среди полупроводниковых материалов наиболее применяемые на практике электронные и дырочные полупроводники, полупроводниковые химические соединения и твердые растворы. Электрические свойства полупроводников определяются зонной структурой и содержанием примесей.

При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике за счет теплового возбуждения происходит генерация свободных электронов и дырок. Однако наряду с процессом генерации обязательно протекает обратный процесс - рекомбинации носителей заряда. Основной характеристикой рекомбинации является скорость, время жизни и носитель заряда.

Основным материалом полупроводниковой электроники является кремний (Si). Для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники используют как монокристаллические, так и поликристаллические материалы

Особенно бурное развитие переживает полупроводниковая электроника в последние четыре десятилетия. Массовое применение полупроводников вызвало коренное преобразование в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике, в вычислительной технике, в установках измерительной техники, медицине, биологии и т.д. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры.

Целью данной курсовой работы является исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов.

Предметом исследования данной курсовой работы были выбраны: температурная зависимость удельной проводимости, температурная зависимость сопротивления полупроводников, зависимость электропроводности полупроводников от напряженности электрического поля.

Объектами исследования были выбраны: эпитаксиальные структуры, терморезисторы ММт-8, КМТ-12, фоторезистор ФСК-1.

Задача исследования состояла в глубоком изучении теоритического материала, посвященного наиболее важным объемным свойствам полупроводников и наиболее распространенным методам измерения основных физических параметров и характеристик полупроводниковых материалов и приборов.

Так же были сформированы экспериментальные задачи: определение удельного сопротивления четырехзондовым методом эпитаксиальной структуры, исследование физических свойств, характеристик и параметров терморезисторов, исследование вольтамперных характеристик фоторезисторов.

Методы исследования, используемые в работе: анализ научной литературы по исследуемой проблеме, физический эксперимент, выработка методики определения величин, компьютерная обработка результатов экспериментов.

Данная курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы.

Во введении отражена актуальность исследования свойств полупроводниковых материалов, широко применяемых для изготовления современных полупроводниковых приборов.

В I главе отражены основные физические свойства полупроводниковых материалов, необходимые для рассмотрения электрофизических параметров полупроводников, представлен необходимый теоритический материал, на котором основывается исследовательская часть работы.

Во II главе проведен ряд экспериментов, отражены результаты измерений зависимости электрофизических параметров полупроводниковых приборов, изучаемых в работе и выводы по экспериментальной части.

1. Физические свойства полупроводников


В первом приближении полупроводники выделяют из других веществ по значению удельного электрического сопротивления . Считают, что удельное сопротивление металлов менее 10-4 Ом * см, полупроводников - в диапазоне от 10-3 до 109 Ом*см, диэлектриков - более 1010 Ом*см. Что касается полупроводников и металлов, то главное различие между ними заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников - падает.

Из числа полупроводников наиболее подходящим для изготовления интегральных схем оказался кремний.

К полупроводникам относится большое количество веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). В отличие от металлов полупроводники имеют в широком интервале температур отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.

Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах присутствующих в кристалле. При введении примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости. В этом также состоит качественное отличие полупроводников от металлов, в которых примеси, независимо от их природы, всегда снижают проводимость, не оказывая существенного влияния на характер температурной зависимости.


1.1 Основы зонной теории твердого тела


На основании квантовой теории электрон обладает как световыми частицами, так и свойствами волны. Для электрона вводились волновой вектор, энергетический уровень. Для атома водорода было решено уравнение Шредингера, в результате чего получено, что энергетический уровень электрона дискретный. Для электрона введены 4 квантовых числа. Для нас наиболее важным является спиновое.

Принцип запрета Паули: на одном энергетическом уровне не могут находиться 2 электрона с одинаковым набором квантового числа. Чаще атомы являются связанными в молекулы. За счёт перекрытия электронных оболочек атомов, происходит расщепление энергетических уровней. На одном уровне , на втором -

Учет взаимодействия электронов между собой и ядрами приводит к более сложным уравнениям Шредингера. При рассмотрении кристаллической решётки каждый энергетический уровень расщепляется на n подуровней.

В твёрдом теле говорят не об энергетических уровнях, а о зонах.

Рис. 1.1.1. Расщепление атомного энергетического уровня в системе связанных атомов


1.2 Энергетические зоны полупроводников


Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией или занимает определенный энергетический уровень.

В твердом теле благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле (рис. 1.2.1). Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешенной зоной. Электроны в твердом теле могут иметь энергии, соответствующие разрешенной зоне. Верхний энергетический уровень разрешенной зоны называют потолком, нижний - дном.

Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.

От взаимного расположения валентной зоны и зоны проводимости и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твердых тел. Между разрешенными зонами находятся запрещенные зоны, т.е. области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Для полупроводников наибольшее значение имеет запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости. Она характеризуется шириной запрещенной зоны АЭ, т.е. разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Энергетические диаграммы на рис. 1.2.1 построены для энергии электрона. Когда энергия электрона увеличивается, электрон занимает более высокое положение в зонной диаграмме. Если же говорить об увеличении энергии дырки, то это будет соответствовать, очевидно, продвижению дырки вглубь валентной зоны. Энергия электрона и дырки измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Ширина запрещенной зоны равна

        (1.2.1)

где  - соответственно энергетические уровни для зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Рис. 1.2.1. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

На рисунке 1.2.2 показаны основные параметры зонных диаграмм полупроводников для температуры, отличной от абсолютного нуля. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:

      (1.2.2)

где    

Т - абсолютная температура,

.

Энергию, соответствующую середине зоны, называют электростатическим потенциалом проводника

  (1.2.3)

Рис. 1.2.2. Значения энергий в зонной диаграмме для собственного (а), электронного (б), дырочного (в) полупроводников;  - уровень Ферми

Приведенные выше качественные соображения относительно примесных полупроводников могут быть проиллюстрированы еще раз качественно на зонных диаграммах. Электрические уровни примесей показаны на зонных диаграммах + (положительно заряженные ионы-доноры) и - (отрицательно заряженные ионы-акцепторы), рис. 1.2.3.

Рис. 1.2.3. Схематическое атомистическое изображение и зонная диаграмма примесных полупроводников: n-типа (а), p-типа (б) (1 - ионы доноров: 2 - ионы акцепторов; «-» - электроны; «+» - дырки)

В полупроводнике одновременно присутствуют электроны и дырки, порожденные двумя причинами: 1) возбуждением собственного полупроводника  и  2) возбуждением донорных и (или) акцепторных примесей. При этом полные концентрации носителей заряда для примесного полупроводника будут  и  (донорный);  и n (акцепторный); при полной ионизации примесей  - количеству доноров, а  т.е. количеству акцепторов. Обычно вследствие малой энергии возбуждения эти величины значительно выше собственных концентраций, т.е.  и  концентрации основных носителей определяются выражениями  (на самом деле , но ) для донорного полупроводника и  для акцепторного полупроводника.

 

1.3 Генерация и рекомбинация носителей заряда


Образование свободных носителей заряда в полупроводниках связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Эту энергию электрон получает от ионов решетки, совершающих тепловые колебания. Концентрация носителей заряда, вызванная термическим возбуждением в состоянии теплового равновесия, называется равновесной.

Однако, помимо теплового возбуждения, появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например в результате облучения фотонами или частицами большой энергии, ударной ионизации, введения носителей заряда в полупроводник из другого тела (инжекция) и др. Возникшие таким образом избыточные носители заряда называются неравновесными. Процесс введения неравновесных носителей заряда называют инжекцией. Таким образом, полная концентрация носителей заряда равна:

 (1.3.1)

                  (1.3.2)

где n0 и p0 - равновесная концентрация, а  и p - неравновесные концентрации электронов и дырок.

Если возбуждение избыточных электронов производилось из валентной зоны, а полупроводник однородный и не содержит объемного заряда, то концентрация избыточных электронов равна концентрации избыточных дырок:

     (1.3.3)

После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пары носителей получило название рекомбинации. В свою очередь, возбуждение электрона из валентной зоны или примесного уровня, сопровождающееся появлением дырки, называется генерацией носителей заряда.

На рис. 1.3.1 G - это темп генерации, а R - темп рекомбинации свободных носителей заряда в собственном полупроводнике.

Рис. 1.3.1. Генерация и рекомбинация свободных электронов и дырок в полупроводниках

Скорость (темп) рекомбинации R пропорциональна концентрации свободных носителей заряда:

     (1.3.4)

где  - коэффициент рекомбинации. При отсутствии освещения (в темноте) G = G0 и R = R0 = γ·n0·p0, величины n0 и p0 иногда называют темновыми концентрациями свободных электронов и дырок соответственно.

Из формулы (1.3.4), учитывая закон действующих масс , получим:

 

                  (1.3.5)

где Eg = EC - EV - ширина запрещенной зоны. Таким образом, скорость рекомбинации R0 будет больше в узкозонных полупроводниках и при высоких температурах.

Если в полупроводнике нет электрического тока и объемных зарядов, то изменение во времени неравновесных концентраций электронов и дырок в зонах определяется уравнениями:

 (1.3.6)

Скорости (темпы) генерации и рекомбинации имеют две составляющие:

 (1.3.7)

 (1.3.8)


где DG, DR - темпы генерации и рекомбинации только неравновесных электронов, т.е. DG - это темп генерации электронов и дырок за счет освещения полупроводника, R0 = γn0p0 и ΔR = γΔnΔp. Используя равенства (1.3.1), (1.3.2) и (1.3.4), уравнение (1.3.6) можно свести к следующему:

 (1.3.9)

Рассмотрим процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда (т.е. при выключении освещения в момент времени t = 0). Общее решение уравнения (1.3.9) довольно сложное. Поэтому рассмотрим два частных случая.

В собственном полупроводнике при сильном освещении концентрация избыточных электронов много больше суммы концентраций равновесных электронов и дырок Δn >>n0 +p0. Из (1.3.9) получим:

 (1.3.10)

где n0 - начальная концентрация неравновесных носителей заряда. Спад концентрации происходит по гиперболическому закону.

В донорном полупроводнике в случае полной ионизации доноров n0 = ND, p0 << n0. Будем также считать, что концентрация неравновесных носителей существенно меньше концентрации основных носителей n << n0. Это условие часто называют критерием низкого уровня инжекции. Отметим, что при условии низкого уровня инжекции проводимость, а следовательно, и удельное сопротивление полупроводника не меняются.

С учетом критерия низкого уровня инжекции уравнение (1.3.10) сводится к виду:

 (1.3.11)

где τn - время жизни неосновных носителей, которое имеет следующее значение:

 (1.3.12)

Уравнение (1.3.11) легко решается:

 (1.3.13)

Величина  имеет смысл среднего времени жизни неравновесных электронов в зоне проводимости. Полученные решения соответствуют кривой, изображенной на рис. 1.3.2. Из формулы (1.3.13) видно, что процесс рекомбинации описывается экспоненциальной зависимостью от времени, причем среднее время жизни представляет собой такой отрезок времени, за который концентрация избыточных носителей изменяется в «е» раз.

Неравновесные носители заряда появляются только в том случае, если энергия фотонов при освещении полупроводника превышает ширину запрещенной зоны (h > Eg).

Рис. 1.3.2. Спад неравновесной концентрации электронов во времени в донорном полупроводнике


1.4 Собственные полупроводники


Собственный полупроводник - это полупроводник без донорных и акцепторных примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника. В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля отсутствуют носители заряда, так как валентная зона полностью занята электронами (там нет дырок), а в зоне проводимости нет электронов.

При температурах выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости - возможна тепловая генерация пар носителей заряда, в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в валентной зоне - дырки. Процесс тепловой генерации возможен даже при очень низких температурах из-за значительных флуктуаций (отклонений) энергий тепловых колебаний атомов от средней энергии тепловых колебаний атомов относительно узлов кристаллической решетки.

Кроме тепловой генерации носителей заряда в полупроводнике существует и их рекомбинация, и эти процессы при любой температуре взаимно уравновешены. При этом в собственном полупроводнике существует собственная концентрация электронов, которая может быть выражена соотношением:

                       (1.4.1)

Формула для собственной концентрации дырок аналогична:

        (1.4.2)

Эффективные плотности уровней в зоне проводимости и в валентной зоне определяются соотношениями:

             (1.4.3)

             (1.4.4)

где - эффективные массы электронов и дырок (смысл этих параметров рассмотрен далее); h-постоянная Планка.

Так как в собственном полупроводнике носители заряда образуются в результате ионизации собственных атомов полупроводника, т.е. благодаря перебросу электронов из валентной зоны в зону проводимости, то одновременно возникает два носителя заряда противоположных знаков. Поэтому

         (1.4.5)

Определим положение уровня Ферми для собственного полупроводника.

При небольшом различии эффективных масс электронов и дырок

     (1.4.6)

т.е. в собственном полупроводнике приближенно можно считать, что уровень Ферми расположен посередине запрещенной зоны.

Приняв в данном случае для простоты начало отсчета энергии от потолка валентной зоны, т.е. , собственные концентрации носителей можно выразить через ширину запрещенной зоны :

      (1.4.7)

      (1.4.8)

1.5 Примесные полупроводники


Большинство полупроводниковых приборов изготовляют на основе примесных полупроводников, т.е., полупроводников, электрические характеристики которых определяются донорными или акцепторными примесями. Таким образом, в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда в полупроводниковом материале должны быть примеси. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т.е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны.

В элементарных полупроводниках, состоящих в основном из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы. В полупроводниковых соединениях и твердых растворах, состоящих из атомов двух или большего числа химических элементов, примесями могут быть не только включения атомов посторонних химических элементов, но и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, входящих в химическую формулу сложного полупроводника.

Такую же роль, как примеси, могут играть различные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, и т.д.

Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. При небольшой концентрации примесей их атомы расположены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой. Поэтому нет расщепления примесных уровней. Вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала, т.е. с точки зрения зонной теории ничтожно мала вероятность перехода электрона с одного дискретного примесного уровня на другой.

При большой концентрации примесей в результате взаимодействия примесных атомов между собой примесные уровни одного типа расщепляются в энергетическую примесную зону. Электроны, находящиеся в примесной зоне, так же как в зоне проводимости и в валентной зоне при неполном их заполнении, могут переходить с уровня на уровень, приобретая необходимую для этого энергию за счет ускорения во внешнем электрическом поле на длине свободного пробега.

Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

Донор - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.

Акцептор - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.

Доноры и акцепторы в полупроводнике могут быть ионизированы под действием энергии, поступающей в кристалл в виде квантов света, теплоты и т.д.

Под энергией ионизации донора понимают минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.

Энергия ионизации акцептора - это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.

Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ширины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за ионизации примесей. Если электропроводность полупроводника обусловлена электронами, его называют полупроводником п-типа, если электропроводность обусловлена дырками - полупроводником р-типа.

Обычно в полупроводниках присутствуют как доноры, так и акцепторы. Полупроводник, у которого концентрация доноров равна концентрации акцепторов, называют скомпенсированным.

Соотношения для концентрации электронов и дырок можно преобразовать, приняв  и учтя соотношения (1.4.7) и (1.4.8):

      (1.5.1)

                   (1.5.2)

Из преобразования соотношения для концентрации электронов и дырок следует:

               (1.5.3)

т.е. в невырожденном полупроводнике произведение концентраций свободных электронов и дырок при термодинамическом равновесии есть постоянная величина, равная квадрату собственной концентрации при данной температуре.

Соотношение (1.5.3) справедливо для невырожденного полупроводника, т.е. для полупроводника, у которого уровень Ферми расположен в запрещенной зоне достаточно далеко (на 2-3 kT) от дна зоны проводимости или от потолка валентной зоны, так как только при этих условиях можно пользоваться функцией распределения Максвелла - Больцмана.

Соотношение (1.5.3) обычно называют законом действующих масс в соответствии с терминологией химической термодинамики (константа химического равновесия выводится из закона действующих масс).

1.6 Определение удельного сопротивления полупроводников


Удельное сопротивление полупроводника является одним из важных электрических параметров, который учитывается при изготовлении полупроводниковых приборов. Для определения удельного сопротивления полупроводников наиболее распространенными являются два метода: двух- и четырехзондовый. Эти методы измерения принципиального отличия друг от друга не имеют. Кроме этих контактных (зондовых) методов измерения удельного сопротивления, в последние годы применяются бесконтактные высокочастотные методы, в частности емкостный и индукционный, особенно для полупроводников с высоким удельным сопротивлением.

В микроэлектронике для определения удельного сопротивления широко используют четырехзондовую методику в связи с ее высокими метрологическими показателями, простой реализации и широкого круга изделий, в которых можно контролировать данную величину (полупроводниковые пластины, объемные монокристаллы, полупроводниковые слоистые структуры).

Метод основан на явлении растекания тока в точке контакта металлического острия зонда с полупроводником. Через одну пару зондов пропускается электрический ток, а вторая используется для измерения напряжения. Как правило, используются два типа расположения зондов - в линию или по вершинам квадрата.

Соответственно, для данных типов расположений зондов используются следующие расчетные формулы:

.   Для расположения зондов в линию на равных расстояниях:

         (1.6.1)

.   Для расположения зондов по вершинам квадратов:

        (1.6.2)

В случае, если необходимо учитывать геометрические размеры образцов (если не выполняется условие d, l, h>>s), в формулы вводятся поправочные коэффициенты, приведенные в соответствующих таблицах.

Если в полупроводнике создать градиент температуры, в нем будет наблюдаться градиент концентраций носителей заряда. В результате возникнет диффузионный поток носителей заряда и связанный с ним диффузионный ток. В образце возникнет разность потенциалов, которую принято называть термоЭДС.

Знак термоЭДС зависит от типа проводимости полупроводника. Так как в полупроводниках два типа носителей заряда, диффузионный ток складывается из двух составляющих, а знак термоЭДС зависит от преобладающего типа носителей заряда.

Установив знак термоЭДС с помощью гальванометра, можно сделать вывод о типе проводимости данного образца.


1.7 Температурная зависимость электропроводности полупроводников


Электропроводность полупроводников зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Учитывая зависимость концентрации и подвижности носителей заряда от температуры, удельную электропроводность собственного полупроводника можно записать в виде

  (1.7.1)

Множитель  медленно меняется с температурой, тогда как множитель  сильно зависит от температуры, если . Следовательно, для не слишком высоких температур можно считать, что

         (1.7.2)

и выражение для удельной электропроводности собственного полупроводника заменить более простым

       (1.7.3)

В примесном полупроводнике при достаточно высоких температурах проводимость является собственной, а при низких температурах примесной. В области низких температур для удельной электропроводности примесной проводимости можно записать выражения:

для примесного полупроводника с одним типом примеси


      (1.7.4)


для примесного полупроводника с акцепторной и донорной примесями

                 (1.7.5)

где  - энергия активации примесного полупроводника.

В области истощения примеси концентрация основных носителей остается постоянной и проводимость меняется вследствие изменения подвижности с температурой. Если основным механизмом рассеяния носителей в области истощения примеси является рассеяние на тепловых колебаниях решетки, то проводимость уменьшается с ростом температуры. Если же основным механизмом рассеяния является рассеяние на ионизированных примесях, то проводимость будет увеличиваться с ростом температуры.

Практически при исследовании температурной зависимости проводимости полупроводников часто пользуются не проводимостью, а просто сопротивлением полупроводника. Для тех областей температур, когда формулы (1.7.3), (1.7.2) и (1.7.3) справедливы, можно записать для сопротивления полупроводников следующие выражения:

для собственного полупроводника

         (1.7.6)

для полупроводника n-типа

       (1.7.7)

для полупроводника p-типа

       (1.7.8)

для примесного полупроводника с акцепторными и донорными примесями

                   (1.7.9)

Измерив температурный ход сопротивления полупроводника в определенном интервале температур, можно из выражения (1.7.6) определить ширину запрещенной зоны , из формул (1.7.7), (1.7.8) - энергию ионизации донорной  или акцепторной  примеси, из уравнения (1.7.9) - энергии активации полупроводника .

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры значительно резче, чем у металлов: температурный коэффициент сопротивления у них в десятки раз выше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак. Теплоэлектрический полупроводниковый прибор, использующий зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры, предназначенный для регистрации изменения температуры окружающей среды, называется термистором или терморезистором. Он представляет собой объемное нелинейное полупроводниковое сопротивление с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Материалами для изготовления терморезисторов служат смеси окислов различных металлов: меди, марганца, цинка, кобальта, титана, никеля и др.

Из числа отечественных терморезисторов наиболее распространены кобальто-марганцевые (КМТ), медно-марганцевые (ММТ) и медно-кобальто-марганцевые (СТЗ) терморезисторы.

Область применения каждого типа терморезистора определяется его свойствами и параметрами: температурной характеристикой, коэффициентом температурной чувствительности B, температурным коэффициентом сопротивления α, постоянной времени τ, вольт-амперными характеристиками.

Зависимость сопротивления полупроводникового материала терморезистора от температуры называется температурной характеристикой, она имеет вид

             (1.7.10)

Коэффициент температурной чувствительности B может быть определен по формуле:

     (1.7.11)

Энергия активации полупроводникового материала терморезистора определяется по формуле:

          (1.7.12)

1.8 Фотопроводимость


Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под действием света. Полупроводник, меняющий свою проводимость при освещении его светом, называется фотосопротивлением (фоторезистором). Уменьшение сопротивления полупроводника, обусловленное поглощением света, объясняется увеличением числа свободных носителей заряда. Квантовым выходом (вероятностью), рассчитанным на поглощённый световой поток, называется отношение числа неравновесных фотоносителей заряда к общему числу поглощенных квантов света:

 (1.8.1)

Фототоком  фотосопротивления при данном напряжении называется разность тока при освещении полупроводника  и темнового тока :

         (1.8.2)

Если фотосопротивление не освещено, то его величина очень большая. Его называют темновым сопротивлением, а ток, соответствующий ему - темновым током. Величина темнового сопротивления определяется температурой и чистотой полупроводника. При освещении прибора его сопротивление уменьшается и тем значительнее, чем больше световой поток.

Благодаря внутреннему фотоэффекту фоторезистор непосредственно преобразует световую энергию в электрическую энергию.

Световой (энергетической) характеристикой фотосопротивления называется зависимость фототока от светового потока при данном напряжении. Эта зависимость, показана на рис. 1.8.1.

Рис. 1.8.1. Зависимость фототока от светового потока

 

Вольтамперная характеристика фотосопротивления имеет линейный характер при постоянном световом потоке и выражает зависимость фототока от приложенного напряжения.

Важной характеристикой фотосопротивления также является удельная чувствительность, т.е. отношение фототока  к световому потоку Ф и к величине приложенного напряжения U:

              (1.8.3)

Из фотометрии известно, что световой поток

Ф = ES       (1.8.4)

где E - освещенность поверхности; S - площадь светочувствительного слоя фотосопротивления.

В случае малых световых потоков Ф, когда кванты света идут на образование избыточных носителей, количество образующихся носителей, а, следовательно, и величина фототока пропорциональны падающему световому потоку ( ~ Ф, т.е.  = a* Ф = a * ES, где а - некоторая постоянная). При этом фотосопротивление выражается как

           (1.8.5)

При больших световых потоках наступает насыщение и линейная зависимость фототока от светового потока нарушается ( ~ ).

Принимая во внимание, что темновой ток (( ~ Ф0)) и темновое сопротивление являются постоянными для данного фоторезистора, и учитывая (6) - (7) перепишем формулу (8) в виде

     (1.8.6)

где A= Iт/aS - некоторая неизвестная постоянная.

Учитывая линейную зависимость фототока от светового потока, из формулы (9) следует описание зависимости фотосопротивления от освещенности:

       (1.8.7)


2. Экспериментальное исследование электрофизических параметров


Данная глава посвящена исследованию электрофизических параметров полупроводниковых материалов. В ходе экспериментов определялись удельное сопротивление с использованием четырехзондовой методики, тип проводимости по знаку термоЭДС, температурная зависимость электрического сопротивления полупроводников, вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

2.1 Измерение удельного сопротивления четырехзондовым методом и определение типа проводимости по знаку термоЭДС


Цель работы:

Определить удельное сопротивление полупроводникового образца с использованием четырехзондовой методики, а также определить тип проводимости полупроводникового образца по знаку термоЭДС с использованием термозонда.

Оборудование: потенциометр, мультиметр MY-64, магазин сопротивлений, универсальный мост, реостат 5000 Ом, держатель образца, полупроводниковые образцы произвольной формы, источники постоянного тока, ключи и переключатели.

Схема экспериментальной установки:

Для определения удельного сопротивления образцов:




Для определения типа проводимости образцов:

Экспериментальные данные:

1. Определение типа проводимости:

№ образца

1

2

3

4

Тип проводимости

электронный

электронный

электронный

дырочный


.   Определение удельного сопротивления:

n=5 α=0,9 t=2,1

Образец №1

I, мА

U, В

U/I

, Ом*м

, Ом*м

, (Ом*м)2

S, Ом*м

, Ом*м



1

2

0,06

0,03

2,4492

-0,073476

0,005398723

0,013

0,0281711

1,19

2

2

0,06

0,0295

2,40838

-0,032656

0,001066414




3

2

0,06

0,0285

2,32674

0,048984

0,002399432




4

2

0,06

0,0295

2,40838

-0,032656

0,001066414




5

2

0,06

0,028

2,28592

0,089804

0,008064758




ср. знач




2,37572

-3,553E-16

0,003599148




Образец №2

I, мА

U, В

U/I

, Ом*м

, Ом*м

, (Ом*м)2

S, Ом*м

, Ом*м



1

2

0,06

0,0295

2,40838

-0,032656

0,001066414

0,083

0,1745869

6,46

2

2

0,07

0,0355

2,89822

-0,522496

0,27300207




3

2

0,06

0,032

2,61248

-0,236756

0,056053404




4

2

0,07

0,0335

2,73494

-0,359216

0,129036135




5

2

0,07

0,035

2,8574

-0,481676

0,232011769




ср. знач




2,70228

-0,32656

0,138233958




Образец №3

I, мА

U, В

U/I

, Ом*м

, Ом*м

, (Ом*м)2

S, Ом*м

, Ом*м



1

2

7,86

3,93

-318,46948

101422,8071

49,98

104,95215

47,8

2

2

5,33

2,665

217,571

-215,19488

46308,83466




3

2

4,32

2,16

176,342

-173,96668

30264,40436




4

2

4,5

2,25

183,69

-181,31428

32874,86668




5

2

4,89

2,445

199,61

-197,23408

38901,28074




ср. знач




219,612

-217,23588

49954,43872




Образец №4

I, мА

U, В

U/I

, Ом*м

, Ом*м

, (Ом*м)2

S, Ом*м

, Ом*м



1

2

6,7

3,35

273,494

-271,11828

73505,11958

82,98

174,25773

47,3

2

2

10,8

5,4

440,856

-438,48028

192264,9524




3

2

10,6

5,3

432,692

-430,31628

185172,0974




4

2

8,7

4,35

355,134

-352,75828

124438,4013




5

2

8,3

4,15

338,806

-336,43028

113185,3306




ср. знач




368,196

-365,82068

137713,1803





Вывод:

В ходе выполнения данной работы были определены тип проводимости и удельное сопротивление для четырех полупроводниковых образцов. В результате установлено, что для каждого образца эти величины имеют следующие значения:

Образец

Тип проводимости

ρ, Ом∙см

1

Электронный

0,024

2

Электронный

0,027

3

Электронный

2,19

4

Дырочный

3,68


Сопоставляя полученные значения удельного сопротивления с табличными, с учетом определенного типа проводимости можно сделать вывод, что исследованные образцы под номерами 1,2 принадлежат к марке монокристаллического кремния КЭФ 3В, образец №3 к марке КЭФ 1А, а образец №4 к марке КДБ 1А.


2.2. Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения сопротивления при помощи резистивного моста; вычисление удельного сопротивления.

Оборудование: мост постоянного тока, нагреватель, измеритель температуры, терморезисторы, мультиметр MY-64.

Схема экспериментальной установки

Экспериментальные данные:

ММТ-8

t,°C

T, K

1/T*10¯⁵

R, Ом

LnR

E*10²³, Дж/К

R, Ом

R², Ом²

S

R, Ом



1

20

293

341,297

117,85

4,769413

55,96605634

-0,9412

0,88595

0,07

0,1291

0,1

2

40

313

319,489

117,33

4,76499


-0,4213

0,17745




3

50

323

309,598

117,21

4,763967


-0,3012

0,09075




4

60

333

300,3

116,98

4,762003


-0,0713

0,00508




5

70

343

291,545

116,77

4,760206


0,13875

0,01925




6

80

353

283,286

116,51

4,757977


0,39875

0,159




7

90

363

275,482

116,39

4,756947


0,51875

0,2691




8

100

373

268,097

116,23

4,755571


0,67875

0,4607




ср. знач




116,9088



-2E-15

0,25841





ММТ-8

t,°C

T, K

1/T*10¯⁵

R, Ом

LnR

E*10²³, Дж/К

R, Ом

R², Ом²

S

R, Ом



1

20

293

341,297

20,62

3,026261

1719,798835

-7,405

54,834

0,62

1,1815

8,9

2

40

313

319,489

18

2,890372


-4,785

22,8962




3

50

323

309,598

16

2,772589


-2,785

7,75623




4

60

333

300,3

14,3

2,66026


-1,085

1,17723




5

70

343

291,545

12

2,484907


1,215

1,47623




6

80

353

283,286

10,8

2,379546


2,415

5,83223




7

90

363

275,482

8

2,079442


5,215

27,1962




8

100

373

268,097

6

1,791759


7,215

52,0562




ср. знач




13,215



0

21,6531






КМТ-12

№t,°CT, K1/T*10¯⁵R, ОмLnRE*10²³, Дж/КR, ОмR², Ом²SR, Ом












1

14

287

348,432

590

6,380123

8035,673521

-111,25

12376,6

8,85

16,815

3,5

2

16

289

346,021

550

6,309918


-71,25

5076,56




3

18

291

343,643

520

6,253829


-41,25

1701,56




4

20

293

341,297

490

6,194405


-11,25

126,563




5

22

295

338,983

450

6,109248


28,75

826,563




6

24

297

336,7

430

6,063785


48,75

2376,56




7

26

299

334,448

410

6,016157


68,75

4726,56




8

28

301

390

5,966147


88,75

7876,56




ср. знач




478,75



0

4385,94




Вывод:

В ходе выполнения данной работы были cняты температурные характеристики, вычислена ширина запрещённой зоны полупроводника. В результате установлено, что зависимость сопротивления полупроводника от температуры имеет экспоненциальный характер.

2.3 Изучение фотопроводимости полупроводников

Цель работы: исследовать вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

Оборудование: мультиметр MY-64, реостат 5000 Ом, источник постоянного тока, источник питания, люксметр Ю116, фоторезистор ФСК-1, осветитель, проектор на 2000 лк.

Схема экспериментальной установки:

Экспериментальные данные:

ВАХ ФСК-1

E=100 Лк

n=16

α=0,9

t=1,8

U, В

Ic, мА

Iт, мА

Iф, мА

I, мА

I, мА


S

I, мА

e, %

1

1

0,005

0

0,005

0,0101

0,0051

0,00002601

0,001

0,002

0,7

2

2,2

0,012

0,001

0,011

0,02222

0,01122

0,000125888




3

3,5

0,021

0,001

0,02

0,03535

0,01535

0,000235623




4

5,5

0,036

0,001

0,035

0,05555

0,02055

0,000422303




5

7,9

0,06

0,001

0,059

0,07979

0,02079

0,000432224




6

9,9

0,079

0,002

0,077

0,09999

0,02299

0,00052854




7

15

0,137

0,002

0,135

0,1515

0,0165

0,00027225




8

20,2

0,191

0,002

0,189

0,20402

0,01502

0,0002256




9

25,2

0,248

0,002

0,246

0,25452

0,00852

7,25904E-05




10

30

0,29

0,002

0,288

0,303

0,015

0,000225




11

34,8

0,342

0,003

0,339

0,35148

0,01248

0,00015575




12

40,1

0,408

0,003

0,405

0,40501

1E-05

1E-10




13

44,9

0,463

0,003

0,46

0,45349

-0,00651

4,23801E-05




14

50

0,515

0,003

0,512

0,505

-0,007

4,9E-05




15

55

0,568

0,003

0,565

0,5555

-0,0095

9,025E-05




16

60,3

0,625

0,003

0,622

0,60903

-0,01297

0,000168221




ср. знач





0,255972

0,007971875

0,000255528




1

1

0,011

0

0,011

0,0173

0,0063

0,00003969

0,001

0,002

0,4

2

2

0,023

0,001

0,022

0,0346

0,0126

0,00015876




3

5,5

0,081

0,001

0,08

0,09515

0,01515

0,000229523




4

10,5

0,162

0,002

0,16

0,18165

0,02165

0,000468723




5

15,2

0,241

0,002

0,239

0,26296

0,02396

0,000574082




6

20

0,336

0,002

0,334

0,346

0,012

0,000144




7

25

0,419

0,002

0,417

0,4325

0,0155

0,00024025




8

30

0,5

0,002

0,498

0,519

0,021

0,000441




9

35,2

0,606

0,003

0,603

0,60896

0,00596

3,55216E-05




10

40,1

0,693

0,003

0,69

0,69373

0,00373

1,39129E-05




11

45,2

0,784

0,003

0,781

0,78196

0,00096

9,216E-07




12

50

0,874

0,003

0,871

0,865

-0,006

3,6E-05




13

55,1

0,961

0,003

0,958

0,95323

-0,00477

2,27529E-05




14

60,1

1,064

0,003

1,061

1,03973

-0,02127

0,000452413




ср. знач





0,487984

0,007626429

0,000262273




1

1

0,018

0

0,018

0,0311

0,0131

0,00017161

0,002

0,003

0,4

2

2,2

0,048

0,001

0,047

0,06842

0,02142

0,000458816




3

5,1

0,129

0,001

0,128

0,15861

0,03061

0,000936972




4

10

0,271

0,002

0,269

0,311

0,042

0,001764




5

15,1

0,428

0,002

0,426

0,46961

0,04361

0,001901832




6

20

0,59

0,002

0,588

0,622

0,034

0,001156




7

25

0,753

0,002

0,751

0,7775

0,0265

0,00070225




8

30

0,908

0,002

0,906

0,933

0,000729




9

34,8

1,067

0,003

1,064

1,08228

0,01828

0,000334158




10

39,8

1,239

0,003

1,236

1,23778

0,00178

3,1684E-06




11

45,2

1,413

0,003

1,41

1,40572

-0,00428

1,83184E-05




12

50,6

1,592

0,003

1,589

1,57366

-0,01534

0,000235316




13

55,4

1,749

0,003

1,746

1,72294

-0,02306

0,000531764




14

59,7

1,885

0,003

1,882

1,85667

-0,02533

0,000641609




ср. знач





0,875021

0,013592143

0,000869376




Вывод: Вольт-амперная характеристика прибора нелинейная при малых освещенностях и линейная при больших, т.е. выполняется закон Ома в широкой области изменения напряжения. В области слабых электрических полей фоторезисторы являются омическими сопротивлениями.

 


Заключение

Подводя итоги по курсовой работе, следует отметить, что были выполнены все поставленные цели:

·        углубить знания раздела дисциплины, касающегося основных свойств полупроводниковых материалов;

·        рассмотреть и изучить свойства полупроводниковых материалов.

В работе были исследованы полупроводниковые приборы:

·        получены зависимости проводимости, сопротивления от температуры

·        определена ширина запрещенной зоны

·        получены вольт-амперные характеристики

·        определена величина удельного сопротивления эпитаксиальных структур.

В процессе выполнения работы была изучена зонная теория твердого тела, теория, описывающая концентрацию носителей заряда в полупроводниках, динамика образования и движения носителей заряда в полупроводниковых материалах. Освоены методы исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления, зависимости сопротивления от температуры.

Полупроводниковые материалы применяются для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Особенности электрофизических свойств полупроводников определяются природой сил связи. Пригодность полупроводникового материала зависит от его кристаллической структуры, ширины запрещенной зоны, положения примесных уровней и однородности распределения примеси по объему. Оптическими, термическими, термоэлектрическими, и электрическими свойствами полупроводниковых материалов определяются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Особые требования предъявляют к таким свойствам, как тип электропроводности, концентрация введенной примеси, подвижность и время жизни носителей заряда.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что развитие современной электронной техники идёт по пути микроминиатюризации электронного оборудования. Только развитие полупроводниковой электроники открыло перед электронной техникой эту возможность. Таким образом, главнейшей задачей, стоящей перед полупроводниковой техникой, является обеспечение возможности создания микроминиатюрного высоконадежного и дешевого электронного оборудования.

Список использованной литературы


1. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1969.

2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. - М.: Советское радио, 2009.

3. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. - М.: В.Ш. 1977.

4. Рымкевич П.А. Курс физики. - М.: В.Ш. 1977.

5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Учеб. Для студентов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

7. Пасынков В.В., Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1977

8. Шалимов К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Шалимов К.В. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. - М.: Высшая школа, 1968.

10.Лысов В.Ф. Практикум по физике полупроводников - М.: Просвещение, 1976.

11.http://elib.ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Index.html

Похожие работы на - Исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!