Главная страница

2 лаба МЭТ. 2 лаба мэт. Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов


Скачать 63.68 Kb.
НазваниеИсследование электрических свойств полупроводниковых материалов
Анкор2 лаба МЭТ
Дата11.11.2020
Размер63.68 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файла2 лаба мэт.docx
ТипИсследование
#149748


МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЕТ


по лабораторной работе №2

по дисциплине «Материалы электронной техники»

Тема: Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов


Студент гр. 8283 Преподаватель

Орехов А.В. Лазарева Н.П.

Санкт-Петербург 2019

Цель работы



Сравнить температурные зависимости сопротивления полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; определить ширину запрещенной зоны и энергию ионизации легирующих примесей в материалах.

Основные понятия и определения



Полупроводники – материалы с электронной электропроводностью, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Условный диапазон удельных сопротивлений полупроводников ограничивают значениями 10-5-108 Ом∙м.

Характерной особенностью полупроводниковых материалов является сильно выраженная зависимость удельной проводимости от внешних энергетических воздействий, а также от концентрации и типа примесей.

В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяются на собственные и примесные.

Собственный – это такой полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Содержание примесей в них не превышает 10-9…10-8 %, и существенного влияния на удельную проводимость полупроводника они не оказывают.

Примесный это такой полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями.

При T = 0 К в полупроводниковых кристаллах нет ни одного квазисвободного носителя заряда, способного принять участие в направленном движении при воздействии внешнего фактора, т. е. при температуре абсолютного нуля полупроводник не обладает электропроводностью. Прочность ковалентной

(ионно-ковалентной) связи (энергия связи) соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника ΔЭ.

При температурах, отличных от 0 K, часть носителей заряда, обладая средней тепловой энергией Eср kT, способна разорвать химическую связь, что приводит к образованию равного количества электронов в зоне проводимости ni и дырок в валентной зоне pi. Процесс термогенерации носителей заряда носит вероятностный характер, и в случае генерации собственных носителей заряда их концентрации определяются соотношением:
ni=pi exp()
Чтобы управлять значением проводимости и типом электропроводности полупроводника, в узлы решетки вводят легирующие примеси, валентность которых отличается на ±1 от валентности собственных атомов (водородоподобные доноры или акцепторы). Такие примеси создают в запрещенной зоне полупроводника дополнительные уровни вблизи краев соответствующих зон: доноры – вблизи дна зоны проводимости, акцепторные – вблизи потолка валентной зоны. Энергия термогенерации носителей заряда, обусловленных введением примесей ∆Эпр, в 50…100 раз меньше ширины запрещенной зоны ∆Э, так что при температурах работы полупроводниковых приборов ( 300 K) именно примеси определяют суммарную концентрацию носителей заряда в полупроводнике. Очевидно, что концентрация носителей заряда при введении в полупроводник примесей nпр определяется процессом термогенерации носителей заряда:
nпр exp(-Эпр/(2kT))
Чтобы не нарушить совершенства кристаллической структуры полупроводника, легирующие примеси вводят в концентрациях, много меньших (на несколько порядков), чем концентрация собственных атомов Nпр << Nсоб, но и

такого количества примесей достаточно, чтобы управлять и типом, и значением проводимости полупроводника.
Суммарная концентрация носителей заряда в полупроводнике определяется как собственными носителями заряда ni, так и концентрацией ионизированных примесей nпр:
n ≈ ni + nпр



Рис. 1 - температурные зависимости проводимости в полупроводниках, содержащих различные концентрации примесей: 1 – Nпр1; 2 – Nпр2; Nпр2 > Nпр1

Обработка результатов





  1. Расчёт удельного сопротивления исследуемых полупроводниковых материалов для каждой температурной точки по формуле

𝑆

𝜌 = 𝑅 𝐿

где R- сопротивление образца; S- площадь поперечного сечения образца; L- длина образца.

Таблица 1.




Si

Ge

SiC

InSb

S, м2

2,0E-07

2,0E-07

1,2E-06

1,0E-07

L, м

0,03

0,03

0,01

0,02


Вычислим соответствующие удельные проводимости образцов по формуле: γ = 1/ρ

Пример вычислений (Si) для T=303K:

ρ = R*S/L =

γ = 1/ρ =

ln(γ) =
Таблица 2, Si.


Т, К

T ˉ¹, Kˉ¹

R, Ом

ρ, Ом*м

γэкс, См/м

ln γ

298

0,0034

991,4

6,61E-03

1,51E+02

5,019272

303

0,0033

1024

0,00683

146,48438

4,986919

307

0,0033

1050

0,007

142,89797

4,962131

310

0,0032

1074

0,00716

139,61281

4,938873

313

0,0032

1107

0,00738

135,46464

4,908711

319

0,0031

1157

0,00771

129,63443

4,864718

329

0,003

1245

0,0083

120,53033

4,791901

340

0,0029

1326

0,00884

113,1307

4,728544

368

0,0027

1592

0,01061

94,221106

4,545644

382

0,0026

1703

0,01135

88,085031

4,478303

420

0,0024

2421

0,01614

61,957869

4,126455


Таблица 3, Ge.



Т, К

T ˉ¹, Kˉ¹

R, Ом

ρ, Ом*м

γэкс, См/м

ln γ

298

0,0034

290

0,00193

517,24138

6,24851

303

0,0033

294,8

0,00197

508,81954

6,232093

307

0,0033

298,3

0,00199

502,84948

6,220291

310

0,0032

301,6

0,00201

497,34748

6,209289

313

0,0032

305,8

0,00204

490,51668

6,195459

319

0,0031

311,1

0,00207

482,16008

6,178276

329

0,003

316,7

0,00211

473,63435

6,160436

340

0,0029

315,1

0,0021

476,03935

6,165501

368

0,0027

247,7

0,00165

605,57126

6,406172

382

0,0026

205,3

0,00137

730,63809

6,593918

420

0,0024

71,8

0,00048

2089,1365

7,644506



Таблица 4, SiC.


Т, К

T ˉ¹, Kˉ¹

R, Ом

ρ, Ом*м

γэкс, См/м

ln γ

298

0,0034

7280

8,74E-01

1,1446886

0,135133

303

0,0033

6580

7,90E-01

1,266464

0,236229

307

0,0033

6108

7,33E-01

1,3643309

0,310664

310

0,0032

5691

6,83E-01

1,4643004

0,381378

313

0,0032

5197

6,24E-01

1,6034892

0,472182

319

0,0031

4579

5,49E-01

1,8199025

0,598783

329

0,003

3716

4,46E-01

2,2425547

0,807616

340

0,0029

3104

3,72E-01

2,6847079

0,987572

368

0,0027

1930

2,32E-01

4,3177893

1,462744

382

0,0026

1499

1,80E-01

5,5592617

1,715465

420

0,0024

686,3

8,24E-02

12,142406

2,496704

Таблица 5, InSb.


Т, К

T ˉ¹, Kˉ¹

R, Ом

ρ, Ом*м

γэкс, См/м

ln γ

298

0,0034

32

1,60E-04

6250

8,740337

303

0,0033

31

1,55E-04

6451,6129

8,772085

307

0,0033

29,93

1,50E-04

6682,2586

8,807211

310

0,0032

29,11

1,46E-04

6870,4912

8,834991

313

0,0032

28,01

1,40E-04

7140,307

8,873511

319

0,0031

26,31

1,32E-04

7601,6724

8,936124

329

0,003

23,61

1,18E-04

8470,9869

9,044402

340

0,0029

21,43

1,07E-04

9332,7112

9,141281

368

0,0027

16,04

8,02E-05

12468,828

9,430987

382

0,0026

14,57

7,29E-05

13726,836

9,527108

420

0,0024

9,82

4,91E-05

20366,599

9,921652




  1. Построение температурные зависимости удельной электрической проводимости полупроводников по данным таблиц 2-5, откладывая по оси абсцисс параметр T-1, а по оси ординат – значения ln(γ).




Рис. 2 – график температурной зависимости удельной электрической проводимости полупроводников.

  1. Расчет концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при T = 300 К по формуле:


Таблица 6.


 

ΔЭ, эВ

μn,

μp

Nc

Nv

T

Si

1,12

0,13

0,05

2,74E+25

1,05E+25

300

Ge

0,66

0,39

0,19

1,02E+25

6,1E+24

InSb

0,18

7,8

0,075

3,7E+22

6,3E+24

SiC

2,9

0,04

0,006

1,44E+25

1,93E+25



Пример вычислений (Si):

Таблица 7.

Проводник

ni

Si

6,68028E+15

Ge

2,26425E+19

InSb

1,48698E+22

SiC

7,422801334


  1. Оценка значения собственной электропроводности в этих полупроводниках при 300 К:

i qnn p

Пример вычислений для SiC:

i qnn p
Таблица 8.

Проводник

yi

Si

2,03E-04

Ge

2,22E+00

InSb

1,98E+04

SiC

5,77E-20




  1. Сравнение полученных в результате расчетов значения i с экспериментальными данными γэксп, определение проводимости исследуемых образцов в интервале температур от Тmin=298 K до Tmax=420 К:

а) Si:

γэксп = 151 См/м; i = 2,03 ∗ 10−4 См/м

Так как γэксп >> γi, значит в полупроводнике при T=298 К наблюдается только примесная проводимость. Следует оценить, все ли примеси ионизированы в исследованном температурном интервале или нет. Для этого сравним энергию ионизации примеси ΔЭпр с энергией тепловой генерации kTmax.

kTmax =

ΔЭпр :

ΔЭпр ≈ kTmax
б) Ge:

γэксп = 517 См/м; i = 2,2 См/м

γэксп >> γi

В Ge при T = 298 К наблюдается примесная проводимость.

kTmax =

ΔЭпр =

ΔЭпр < kTmax

При Т = 328 К начинается участок собственной электропроводности германия.

Определим по углу наклона кривой ширину запрещенной зоны:

в) SiC:

γэксп =1,14 См/м; i =5,77 ∗ 10−20 См/м

γэксп >> i

В карбиде кремния при T=298 К наблюдается примесная проводимость.

kTmax =

ΔЭпр :

ΔЭпр > kTmax

На интервале температур от Т=298 К до Т=420 К наблюдается участок ионизации примеси.

Вычислим энергию ионизации примеси:

г) InSb:

γэксп = 6250 См/м; i =19800 См/м

γэксп ≈ γi

У антимонида индия на интервале температур от T = 298 К до Т=420 К наблюдается участок собственной электропроводности.
Найдем собственную энергию ионизации:


  1. Рассчитаем ni эксп при T = 298 К

Пример вычислений:

Таблица 9.

Проводник

niэкс

Si

4,62E+22

Ge

5,35E+21

InSb

2,58E+21

SiC

1,87E+20



Вывод.


В ходе выполнения данной лабораторной работы, при получении экспериментальных температурных зависимостей сопротивлений полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, были получены следующие выводы:


  1. У Si-кремния наблюдается участок истощения примеси, что можно хорошо увидеть на графике (уменьшение удельной проводимости с ростом температуры), это не позволяет определить ни энергию активации примеси, ни ширину запрещенной зоны полупроводника;




  1. У Ge-германия наблюдается переход с участка истощения примеси в зону собственной электропроводности, т.е. уменьшение удельной проводимости до минимального значения при температуре 329 К, а после, резкого увеличения. Экспериментально установленная ширина запрещенной зоны германия ΔЭGe=




  1. У SiC наблюдается участок ионизации примесей, т.е. увеличения удельной проводимости с ростом температуры, где γэксп >> γi. Экспериментально установленная энергия ионизации примесей карбида кремния ΔЭпрSiC=




  1. У InSb наблюдается участок собственной электропроводности, т.е. график возрастает при увеличении температуры, где γэксп ≈ γi. Ширина запрещенной зоны антимонида индия ΔЭInSb=


написать администратору сайта