Мэт метода. В. И. Ульянова (Ленина) материалы электронной техники лабораторный практикум
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
f(T –1 ) для всех исследованных полупроводниковых материалов привести на одном графике. Таблица 2.3 Исследуемый материал T, К КОм ρ, Ом∙м эксп, См/м ln эксп, См/м 3. Поданным табл. 2.1 рассчитать концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и при T = 300 К по формуле Э exp( ) 2 i i с v n p N N kT 4. Оценить значения собственной удельной проводимости в этих полупроводниках при 300 К i n p qn Значения подвижностей носителей заряда указаны в табл. 2.1. 5. Сравнивая полученные в результате расчетов значения со своими экспериментальными данными эксп табл. 2.3), решить, какие же носители собственные или примесные) определяют электрическую проводимость исследуемых образцов в интервале температур от T min = 300 К до Т – максимальной температуры измерений. Такой сравнительный анализ позволит ответить наследующий вопрос какой области температурной зависимости ln эксп = f(T –1 ) – собственной или примесной соответствует проводимость исследованных полупроводников в температурном интервале (T max – T min ). 23 Если, согласно проведенному анализу, в полупроводнике наблюдается только примесная электропроводность (эксп >> γ i ), следует оценить, всели примеси ионизированы в исследованном температурном интервале или нет. Для этого необходимо сравнить энергию ионизации примеси ∆Э пр с энергией тепловой генерации kT max . Если ∆Э пр << kT max , то примеси в полупроводнике с большой вероятностью ионизированы пр ≈ пр. По значению эксп следует определить всю концентрацию этих примесей. 6. Если в полупроводнике не все примеси ионизированы, то по наклону кривой эксп Т можно найти ∆Э пр : ΔЭ пр = ) ( ) ( ln 2 1 2 1 2 Рассчитать значения эксп n по формуле эксп эксп Рассчитывая n(T 1 ) и n( T 2 ) по значению эксп (T 1 ) и эксп (T 2 ), будем полагать, что изменениями подвижности носителей заряда при изменении температуры при неполной ионизации примесей можно пренебречь. 7. Для полупроводников, у которых эксп ≈ γ i , определить ∆Э по формуле Э = 1 2 1 2 1 2 1 2 ln 2 Значения температур T 2 и T 1 выбираются таким образом, чтобы соответствующие значения эксп располагались на прямолинейном участке построенной зависимости эксп Т. Значение эксп рассчитать по формуле эксп эксп 9. Для каждого из материалов на построенных зависимостях эксп Т определить температурные диапазоны реализации участков ионизации примеси истощения примеси собственной электропроводности. 24 2.6. Контрольные вопросы 1. Что такое собственный полупроводник Какими свойствами он обладает Может ли примесный полупроводник обладать собственной электропроводностью. Дайте определение понятий удельного электрического сопротивления, удельной электрической проводимости, подвижности носителей заряда. В каких единицах измеряются эти величины в системе СИ 3. Какие примеси в ковалентных полупроводниках являются донорами, а какие – акцепторами 4. Как определить ширину запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости концентрации носителей заряда 5. Объясните, чем обусловлена сложная температурная зависимость удельной проводимости полупроводников. 6. Каким образом примеси влияют на удельную проводимость полупроводников. Каким образом влияет на свойства полупроводника величина ширины запрещенной зоны материала 8. Укажите основные области применения исследованных полупроводников. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы исследование спектральных зависимостей фотопроводимости полупроводников Си Се и зависимостей фотопроводимости от уровня оптического облучения. 3.1. Основные понятия и определения Фотоэлектрические свойства полупроводника описывают изменение электрических характеристик материала при воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона. Возникающие при этом процессы называют фотоэлектрическими эффектами (фотоэффектами. В однородных полупроводниках наиболее важным является фоторезистивный эффект (ФРЭ), который состоит в уменьшении сопротивления полупроводника под воздействием света. Для возникновения ФРЭ полупроводник необходимо облучать потоком фотонов с энергиями, достаточными для ионизации собственных или примесных атомов. При этом происходит увеличение концентрации свободных носителей заряда и возрастает удельная проводимость полупроводника. Добавочную проводимость, возникающую при фотоактивном поглощении, называют фотопроводимостью ф. Фотопроводимость равна разности проводимостей полупроводника на свету си в темноте т ф с т (3.1) Различают собственную и примесную фотопроводимость. Собственная фотопроводимость обусловлена оптическими переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Примесная фотопроводимость связана с оптическими переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или же с захватом электронов валентной зоны на примесные уровни образованием дырок в валентной зоне. Важнейшим свойством ФРЭ является зависимость фотопроводимости от энергии (длины волны) падающего фотона, описываемой спектральной характеристикой. Для возбуждения собственной фотопроводимости энергия фотонов должна превышать пороговое значение, определяемое шириной запрещенной зоны полупроводника Э пор пор, (3.2) где h = 4,1410 –15 эВс– постоянная Планка c = 310 8 мс – скорость света Э – ширина запрещенной зоны. Пороговое значение длины волны пор, соответствующее Э, называют красной границей фотоэффекта. Приуменьшении длины волны излучения отпор интенсивность оптических переходов возрастает, что приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда и соответствующему росту фотопроводимости. С другой стороны, при больших энергиях фотонов (малых λ) существенно возрастает коэффициент оптического поглощения, что сопровождается уменьшением глубины проникновения света в полупроводник. При этом неравновесные носители заряда, возбуждаемые в тонком поверхностном слое, быстро рекомбинируют через уровни поверхностных дефектов. Это приводит к спаду фотопроводимости после некоторого максимума на спектральной характеристике ФРЭ. 26 Важное значение имеет фоточувствительность материалов. При фотооб- лучении возникают неравновесные носители заряда, которые при снятии облучения исчезают вследствие рекомбинации. Основной принцип повышения фоточувствительности материала заключается в увеличении времени жизни неравновесных носителей заряда. Для этого в материал вводятся примеси, создающие в запрещенной зоне уровни, называемые ловушками захвата. В отличие от рекомбинационных уровней, на них могут захватываться носители заряда только одного знака, а вероятность захвата носителей другого знака крайне мала. Вследствие этого время жизни носителей другого знака значительно увеличивается и, соответственно, возрастает их концентрация, что обуславливает высокую фотопроводимость (фоточувствительность. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения называется световой характеристикой. При увеличении уровня облучения полупроводника возрастает интенсивность оптических переходов и, следовательно, растет фотопроводимость. В области слабых световых потоков характеристика обычно имеет линейный характер. Однако с повышением интенсивности света линейность нарушается, что объясняется усилением роли процесса рекомбинации вследствие того, что часть ловушек захвата начнет превращаться в рекомбинационные центры. Это служит причиной замедления роста фотопроводимости. 3.2. Описание установки В настоящей работе на установке, схема которой представлена на рис. 3.1, исследуются фотоэлектрические свойства полупроводниковых материалов, которые широко используются для производства промышленных фоторезисторов сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe), обладающих высокой чувствительностью к излучению видимого диапазона спектра. Основной частью установки для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников является монохроматор (см. рис. 3.1). Световой поток от лампы E, питаемой от источника G, через входную щель монохроматора, ширина которой регулируется микрометрическим винтом, поступает на диспергирующее устройство . 27 F 1 G E R PR Ω Рис. 3.1. Схема для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников На выходе монохроматора (щель F 2 ) установлены исследуемые образцы R полупроводниковых материалов. Изменение проводимости фиксируется с помощью цифрового омметра PR. 3.3. Проведение испытаний 3.3.1. Исследование спектральной зависимости фотопроводимости Включить цифровой омметр PR и дать ему прогреться в течение 5 мин. Открыть полностью щель 1 F , для чего микрометрическим винтом на входе монохроматора установить ширину щели, равную 4 мм. Перед измерениями спектральных характеристик измерить темновое сопротивление обоих образцов. Включить лампу E. Установить барабан монохроматора наделение (около 600), начиная с которого наблюдается снижение сопротивления исследуемого образца. Изменяя положение диспергирующего устройства П поворотом барабана от 600 до 3500 делений, измерять установившееся значение сопротивления первого полупроводника CdS на свету с через каждые 100 делений барабана. Результаты записать в табл. 3.1. Отметить в таблице положение барабана, соответствующее минимальному сопротивлению полупроводника. Таблица 3.1 Деление барабана λ, мкм Э, у. е. с, МОм с, мкСм ф, мкСм фу. е. ф / ф max , о. е. 28 Таблица 3.2 Деление барабана λ, мкм Э, у. е. Деление барабана λ, мкм Э, у. е. 600 0,476 0,141 2100 0,528 0,295 700 0,477 0,143 2200 0,536 0,323 800 0,478 0,145 2300 0,545 0,353 900 0,479 0,147 2400 0,555 0,385 1000 0,480 0,150 2500 0,566 0,420 1100 0,481 0,153 2600 0,579 0,460 1200 0,482 0,157 2700 0,594 0,505 1300 0,484 0,163 2800 0,611 0,560 1400 0,487 0,172 2900 0,629 0,630 1500 0,490 0,182 3000 0,649 0,710 1600 0,494 0,195 3100 0,672 0,830 1700 0,499 0,210 3200 0,697 0,990 1800 0,505 0,228 3300 0,725 1,170 1900 0,512 0,248 3400 0,758 1,370 2000 0,520 0,270 3500 0,800 1,600 По градуировочной табл. 3.2. определить длины волн падающего света λ и значения энергии излучения Э, соответствующие делениям барабана монохроматора. Повторить измерение на втором образце (CdSe). 3.3.2. Исследование зависимости фотопроводимости от интенсивности облучения Установить барабан монохроматора в положение, соответствующее минимальному значению сопротивления полупроводника. Микрометрический винт, регулирующий ширину щели монохроматора, поставить на нуль. Изменяя положение микрометрического винта от нуля до 4 мм, измерять установившиеся значения сопротивлений с, при следующих значениях ширины щели d: 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 мм. Результаты записать в табл. 3.3. Таблица 3.3 d, мм с, МОм с, мкСм ф, мкСм d/d max , о. е. Исследования пои провести для образцов 1 и 2. По окончании работы выключить лампу и измерительную установку. 29 3.4. Обработка результатов 1. Поданным вычислить проводимость полупроводника на свету для всех длин волн с = с. Результаты записать в табл. 3.1. 2. По (3.1), вычислить фотопроводимость ф, используя значения темновых сопротивлений, полученных в 3.3.1. Результаты записать в табл. 3.1. 3. Вычислить приведенную фотопроводимость (изменение проводимости полупроводника под действием единицы энергии падающего излучения) ф ф Э Результаты записать в табл. 3.1. 4. Поданным табл. 3.1 построить спектральную зависимость фотопроводимости, откладывая по оси абсцисс значения λ, а по оси ординат относительную фотопроводимость ф ф max , где ф max – максимальное значение приведенной фотопроводимости для исследованного образца. 5. По спектральной зависимости определить красную границу пор фоторезистивного эффекта. Так как экспериментальная характеристика имеет размытую длинноволновую область, принять пор равной λ 1/2 , при которой фотопроводимость равна половине ее значения при По полученному значению пор вычислить энергию активации фотопроводимости по (3.2). 6. Поданным вычислить проводимость и фотопроводимость полупроводника для каждого значения ширины щели. Результаты записать в табл. 3.3. 7. Поданным табл. 3.3 построить световую характеристику, откладывая по оси абсцисс lg (d/d max ), где d max – максимальная ширина щели, а по оси ординат lg γ ф Обработка результатов проводится последовательно для образцов сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe). Сравнительные спектральные зависимости и световые характеристики рекомендуется строить на одних графиках. 3.5. Контрольные вопросы 1. Каковы физические основы изменения проводимости полупроводников под действием света 30 2. Каков принцип увеличения фоточувствительности полупроводникового материала к воздействующему облучению. 3. Как объяснить ход спектральной характеристики полупроводников под действием света 4. Как объяснить ход световой характеристики полупроводника 5. Чем объяснить различие λ 1/2 для двух различных полупроводников 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА ХОЛЛА Цель работы определение с помощью эффекта холла концентрации и подвижности носителей заряда в полупроводниках. 4.1. Основные понятия и определения Физические явления, возникающие в полупроводнике при одновременном воздействии на него электрического и магнитного полей, называют гальваномагнитными эффектами. Среди гальваномагнитных эффектов одним из важнейших является эффект Холла. Сущность его заключается в возникновении поперечной разности потенциалов в пластине полупроводника, по которой проходит электрический ток, при помещении ее в магнитное полена- правление которого перпендикулярно направлению тока. Возникающая на боковых гранях пластины разность потенциалов, называемая ЭДС Холла Н, перпендикулярна и направлению тока, и напряженности магнитного поля. Появление ЭДС Холла обусловлено тем, что на носители заряда, движущиеся со средней скоростью v направленного движения (скоростью дрейфа, в магнитном поле с индукцией В действует сила Лоренца, отклоняющая их к одной из боковых граней пластины F L = e[v,B]. Следует отметить, что скорость v – скорость направленного движения носителей заряда (скорость дрейфа, обусловленная действием на носители заряда силы электрического поля F E = ±eE, где Е – напряженность электрического поля. Так как заряды электронов и дырок имеют противоположные знаки, дрейфуют эти носители в противоположных направлениях. Сила Лоренца, 31 действующая на дрейфующие электроны и дырки, отклоняет их в одну и туже сторону F L = ±e[±v,B]. (4.1) Направление действия силы Лоренца определяется по известному правилу левой руки, если относить его к техническому направлению тока. Отсюда следует, что направление силы Лоренца не зависит от знака носителей заряда, а определяется лишь направлениями электрического и магнитного полей. Поэтому полярность ЭДС Холла в полупроводнике типа оказывается противоположной полярности, получаемой в материале р-типа, что и используется для определения типа электропроводности полупроводников (рис. 4.1). В условиях термодинамического равновесия полупроводник нейтрален. Это состояние описывается уравнением электронейтральности ад 0 = 0, где n 0 , p 0 – концентрации подвижных электронов и дырок соответственно д – концентрация ионизированных доноров а концентрация ионизированных акцепторов. Рис. 4.1. Схема измерения ЭДС Холла и определения типа электропроводности полупроводника При воздействии только электрического поля подвижные электроны и дырки направленно дрейфуют, а ионы остаются в местах своего расположения в кристаллической решетке полупроводника, их направленная скорость равна нулю. Очевидно, что дрейф подвижных носителей заряда не нарушает условие электронейтральности в любой точке полупроводника ∑Q = 0. Подчеркнем, что сила Лоренца (4.1) действует лишь на направленно 32 движущиеся носители заряда, смещая их в направлении, перпендикулярном направлениям напряженностей приложенных электрического (Е) и магнитного (В) полей. Неподвижные ионизированные атомы (примесные или собственные) остаются на своих местах, те. сила Лоренца обуславливает пространственное перераспределение носителей зарядов в полупроводнике рис. 4.1). Такое перераспределение приводит к возникновению поперечного электрического поля (холловского поля. Под действием этого поля возникает направленное движение подвижных носителей заряда со скоростью др v и плотностью др др env J в направлении, противоположном движению носителей заряда под действием силы Лоренца с плотностью В стационарных условиях устанавливается динамическое равновесие B E, J J др Очевидно, чем больше подвижных носителей заряда в полупроводнике, тем больше др J , тем меньше эффект Холла, характеризующийся величиной ЭДС Холла (Н H H IB U R , (4.2) где I – сила тока, текущего через образец В – величина индукции магнитного поля δ – толщина образца R H – параметр, называемый постоянной Холла – константа полупроводника, характеризующая реакцию коллектива подвижных носителей заряда на одновременное воздействие электрического и магнитного полей, приложенных во взаимно перпендикулярных направлениях. В полупроводнике типа 1 |