Лаб 2 Мэт. ЛР 2. Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов

• Название: Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов
• Анкор: Лаб 2 Мэт
• Дата: 16.01.2022
• Размер: 78.27 Kb.
• Имя файла: ЛР 2.docx
• Тип: Исследование; #332732

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Материалы электронной техники»

ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Студент группы 0282		Зверев А.А.
Преподаватель		Марасина Л.А.

Санкт-Петербург

2021

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цели работы

Сравнение температурных зависимостей сопротивления

полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; определение ширины запрещенной зоны и энергии 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.

В собственных полупроводниках все валентные электроны атомов участвуют в образовании ковалентной (или ионно-ковалентной) насыщенной химической связи. 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 К, часть носителей заряда за счет тепловых флуктуаций способна разорвать химическую связь, что приводит к образованию равного количества электронов n_i в зоне проводимости и дырок p_i в валентной зоне. Процесс термогенерации носителей заряда носит вероятностный характер, и в случае генерации собственных носителей заряда их концентрации определяются соотношением



Графически температурная зависимость собственной концентрации носителей заряда обычно представляется в виде , в этом случае она близка к линейной (рис. 2.1), а тангенс угла наклона прямой пропорционален ширине запрещенной зоны полупроводника:



Обработка результатов измерений

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

Расчет проводим по формуле:



где R – сопротивление образца, S – площадь его поперечного сечения, l – длина проводника.

Вычислить соответствующие удельные проводимости образцов по формуле:

	Si	Ge	SiC	InSb
25	0,00643	0,00217	0,93528	0,00016
36	0,00725	0,00231	0,62112	0,00014
45,5	0,00800	0,00248	0,53076	0,00013
65	0,00913	0,00257	0,38220	0,00011
85	0,01041	0,00237	0,27072	0,00009
95	0,01120	0,00211	0,22332	0,00008
105	0,01197	0,00182	0,18624	0,00007
145,5	0,01663	0,00090	0,07692	0,00005
25	155,47	461,25	1,07	6097,56
36	137,91	433,40	1,61	7140,31
45,5	125,00	403,23	1,88	7713,07
65	109,57	389,61	2,62	9310,99
85	96,09	421,35	3,69	11092,62
95	89,29	473,19	4,48	12399,26
105	83,52	549,45	5,37	13614,70
145,5	60,12	1111,11	13,00	20000,00

2. 
   Построить температурные зависимости удельной электрической проводимости полупроводников.
   

Исследуемый материал	Т, К	Т^-1, К^-1	R, Ом	ρ, Ом * м	γ, См/м	ln γ
Si	298	0,0034	965	0,00643	155,47	5,05
	309	0,0032	1088	0,00725	137,91	4,93
	318,5	0,0031	1200	0,00800	125,00	4,83
	338	0,0030	1369	0,00913	109,57	4,70
	358	0,0028	1561	0,01041	96,09	4,57
	368	0,0027	1680	0,01120	89,29	4,49
	378	0,0026	1796	0,01197	83,52	4,43
	418,5	0,0024	2495	0,01663	60,12	4,10
Ge	298	0,0034	325,2	0,00217	461,25	6,13
	309	0,0032	346,1	0,00231	433,40	6,07
	318,5	0,0031	372	0,00248	403,23	6,00
	338	0,0030	385	0,00257	389,61	5,97
	358	0,0028	356	0,00237	421,35	6,04
	368	0,0027	317	0,00211	473,19	6,16
	378	0,0026	273	0,00182	549,45	6,31
	418,5	0,0024	135	0,00090	1111,11	7,01
SiC	298	0,0034	7794	0,93528	1,07	0,07
	309	0,0032	5176	0,62112	1,61	0,48
	318,5	0,0031	4423	0,53076	1,88	0,63
	338	0,0030	3185	0,38220	2,62	0,96
	358	0,0028	2256	0,27072	3,69	1,31
	368	0,0027	1861	0,22332	4,48	1,50
	378	0,0026	1552	0,18624	5,37	1,68
	418,5	0,0024	641	0,07692	13,00	2,56
InSb	298	0,0034	32,8	0,00016	6097,56	8,72
	309	0,0032	28,01	0,00014	7140,31	8,87
	318,5	0,0031	25,93	0,00013	7713,07	8,95
	338	0,0030	21,48	0,00011	9310,99	9,14
	358	0,0028	18,03	0,00009	11092,62	9,31
	368	0,0027	16,13	0,00008	12399,26	9,43
	378	0,0026	14,69	0,00007	13614,70	9,52
	418,5	0,0024	10	0,00005	20000,00	9,90

3. 
   Рассчитать концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при Т = 300 К по формуле.
   

Материал
Si	6,67E-35	3,99E-10
Ge	2,28E-31	2,89E-06
SiC	7,67E-50	4,60E-25
InSb	1,49E-28	3,09E-02

4. 
   Оценить значения собственной электропроводности в этих полупроводниках при 300 К по формуле.
   

Материал	γi
Si	1,15E-29
Ge	2,68E-25
SiC	3,39E-45
InSb	3,89E-20

5. 
   Сравним полученные в результате расчётов значения γ_i со своими экспериментальными данными γ, и решим какие же носители определяют электрическую проводимость исследуемых образцов в интервале температур от 300 К до Т_max.
   

k * T_max(эВ) = 0,0362

Si	0,05	не все примеси ионизированы
Ge	0,01	все примеси ионизированы
SiC	0,04	вне все примеси ионизированы
InSb	0,005	все примеси ионизированы

Для Si, и SiC ∆Э найдем по формуле:





Для InSb и Ge ∆Э найдем по формуле:

Материал	Э, эВ
Si	0,34
Ge	0,84
SiC	0,38
InSb	0,038

6. 
   Рассчитаем значение по формуле.
   

Материал
Si	5,40Е+21
Ge	1,64Е+21
SiC	1,44Е+20
InSb	4,33Е+21

Вывод

У Ge наблюдается яркий переход от области истощения примесей к области собственной электропроводности.

Si находится у порога собственной электропроводности, что соответствует достаточно высокому содержанию примесей.

SiC находится в области ионизации примесей на всем температурном диапазоне, что соответствует достаточно высокой энергии ионизации примесей и большой ширине запрещенной зоны.

Все четыре образца являются примесными полупроводниками.