Лаб 1. Лабораторная работа 1 Цель работы Изучение физических явлений и процессов лежащих в основе работы и приборов. Теоретическая часть
 Скачать 76.32 Kb.
|
|
Лабораторная работа №1 Цель работы: Изучение физических явлений и процессов лежащих в основе работы и приборов. Теоретическая часть: Все природные вещества по своим электрофизическим свойствам можно разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. Типичными металлами являются представители 7 группы и благородные газы 8 группы Типичными полупроводниками являются элементами: 4-группы- углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), серое олово (а-Sn). Самые тяжелые элементы 6 группы- селен и теллур. 3-группы- бор(самый легкий) Типичными полуметаллами являются самый тяжелый элемент V группы – висьмут (Bi) и более легкие элементы этой группы – мышьяк (As) и сурьма (Sb), а также p,Se, a-S, Te, I. Типичными полупроводниковыми соединениями являются соединения А3В5 - арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид галлия GaP и др., и соединения А2В6 –сульфид цинка ZnS (цинковая обманка), сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe. Эти соединения кристаллизуются в структуру цинковой обманки, которую можно получить из алмазноподобной решетки путем поочередной замены атомов углерода атомами цинка и серы, мышьяка и галлия, индия и сурьмы, кадмия и серы. Эти соединения имеют стехиометрический состав, также как и карбид кремния SiC. Могут быть получены твердые растворы Ge и Si в результате их смешения в виде полупроводниковых смешанных кристаллов произвольного состава. Полупроводниками являются многие окислы MeO и сульфиды металлов, МеS, часто нестехеометрического состава, Cu2O, Fe2O3, ZnO, PbS, PbTe. Следует различать между собой полупроводники и полуметаллы. Итак, полупроводники характеризуются следующими свойствами: 1. В чистом полупроводнике проводимость экспоненциально растет с температурой (принцип действия термистора). 2. Проводимость полупроводника в отличие от металлов, сильно зависит от концентрации примеси. Так в чистом Si носителей заряда 1010-1012, то при легировании примесей в количестве всего 1% проводимость возрастет в 108 раз. 3. Примесная проводимость легированных полупроводников слабо применяется с температурой, так же, как и в металлах. 4. В полупроводниках имеет место внутренний фотоэффект, когда проводимость полупроводников возрастает при освещении светом, также возрастает проводимость полупроводников при облучении электронами или инжекции носителей тока из подходящего металлического контакта. 5. В зависимости от характера легирования заряд может переноситься электронами, либо положительно заряженными “дырками”, электронная или дырочная проводимость, соответственно. 6. Полупроводники обладают выпрямляющими свойствами, при прохождении тока через цепь, состоящию из двух полупроводников, сила тока нелинейно зависит от приложенной разности потенциалов. Полупроводниковые свойства характерны не только для твердых тел. Существуют и жидкие полупроводники. Как известно существует два типа проводников электрического тока: электронные и ионные. Металлы – электронные проводники. У ионных проводников ток переносится ионами вещества, вследствие чего состав ионного проводника меняется, электролиты. Так же, как и у электролитов, вследствие процессов атомной диффузии области с различными степенями легирования в таких полупроводниках быстро перемешиваются, поэтому создание устойчивых устройств с неоднородным составом невозможно. Также существуют стеклообразные и аморфные полупроводники. Некоторые ароматические углеводороды, фталоцианины, нафталин, нафтацен, антрацен, полипиррол, полиацетилен, полиимид и другие являются полупроводниками, т.е. обладают полупроводниковыми свойствами. В таких органических полупроводниках рост проводимости с температурой ограничен из-за разрушения вещества при высоких температурах. Эти особенности электрофизических свойств полупроводников обусловили их широкое применение для создания самых различных приборов – для выпрямления тока (диоды), усиления и генерации колебаний (транзисторы), преобразования тепловой энергии (термоэлементы) и световой энергии в электрическую (фотоэлементы), для преобразования электрической энергии в световую (светодиоды, лазеры), полупроводниковые датчики температуры (термисторы), света (фоторезисторы), ядерного излучения (дозиметры), давления (тензодатчики), магнитного поля (датчики Холла). В основе работы каждого прибора лежат определенные физические явления и процессы. Физика полупроводников - это теоретическая основа полупроводниковой электроники. Разработка новых полупроводниковых материалов, создание на их основе новых приборов, разработка новых устройств и новых высококачественных технологий производства полупроводниковых приборов и ИМС, все это возможно при условии серьезных знаний в области физики полупроводников. Удельное электрическое сопротивление металлов находится в пределах 10-6- 10-4 Ом*см, полупроводников – 10-4-1010Ом*см и диэлектриков 1010-1016 Ом*см. В зависимости от конкретных свойств материала значения удельного сопротивления перекрываются и не могут служить в качестве определения класса вещества. Сильнолегированные полупроводники имеют высокую электропроводность и ведут себя как металлы, а особо чистые полупроводники имеют низкую электрическую проводимость, как у диэлектриков. Другим определением класса вещества может служить температурная зависимость удельного сопротивления (электропроводности) материала. У металлов удельное сопротивление увеличивается с ростом температуры. Для металлов характерным является наличие отрицательного коэффициента электропроводности. С увеличением температуры электропроводность металлов падает. У полупроводников, наоборот. удельное сопротивление уменьшается с ростом температур и для них характерно наличие положительного температурного коэффициента электропроводности. По мере приближения к абсолютному нулю полупроводники становятся непроводящими диэлектриками. Однако выбор знака температурного коэффициента удельной проводимости в качестве определяющего критерия класс материала осложнен тем, что не во всей температурной области он соблюдается. В некотором интервале температур полупроводники могут вести себя как металлы. Более точное определение класса материала можно установить лишь на основе изучения электрических и оптических свойств вещества в зависимости от их чистоты и температуры, на основе зонной теории твердого тела. Не вдаваясь в подробности, они будут выявлены ниже, в качестве определения класса вещества будет наличие или отсутствие энергетической щели или энергетической запрещеннной зоны. Полупроводники и диэлектрики имеют запрещенную зону, металлы не имеют. Разделение полупроводников и диэлектриков чисто условное, определяющим здесь является величина ширины запрещенной зоны и отношение ширины запрещенной зоны к температуре. У диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников.  Группа IV собственные полупроводники составной полупроводник Группа III-V 2-компонентные полупроводники 3-компонентные полупроводники 4-компонентные полупроводники 5-компонентные полупроводники Группа II-VI2-компонентные полупроводники 3-компонентные полупроводники Группа I-VII 2-компонентные полупроводники Группа IV-VI2-компонентные полупроводники 3-компонентные полупроводники Группа V-VI 2-компонентные полупроводники Группа II—V 2-компонентные полупроводники Другие Разные оксиды Органические полупроводники Магнитные полупроводники Контрольные вопросы: B, C, Si, P, Ge, As, Sn, Sb, Te, Y, Se Элементарные полупроводники IV группы (C, Si, Ge, Sn) Составные полупроводники группы IV Элементарные полупроводники VI группы (S, Se, Te) Полупроводники III - V : кристаллизуются с высокой степенью стехиометрии, большинство из них может быть получено как n-типа, так и p-типа . Многие из них имеют высокую подвижность носителей и прямые энергетические промежутки, что делает их полезными для оптоэлектроники. (См. Также: Шаблон: соединения III-V .) II - VI полупроводники: обычно p-типа, за исключением ZnTe и ZnO n-типа. I - VII полупроводники IV - VI полупроводники V - VI полупроводники II - V полупроводники I-III-VI 2 полупроводники Оксиды Слоистые полупроводники Магнитные полупроводники Органические полупроводники Зарядно-передающие комплексы Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок» Основными характеристиками проводников электричества являются: сопротивление, электропроводность. При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления. Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества. Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах Физика полупроводников — раздел физики твёрдого тела, посвященный изучению особенностей физических свойств полупроводников и происходящих в них физических явлений. Предметом изучения являются структурные, электрофизические, оптические свойства полупроводников, многие из которых используются при создании полупроводниковых приборов Основные классы сложных веществ — это оксиды, гидроксиды, соли. Оксиды — это сложные вещества, которые состоят из атомов двух элементов, один из которых кислород, имеющий степень окисления -2. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π2 / 3 (k/e)2T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд. Запрещённая зо́на — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Данный термин используется в физике твёрдого тела. Ширину запрещённой зоны обозначают {\displaystyle E_{g}}  (от англ.: g = gap — «промежуток», «зазор») и обычно численно выражают в электрон-вольтах.Величина параметра {\displaystyle E_{g}} различна для разных материалов, она во многом определяет их электрические и оптические свойства. По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества разделяют на проводники — тела, где запрещённая зона отсутствует, то есть электроны могут иметь произвольную энергию, полупроводники — в этих веществах величина {\displaystyle E_{g}} составляет от долей эВ до 3—4 эВ и диэлектрики — с шириной запрещённой зоны более 4—5 эВ |