электропроводность полупроводниковых материалов»

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова

Кафедра ФТЭМК — физики и технологии электротехнических материалов и компонентов

Лабораторная работа

«электропроводность полупроводниковых материалов»

группа: ЭР-02-19

студент: Глушко Алиса

Бригада 1

проверил:________________

Москва 2020

Цель работы: изучение стандартных методов определения удельной электрической

проводимости полупроводниковых материалов при различных температурах, вычисление

энергии активации носителей заряда.

Задание:

первый эксперимент

температура	эталон	образец	удельная проводимость	запрещенная зона
	5.30790	6.9209	0.2739	ширина запрещенности - это тангенс угла наклона прямой области собственной проводимости, поэтому берем значения, при которых проявляется собственная проводимость: 21.3810^-23(ln(0.5588)-ln(0.2239))/(1/413-1/493)=6.4210^-20
	5.21136	7.8863	0.2360
	5.15024	8.4975	0.2165
	5.11945	8.8054	0.2076
	5.09103	9.0896	0.2000
	5.09103	9.0896	0.2000
	5.17452	8.2547	0.2239
	5.28571	7.1428	0.2643
	5.42094	5.7905	0.3343
	5.52187	4.7812	0.4125
	5.63955	3.6044	0.5588

второй эксперимент

температура	эталон	образец	удельная проводимость	запрещенная зона
	1.6580	5.83419	1.0150	21.3810^-23(ln(3.4806)-ln(0.4894))/(1/433-1/513)=1.9310^-20
	1.2924	5.87075	0.7860
	1.0638	5.89361	0.6445
	9.6999	5.90300	0.5868
	9.2639	5.90736	0.5600
	8.4102	5.91589	0.5077
	8.1114	5.91888	0.4894
	9.9736	5.90026	0.6037
	1.3598	5.86401	0.8281
	1.7617	5.82382	1.0803
	3.3551	5.66448	2.1154
	5.3281	5.46718	3.4806

удельное сопротивление:

где R=R_эт*U_{образец}/U_эталон

удельная проводимость:

ширина запрещенной зоны:

графики зависимости удельной проводимости от температуры:

1 эксперимент

2 эксперимент

Вывод:

Полученные зависимости очень похожи на теоретические. Отличаются лишь тем, что на экспериментальном графике мы не видим самую правую часть (медленное увеличение проводимости). Для сравнения вот теоретический график:

Полученные графики похожи друг на друга, так как похожи эксперименты: это оба полупроводники n-типа, которые отличаются лишь шириной запрещенной зоны (поэтому отличается угол наклона левой части графика, там где собственная проводимость).

На полученных в результате графиках мы наблюдаем участок, где число примесных носителей заряда достигает насыщения — все атомы примеси ионизированы отдали или приняли электроны в зависимости от того какая примесь – донорная или акцепторная (справа при низких температурах), то есть идет уменьшение удельной проводимости. При более высоких температурах (слева на графике) мы видим, что идет резкое увеличение удельной проводимости, так как проявляется собственная проводимость полупроводника.

Также можно заметить, что чем меньше ширина запрещенной зоны, тем сильнее выражается зависимость удельной проводимости от температуры (в области высоких температур).

Контрольные вопросы

1. Зонная модель полупроводников. Ширина запрещенной зоны. Примесные уровни для полупроводников n и p типа. Что представляют собой полупроводники n и p типа

2. Почему в работе используется четырехзондовый метод измерения сопротивления полупроводников?

Зонная структура полупроводников образуется тремя зонами. Первая - это зона проводимости, где электроны участвуют в проводимости электрического тока. Вторая - это валентная зона. Эта зона объединяет в себе все валентные оболочки атомов. Разделяет их запрещенная зона, та, на которой не может находиться ни один электрон.

Ширина запрещенной зоны влиает на проводящие свойства материала. У металлов ее нет как таковой, у диэлектриков она слишком широкая (требуется слишком много энергии, чтобы перевести электрон в зону проводимости). А полупроводники занимают промежуточное место.

Примесный полупроводник- это полупроводник, электрические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов.

Примеси - легирующие вещества.

Различают два основных вида примесей, которые используются для преднамеренного легирования полупроводников и создающих преимущественно электронный или дырочный тип проводимости.

Донорные примеси - примеси, введение которых создаёт электронный тип проводимости (n-тип).

Акцепторные примеси - примеси, создающие дырочную проводимость (p-тип).

Полупроводники n-типа(электронные)

Электронная проводимость появляется в результате легирования полупроводника элементами, имеющими большую валентность, чем валентность атомов, из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge, являющихся элементами IV группы таблицы Менделеева, в качестве донорных применяют элементы из V группы, как правило это P, As, Sb. Замещая узлы кристаллической решётки полупроводника, атомы донорной примеси отдают часть своих валентных электронов для создания связей с атомами основного вещества и участвуют в создании дополнительных энергетических уровней в запрещённой зоне полупроводника. При образовании связи с атомом кремния один из пяти валентных электронов атома примеси оказывается "лишним" и переходит на стационарную орбиту вокруг атома примеси. У этого электрона существует слабая электрическая связь с примесным атомом за счёт кулоновского взаимодействия. Энергия кулоновской связи в данном случае составляет 0,03...0,05 эВ, поэтому для перехода такого электрона в свободное состояние достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счёт тепловых колебаний кристаллической решётки. В результате, атом донорной примеси становится положительно заряженным ионом.

Полупроводники p-типа(дырочные)

Дырочная проводимость появляется за счёт легирования полупроводника акцепторной примесью. Валентность акцепторных элементов должна быть меньше, чем валентность атомов, из которых состоит полупроводник. Например, для Si и Ge (IV) применяют элементы III группы, как правило это B, Al, Ga, In. Замещая узлы кристаллической решётки полупроводника, атомы акцепторной примеси захватывают электрон от соседнего атома кремния для создания ковалентных связей с атомами основного вещества, превращаясь при этом в отрицательно заряженные ионы и участвуя в создании дополнительных энергетических уровней в запрещённой зоне полупроводника. У дырки существует слабая электростатическая связь с атомом кремния. Энергия этой кулоновской связи составляет 0,01...0,07 эВ. Поэтому для захвата дыркой электрона из ковалентной связи соседнего атома достаточно небольшой энергии, которую электрон может получить за счёт тепловых колебаний кристаллической решётки. В результате обмена электронами между соседними атомами, дырка может перемещаться по кристаллу полупроводника, осуществляя при приложении внешнего электрического поля дырочную проводимость.

Двухзондовый метод применяют для измерения удельного сопротивления образцов, имеющих правильную геометрическую форму и постоянное поперечное сечение. При этом на торцевых гранях образца, например в виде прямоугольной пластины, изготавливают омические контакты. Через эти контакты вдоль обраца пропускают электрический ток. На одной из поверхностей образца вдоль линий тока устанавливают два контакта в виде металлических иголок – зондов, имеющих малую площадь соприкосновения с поверхностью и позволяющих измерить разность потенциалов. Если образец однороден, то его удельное сопротивление (Ом∙см)

Четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления полупроводников более распространенный. Кроме высоких метрологических показателей преимущество четырехзондового метода состоит в том, что для его применения не требуется создания омических контактов к образцу, возможно измерение удельного сопротивления объемных образцов самой разнообразной формы и размеров, а также удельного сопротивления слоев полупроводниковых структур. Условием для его применения с точки зрения формы образца является наличие плоской поверхности, линейные размеры которой превосходят линейные размеры системы зондов.