Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400




Скачать 253.2 Kb.
НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400
страница1/3
Дата публикации01.02.2014
Размер253.2 Kb.
ТипМетодические указания
zadocs.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам «Материаловедение.ТКМ» и «Материаловедение»

для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения

специальностей ЭТУС-180500 и ЭПП - 100400.
Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским

советом Саратовского

государственного

технического университета

Саратов - 2006
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составитель: доц. Калганова Светлана Геннадьевна

доц. Колесников Евгений Владимирович

Рецензент проф. Архангельский Ю.С.
410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

Тел. 52-63-81, 52-56-01

htpp : // lib.sstu.ru

Регистрационный номер……
© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Цель работы: освоить методику измерения температурной зависимости электропроводности полупроводников и определения по ней их энергетических параметров.
^ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1. Собственные и примесные полупроводники
Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе и специально введенной (легирующей).

Концентрация легирующей примеси обычно незначительна, пример у Gе она составляет один атом на 1010—1012 атомов полупроводника. В этой связи все полупроводники можно разбить на две группы: собственные и примесные.

^ Собственные полупроводники не содержат легирующих добавок; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний, германий, селен, теллур и др. и многие полупроводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и др.

^ Примесные полупроводники всегда содержат донорную или акцепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких температурах (чем в собственных полупроводниках), которые, отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора.

^ В собственных полупроводниках при достаточности тепловой энергии решетки или в результате внешнего энергетического воздействия электроны перейдут из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и станут сво6одными. Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны (ЗЗ) - ΔW полупроводника. При комнатной температуре эта энергия может возникать вследствие флуктуации тепловых колебаний решетки (средней тепловой энергии решетки для такого перехода недостаточно). С уходом электрона в ЗП в валентной зоне остается свободным энергетический уровень, называемый дыркой, а сама ВЗ становится не полностью заполненной (рис.1, а). Электрон имеет отрицательный заряд, дырку принято считать положительно заряженной частицей, численно равной заряду электрона.

^ Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда электрон в ЗП и дырка в ВЗ, которые и создают собственную электропроводность полупроводника.





Рис.1. Энергетические диаграммы полупроводников: а - полупроводник без легирующей примеси; б – полупроводник (р-типа) с акцепторной примесью; в – полупроводник (n-типа) с донорной примесью; ΔWа – энергия активации (образования) дырок В ВЗ полупроводника за счет перехода электронов на уровни акцепторной примеси; ΔWд – энергия активации электронов – энергия, необходимая для перехода электронов с уровней донорной примеси в ЗП полупроводника
В отсутствие внешнего электрического поля электрон и дырка совершают тепловые хаотические движения в предках кристалла, а под действием поля осуществляют дополнительно направленное движение — дрейф, обусловливая тем самым электрический ток. Если концентрации свободных электронов и дырок равны между собой, то подвижность у них различна. В результате более низкой эффективной массы, из-за различной инерционности при движении в поле кристаллической решетки свободные электроны более подвижны, чем дырки. Поэтому собственная электропроводность полупроводников имеет слабо преобладающий электронный характер.

^ В примесных полупроводниках атомы примеси либо поставляют электроны в ЗП полупроводника, либо принимают их с уровней ВЗ. Эти переходы электронов осуществляются при существенно меньших затратах энергии, которые требуются электронам для преодоления потенциального барьера в виде 33 полупроводника. Поэтому эти виды переходов в примесных полупроводниках являются основными, доминирующими над переходом электронов из ВЗ в ЗП.

Атомы примеси, размещаясь в запрещенной зоне полупроводника, создают в пределах этой зоны дискретные энергетические уровни либо у нижнего ее края вблизи к ВЗ, либо — у верхнего, вблизи к ЗП (см. рис.1, б, в). Вследствие своей малой концентрации атомы примеси располагаются в решетке полупроводника на очень больших расстояниях друг от друга и, следовательно, не взаимодействуют между собой. Поэтому энергетические уровни их почти такие же, как у отдельных свободных атомов.

Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводности полупроводникового материала различают акцепторную, донорную, амфотерную, а по месту внедрения ее атомов в кристаллическую решетку полупроводника — на примесь замещения и внедрения.

^ Акцепторная примесь. Если энергетические уровни атомов примеси находятся в 33 вблизи ВЗ, то при тепловом или световом воздействии на материал энергией, равной или большей ΔWа (см. рис.1, б), но меньшей, чем ΔW, электроны из ВЗ полупроводника будут забрасываться на свободные уровни примеси, в результате чего в ВЗ образуются дырки. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Поэтому концентрация дырок в ВЗ станет во много раз больше, чем концентрация электронов в ЗП. Электропроводность в данном случае будет дырочная, полупроводник р-типа (позитив — положительный), а примесь — акцепторная (акцептор — принимающий). Дырочная проводимость понятие условное. Здесь, как обычно в твердом теле, ток обусловлен направленным движением электронов, заполняющих «дырки», которые «эстафетно» движутся по направлению электрического поля. В полупроводнике с электропроводностью р-типа дырки называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

^ Донорная примесь. Если уровни примеси располагаются в 33 у края ЗП полупроводника, то электроны с этих уровней будут переходить в ЗП при энергии, равной или большей ΔWд (см. рис.1, в), но меньшей, чем ширина ΔW 33 собственного полупроводника. Дырки, возникшие на энергетических уровнях примесных атомов, отдаленных друг от друга на значительные расстояния, остаются локализованными и не могут участвовать в электропроводности. Поэтому концентрация электронов в ЗП наблюдается во много раз больше, чем концентрация дырок в ВЗ полупроводника. В этом случае электропроводность будет электронная, полупроводник n-типа (негатив — отрицательный), а примесь — донорная (донор — дающий). В полупроводнике с электропроводностью n- типа электроны считаются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

Таким образом, ΔWа представляет собой энергию активации (энергию образования) дырок в ВЗ полупроводника в результате теплового возбуждения (перехода) электронов из ВЗ на уровне акцепторной примеси; ΔWд — это энергия активации электронов, представляющих собой энергию, необходимую для ионизации атомов примеси, т.е. для теплового заброса электронов с уровней донорной примеси в ЗП полупроводника.

В реальных полупроводниках существуют одновременно акцепторная и донорная примеси. Поэтому тип электропроводности определяется той примесью, концентрация которой будет больше.


    1. ^ Основные положения теории электропроводности

полупроводников
Если к полупроводнику приложить электрическое поле напряженностью , то в нём возникнет электрический ток, плотность которого пропорциональна напряжённости электрического поля:

(1)

где - удельная электропроводность материала.

П

лотность тока может быть выражена через количество носителей тока, прошедших за 1 секунду через сечение кристалла площадью 1м2 перпендикулярное направлению вектора поля. Если скорость направленного движения носителей тока , то

(2)

где е – заряд электрона, n – концентрация носителей заряда.

Сравнивая (1) и (2), можно записать:

(3)

где (n)= u представляет собой подвижность носителей заряда, которая является одним из основных параметров полупроводника.

Таким образом, учитывая изложенное, можно записать:

n u (4)

т.е. определение электропроводности сводится к определению концентрации носителей заряда и их подвижности в твёрдом теле.

В полупроводнике перенос электрического тока осуществляют два типа носителе – электроны и дырки. Если n – концентрация электронов, р – концентрация дырок, a Un и Up – подвижности электрона и дырки, то соотношение (4) должно быть записано в виде:

=е(n Un + рUp) (5)
Необходимо иметь в виду, что концентрация свободных носителей заряда и их подвижность сложным образом зависят от температуры полупроводника.


    1. ^ Температурная зависимость концентрации свободных

носителей заряда в полупроводниках
Рассмотрим собственный полупроводник.

При повышении температуры в собственном полупроводнике, концентрации обоих типов носителей тока n и р увеличивается синхронно.

Величина концентрации свободных носителей заряда, согласно статистике Ферми-Дирака, определяется соотношением:

(6)

где mn, mp – эффективные массы электрона и дырки соответственно.

Температурная зависимость предэкспоненциального множителя в (6) пренебрежимо мала по сравнению с экспонентой. Поэтому приближённо можно полагать:

(7)

где А – константа, не зависящая от температуры.

Итак, в собственном полупроводнике концентрация носителей заряда увеличивается экспоненциально при повышении температуры с энергией активации W/2.

Рассмотрим теперь полупроводник, содержащий локальные примесные уровни в запрещённой зоне. Пусть, например, это будет полупроводник с донорной примесью.

Если температура полупроводника такова, что кТ< ΔWд, где ΔWд – энергетический интервал между уровнем доноров и дном зоны проводимости, определяющий энергию активации доноров, то в зону проводимости переходит лишь часть электронов примеси. При этом концентрация электронов в зоне проводимости выражается соотношением:

(8)

где NД – концентрация донорной примеси.

И в этом соотношении предэкспоненциальный коэффициент может быть приближённо представлен константой, как и в случае собственного полупроводника. Видно, что температурная зависимость концентрации свободных электронов в донорном проводнике выражается экспоненциальной зависимостью от обратной температуры (1/Т), аналогичной (7), нос другой энергией активации – Wд/2.

При повышении температуры количество электронов, оставшихся на донорных уровнях, понижается. В результате, при некоторой температуре ТS, может быть достигнуто состояние, когда все электроны с донорных уровней оказываются полностью ионизированными и концентрация электронов в зоне проводимости будет равна концентрации донорных примесей NД в полупроводнике. Температура полной ионизации примесей может быть приближённо рассчитана из соотношения (8) в предположении что

n= NД /2:

(9)

где - приведённая плотность разрешённых состояний в зоне проводимости (или в валентной зоне для случая акцепторного полупроводника).

В этом случае, если при температуре Т>Тs энергия тепловых колебаний кТ оказывается намного меньше, чем ширина запрещённой зоны W, то концентрация электронов в зоне проводимости будет оставаться равной концентрации доноров NД, т.е. в некотором интервале температур будет оставаться неизменной, пока концентрация собственных носителей заряда не станет близкой по величине к NД в соответствии с соотношением (7). Далее при увеличении температуры выше значения Тi вновь наблюдаться экспоненциальный рост концентрации электронов в зоне проводимости по соотношению (7). Температура Тi перехода к собственному типу проводимости также может вычислена, если в (7) положить n= NД

(10)

Типичная температурная зависимость концентрации электронов в зоне проводимости примесного полупроводника показана на рис.2,а. В соответствии с соотношением (7) и (8) в координатах lqn=f(1/Т) при температурах ниже Ts и выше Тi наблюдаются участки прямоугольного изменения lqn от 1/T. Наклон этих участков пропорционален, соответственно, глубине залегания примесных уровней - Wд и шире запрещённой зоны полупроводника – W.

Из формулы (9) и (10) видно, что величины Ts и Тi растут по мере увеличения концентрации легирующих примесей. Глубина залегания примесей в запрещённой зоне полупроводника – Wд (доноров) и Wа (акцепторов) много меньше ширины запрещённой зоны полупроводника - W. Поэтому полная ионизация примесей наблюдается уже при очень низких температурах Т=20÷200 К.

Для наиболее распространённых полупроводников (кремния, германия, арсенида галлия) при комнатной температуре (~295 К) примеси тем более полностью ионизированы. Температура перехода к собственной проводимости Тi оказывается достаточно высокой: 350÷400 К для германия; 450÷500 К для кремния; до 600 К для арсенида галлия, соответственно ширина их запрещённых зон (см. табл.1).






1 - участок собственной проводимости;

2 – участок полной ионизации;

3 – участок примесной проводимости

1 – рассеяние на фононах;

2 – рассеяние на примесях
а


б

в

Рис.2. Температурная зависимость параметров полупроводника: а – концентрация носителей тока; б – подвижностей носителей тока; в – электропроводности носителей тока

Таблица 1

Справочные материалы для проведения расчётов энергетических

параметров полупроводника


Наименование

параметра

Обозначение

Величина, размерность

Заряд электрона

е

1,6·10-19 Кл

Постоянная Больцмана

К

1,38·10-23 Дж/К

8,62·10-5 эВ/К

Постоянная Планка

h

6,62·10-32 Дж·с

Масса покоя электрона

m0

9,1·10-31 кг

Эффективная масса электрона в германии

m*е

0,56·m0

Эффективная масса дырки в германии

m*V

0,35·m0

Ширина запрещенной зоны:

Wд




германия -

Ge

0,67 эВ

кремния -

Si

1,12 эВ

арсенида галлия -

GaAs

1,43 эВ
  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания составлены в соответствии с учебной программой...
Методические указания и задания по выполнению самостоятельной работы для студентов очной формы обучения и контрольной работы для...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания по выполнению практических работ по предмету...
Методические указания по выполнению практических работ по дисциплине «Транспортные узлы», 1 часть (для студентов дневной и заочной...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания к выполнению курсовой работы по эпизоотологии...
Донник И. М., Шилова Е. Н., Исаева А. Г.: Методические указания к выполнению курсовой работы по эпизоотологии (для студентов очной...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Макроэкономика»
Методические указания предназначены для студентов высшего профессионального образования экономических специальностей очной и заочной...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 icon«Анализ и диагностика финансово-хозяйственной деятельности предприятия»....
Методические указания предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconЗадания и методические указания по выполнению контрольной работы...
Информатика. Методические материалы по выполнению контрольной работы для студентов всех специальностей заочной формы обучения. –...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconФакультет «бизнес и управление» Учебно-методическое пособие по выполнению...
Фомина в. П., Баркан н. А., Гавлина л. В. Методические указания по выполнению дипломной работы для студентов специальности 080507...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания и задания к лабораторной работе для студентов...
Методические указания предназначены для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторной работы с топографической картой студентами...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические рекомендации по выполнению междисциплинарной курсовой...
Методические рекомендации по выполнению курсовой работы для специальности 080110. 51 Банковское дело для среднего профессионального...

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Материаловедение. Ткм» и«Материаловедение» для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения специальностей этус-180500 и эпп 100400 iconМетодические указания по написанию и оформлению дипломных работ Для...
Методические указания по написанию и оформлению дипломных работ для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 1-2501....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов