МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
Определение ширины запрещенной зоны полупроводников методом измерения обратных токов p-n-переходов
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Физические основы микроэлектроники» для студентов специальности 220500 «Конструирование и технология ЭВС»
КУРСК 1999
Составители: И.С.Захаров, В.В.Умрихин
УДК 621.382
Определение ширины запрещенной зоны полупроводников методом измерения обратных токов p-n-переходов: Методические указания к лабораторной работе/ Курск. гос. техн. ун-т.; Сост. : И.С.Захаров, В.В.Умрихин. Курск, 1999. 12 с.
Предназначены для студентов специальности 220500 "Конструирование и технология ЭВС".
Ил. 6. Библиогр.: 5 назв.
Рецензент канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики В.М. Фатьянов
Редактор О.А.Петрова
ЛР N 020280 от 09.12.96. ПЛД № 50-25 от 01.04.97.
Подписано в печать . Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная.
Усл.печ.л. . Уч.-издат.л. . Тираж 50 экз. Заказ .
Курский государственный технический университет.
Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного
технического университета.
Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040
Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Цель работы
Изучить методику определения ширины запрещенной зоны методом обратных токов p-n-переходов.
2. Энергетический спектр электронов в кристалле
Запрещенная зона - интервал энергий, разделяющий валентную зону и зону проводимости. Ширина запрещенной зоны определяет физико-химические свойства материалов электронной техники. Целью настоящей работы является определение ширины запрещенной зоны полупроводника методом измерения температурной зависимости обратных токов p-n перехода.
Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией, а на зонной диаграмме занимает соответствующий энергетический уровень. В твердом теле, благодаря взаимодействию атомов, энергетические уровни расщепляются в энергетические зоны. Они состоят из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует количеству однородных атомов в данном кристалле (рис.2.1).
Рис.2.1. Энергетические зоны в полупроводнике: 1,2,3,4 - разрешенные зоны, 5 - запрещенные зоны, E - ширина запрещенной зоны.
Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешенной зоной. Электроны в твердом теле могут иметь энергии, соответствующие разрешенной зоне. Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости. Наибольший интерес представляют валентная зона и зона проводимости, так как от их взаимного расположения и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твердых тел. По характеру заполнения зон все кристаллы подразделяются на два класса. К первому относятся материалы, у которых над полностью заполненной зоной располагается частично заполненная зона (рис.2.2).
Рис.2.2. Образование частично заполненной зоны
Электроны частично заполненной зоны под воздействием внешнего электрического поля могут увеличивать свою энергию, переходя на вышележащие свободные уровни. Это означает, что в кристалле, обладающем такой зонной структурой, даже при наличии слабого электрического поля в отсутствии других энергетических воздействий (свет, повышение температуры и т.д.) возможно направленное перемещение электронов, то есть протекание электрического тока. Таким образом, кристаллы, имеющие частично заполненную разрешенную зону, относятся к проводникам.
К другому классу относятся материалы, у которых при температуре абсолютного нуля над полностью заполненными зонами располагаются пустые (рис.2.3).
Рис.2.3. Зонная диаграмма полупроводника
Такую структуру зон имеют, например, элементы IV группы - углерод в модификации алмаза, кремний, германий, серое олово, а также многие химические соединения - окислы металлов, нитриды, карбиды и т.д. В полностью заполненной валентной зоне электроны лишены возможности изменить свое состояние под действием приложенного электрического поля, т.е. не способны участвовать в образовании тока. Не дает вклада в электропроводность и совершенно свободная зона проводимости.
Однако если ширина запрещенной зоны невелика, то при повышении температуры возможен переход валентных электронов в зону проводимости. Количество таких электронов экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Следует заметить, что с переходом электронов в зону проводимости появляются вакантные уровни в валентной зоне. Это означает, что для валентных электронов то же появляется возможность изменить свою энергию, т.е. участвовать в образовании тока. Таким образом, в кристаллах с узкой запрещенной зоной эти материалы являются полупроводниками. При комнатной температуре ширина запрещенной зоны E у кремния равна 1,12 эВ; у германия E = 0,72 эВ; у арсенида галлия E = 1,43 эВ; у карбида кремния 2,4 - 3,4 эВ (для разных политипов).
Если запрещенная зона достаточно широкая, то переход валентных электронов в зону проводимости маловероятен. Такие твердые тела являются диэлектриками. Таким образом, диэлектрики отличаются от полупроводников лишь шириной запрещенной зоны. Условно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие Е 3 эВ, а к полупроводникам - Е < 3 эВ.
Ширина запрещенной зоны изменяется с изменением температуры. Происходит это в результате:
- изменения амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки ;
- изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела.
С повышением температуры в первом случае ширина запрещенной зоны уменьшается, во втором случае может как уменьшаться, так и увеличиваться в зависимости от зонной структуры. У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны с повышением температуры уменьшается.