ЛР2 / ЛР2 отчёт

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Электротехническое материаловедение»

Тема: «Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов»

Студент гр. 9492		Скотаренко Д.Д.
Преподаватель		Кучерова О.В.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы.

Сравнение температурных зависимостей сопротивления

полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; определение ши-

рины запрещенной зоны и энергии ионизации легирующих примесей в мате-

риалах.

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 работе предлагается исследовать в одном и том же температурном интервале зависимость γ(T) в кремнии (Si), германии (Ge), антимониде индия (InSb) и карбиде кремния (SiC) – полупроводниках, характеризующихся

различной шириной запрещенной зоны.

3

Описание и фотография установки.

Исследование температурной зависимости сопротивления полупроводников производится на установке, содержащей термостат с образцами полупроводниковых материалов и внешние измерительные

приборы.

Исследуемые образцы имеют форму параллелепипедов длиной l и поперечным сечением S с двумя омическими контактами на торцах, к которым

подсоединяются выводы для подключения к омметру. Образцы помещены в термостат, расположенный внутри испытательного модуля.

Измерения температуры осуществляются с помощью термопары, подключенной к милливольтметру. Шкала прибора, расположенного на лицевой панели испытательного модуля, проградуирована в градусах Цельсия.

Подключение образцов к омметру осуществляется с помощью переключателя, выведенного на лицевую панель.

На лицевой панели расположен и регулятор температуры термостата. Здесь же указаны геометрические размеры образцов и приведены формулы для

вычисления подвижности носителей заряда.

Обработка результатов.

1. Рассчитаем удельное сопротивление исследуемых полупроводниковых материалов по экспериментальным данным для каждой температурной точки.

Пример расчёта для кремния при T=298 K:

Рассчитаем удельные проводимости исследуемых полупроводниковых материалов.

Пример расчёта для Si при T = 298 К:

Данные занесены в таблицу 1.3:

T^-1, К^-1

T^-1, К^-1

SiC

Si

Ge

InSb

№ 2. По данным табл. 2.3 построим температурные зависимости удельной проводимости полупроводников, откладывая по оси абсцисс параметр 𝑇−1, а по оси ординат – экспериментальные значения ln(𝛾эксп):

№3. Расчёт концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при T = 300 К:

а) Si:

б) Ge:

в) SiC:

г) InSb:

№4. Оценка значений собственной удельной проводимости в этих полупроводниках при 300 К:

а) Si:

б) Ge:

в) SiС:

г) InSb:

№5. Сравнение полученных результатов расчётов 𝛾𝑖 с экспериментальными данными 𝛾эксп:

а) Si: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;

б) Ge: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;

в) SiC: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;

г) InSb: 𝛾эксп≈𝛾𝑖−собственная проводимость;

Оценим, все ли примеси ионизированы в исследованном температурном интервале или нет. Рассчитаем энергию тепловой генерации:

а) Si: 0,01…0,02 эВ<0,036 эВ;

а) Si: 0,01 эВ<0,036 эВ;

в) SiC: 0,04…0,4 эВ >0,036 эВ – не все примеси ионизированы;

№6. Если в полупроводнике не все примеси ионизированы, то:

SiC:

при 𝑇2=418 К и 𝑇1=298 К получим:

№7. Для полупроводников, у которых 𝛾эксп≈𝛾𝑖:

а) InSb:

Проведём также оценку по наклону графика:

Значения примерно совпали.

№8. Определим температурные диапазоны реализации участков:

Si – на всём диапазоне участок истощения примеси

Ge – от 70⁰С до 145⁰С – участок собственной проводимости

от 0⁰С до 70⁰С – зона истощения примеси

SiC – на всём диапазоне область ионизации примеси

InSb - от 0⁰С до 50⁰С – зона истощения примеси

от 50⁰С до 145⁰С – зона собственной проводимости

№9. Рассчитаем примерную ширину запрещённой зоны для германия по наклону кривой зависимости удельной проводимости от температуры в области собственной проводимости:

Оценка грубая, так как действительная ширина запрещённой зоны германия равна 0,64 Эв, но, приблизительно, её можно принять.

Выводы:

В ходе лабораторной работы были рассчитаны удельное сопротивление и удельная проводимость для Si, Ge, SiC, InSb. Для проводимости этих материалов была построена температурная зависимость ln(𝛾эксп)=𝑓(𝑇^-1).

Было проведено сравнение 𝛾эксп с рассчитанной собственной проводимостью 𝛾𝑖, по которому были сделаны выводы о проводимости каждого полупроводника, которые были изучены в ходе работы. Как оказалось, InSb обладает собственной проводимостью, а Ge, Si и SiC – примесной.

Так же было установлено, что для кремния энергия тепловой генерации преобладает над энергией ионизации, поэтому кремний находится на всём диапазоне в зоне истощения примеси, в то время как карбид кремния на всём диапазоне находится в зоне ионизации.

Была рассчитана энергия ионизации примеси для карбида кремния ΔЭпр≈ эВ, а так же было рассчитано значение ширины запрещённой зоны антимонида индия, которое соответственно равно ΔЭ𝐼𝑛𝑆𝑏≈ эВ. А также была рассчитана ширина запрещённой зоны германия по наклону графика. Она составила 0,94 Эв, что несколько больше, чем реальное значение.

Так же в ходе работы было установлено, что на всем диапазоне температур Si находится в зоне истощения примеси, SiC в зоне ионизации примеси, InSb от 0⁰С до 50⁰С в зоне истощения примеси, от 50⁰С до 145⁰С в зоне собственной проводимости, а Ge в диапазоне 0⁰С до 70⁰С находится в зоне истощения примеси, от 70⁰С до 145⁰С в зоне собственной электропроводности.