ЛР2 / ЛР2 отчёт
.pdfМИНОБРНАУКИ 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 ширины запрещенной зоны и энергии ионизации легирующих примесей в материалах.
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 собственныеипримесные.
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
котороговосновномопределяютсяпримесями.
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 различнойширинойзапрещеннойзоны.
Описаниеифотографияустановки3.
Исследование температурнойзависимости сопротивления полупроводников производится на установке, содержащей термостат с образцами полупроводниковых материалов и внешние измерительные приборы.
Исследуемые образцыS имеют форму параллелепипедов длиной l и поперечным сечением с двумя омическими контактами на торцах, к которым подсоединяются выводы для подключения к омметру. Образцы помещены в термостат,расположенныйвнутрииспытательногомодуля.
Измерения температуры осуществляются с помощью термопары, подключенной к милливольтметру. Шкала прибора, расположенного на лицевой панелииспытательногомодуля, проградуированавградусахЦельсия.
Подключение образцов к омметру осуществляется с помощью переключателя,выведенногоналицевуюпанель.
Налицевойпанелирасположенирегулятортемпературытермостата. Здесь же указаны геометрические размеры образцов и приведены формулы для вычисленияподвижностиносителейзаряда.
Обработка результатов.
1. Рассчитаем удельное сопротивление исследуемых полупроводниковых материалов по экспериментальным данным для каждой температурной точки.
|
|
|
= |
|
|
||
Пример расчёта для кремния при T=298 K: |
|
||||||
|
|
970 0.03 |
|
|
|
|
|
Рассчитаем |
= |
2 10 |
−7 |
≈ 0.0065 Ом м |
|||
материалов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
удельные проводимости исследуемых полупроводниковых |
||||||
|
|
эксп = 1 |
|
|
|||
Пример расчёта для Si при T = 298 К: |
|
|
См |
||||
|
|
|
1 |
|
≈ 154.6 |
||
|
= 0.0065 Ом м |
м |
Данные занесены в таблицу 1.3:
4
5
№2. По данным табл. 2.3 построим температурные зависимости удельной
|
ln( эксп) |
−1 |
, а по |
проводимости полупроводников, откладывая по оси абсцисс параметр |
|||
оси ординат – экспериментальные значения |
: |
|
№3. Расчёт концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при T = 300 К:
а) Si: |
= = |
− |
2∆Э |
|
|
||
|
|
1.12 1.6 10−19 |
≈ 6.765 1015 |
м−3 |
|||
б) Ge: = 1025√2.74 1.05 −2 1.38 10−23300 |
|||||||
в) SiC: |
≈ 2.281 1019 |
м−3 |
|
|
|
||
|
|
≈ 7,67 м |
|
|
|
|
|
|
|
−3 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
№4. Оценка значений |
|
|
|
≈ 7.07 10 |
24 |
м |
−3 |
|
|
|
|
||||||||||
г) InSb: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
а) Si: |
|
|
|
собственной удельной проводимости в этих |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
= ( + ) |
|
|
|
|
|||||||||||
полупроводниках при 300 К: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
б) Ge: = 1.6 10 |
−19 |
6.765 10 (0.13 + 0.05) ≈ 0.000195 м |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
См |
|
|
|
|
|
См |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
≈ 2,117 |
|
|
|
|
|
|
||||
в) SiС: |
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
См |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
≈ 5,64 10 |
−20 |
|
|
|
|
|||||||
г) InSb: |
|
|
|
|
|
См |
|
м |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
≈ 18773 |
|
|
|
|
|
|
||||
данными эксп: |
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
с экспериментальными |
|||||||||
№5. |
Сравнение полученных результатов расчётов |
|
|
||||||||||||||||||
|
Si: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аб)) Ge: эксп −примесная проводимость; |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
в) SiC: эксп −примесная проводимость; |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
г) InSb: эксп −примесная проводимость; |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
все ли примеси ионизированы в исследованном температурном |
||||||||||||||||||
Оценим, эксп≈−собственная проводимость; |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
интервале или нет. Рассчитаем энергию тепловой генерации: |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
−23 |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
−23 |
Дж = 0,036 Эв |
||
а) Si: = 1.38 10 418 = 576.84 10 |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) Si: 0,01…0,02 эВ<0,036 эВ |
– не все примеси ионизированы; |
||||||||||||||||||||
в) |
SiC: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
0,01 эВ<0,036 эВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
0,04…0,4 эВ>0,036 эВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
№6. Если в полупроводнике не все примеси ионизированы, то: |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
( 2) |
|
|||
SiC: |
|
|
|
|
∆Эпр = 2 2 |
− |
1 ln ( 1) |
||||||||||||||
при |
2=418 К и 1=298 Кполучим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n(T) = |
γn(T) p |
|
|
|
20 |
|
−3 |
|||||
|
|
|
|
( 1) = |
|
|
|
1.156 |
q(μ |
+ μ ) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1.6 10−19 |
(0.04 + 0.006) |
≈ 1.571 10 |
21 |
м |
−3 |
||||||||||
|
|
|
|
( 2) = |
|
|
|
|
11 |
|
|
|
≈ 1.495 10 |
м |
|||||
|
Пр |
|
1.6 10−19 |
(0.04 + 0.006) |
|
|
|||||||||||||
∆Э |
= 2 1,38 10 |
−23 |
|
418 298 |
|
(1.495 102120) |
) |
≈ 0.403 Эв |
|||||||||||
|
|
|
418 −298 ln( |
1.571 10 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
эксп≈ : |
2 |
|
|
|
|
|
||||
а) InSb: |
|
|
( 2) |
3 |
|
|
|
|
|
||||||||||
∆Э = 2 2 |
− 1 ln ( 1) −2 ln 1 |
|
|
|
|
||||||||||||||
№7. |
Для полупроводников, у которых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
№8. Определим |
|
|
|
∆Э ≈ 0.122 Эв |
|
|
|
|
|
|
|
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
8
Выводы: |
|
|
|
|
|
|
|
В ходе лабораторной работы были рассчитаны удельное сопротивление и |
|||||||
Было проведено сравнение |
|
с |
|
ln( эксп)= ( −1) |
|
||
удельная проводимость для Si, Ge, SiC, InSb. Для проводимости этих материалов |
|||||||
была построена температурная зависимость |
|
. |
|||||
|
|
|
|
|
рассчитанной собственной |
||
проводимостью |
, по которому |
были сделаны выводы о проводимости каждого |
|||||
|
эксп |
|
|
|
|
||
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.
Эпр≈0.403 эВ, а так же было рассчитано значение ширины запрещённой зоны антимонида индия, которое соответственно равно
Была рассчитана энергия ионизации примеси для карбида кремния
Э ≈0.122 эВ.
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.
9