Добавил:
Адепт твердотельной электроники, последователь учений Михайлова Н.И. Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабы / 2 Лаба / 0207 Маликов Отчет МЭТ Лабораторная работа №2.docx
Скачиваний:
19
Добавлен:
21.06.2024
Размер:
220.71 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Выполнил: Маликов Б.И.

Группа № 0207

Преподаватель: Пермяков Н.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.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

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 21 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.

Основные теоретические положения

Полупроводники – материалы с электронной электропроводностью, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

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.

Процесс термогенерации носителей заряда носит вероятностный характер, и в случае генерации собственных носителей заряда их концентрации определяются соотношением:

На рисунке представлены температурные зависимости концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках, отличающихся шириной запрещенной зоны, в которых:

Концентрация носителей заряда при введении в полупроводник примесей nпр определяется процессом термогенерации носителей заряда:

На рисунке ниже показано, как изменяется с ростом температуры концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках:

Отношение средней скорости направленного движения к напряженности электрического поля называется подвижностью носителей заряда:

Рисунок иллюстрирует тот факт, что возрастание концентрации примесей (Nпр2 > Nпр1) уменьшает подвижность μрез в области низких температур, оставляя неизменным механизм теплового (решеточного) рассеяния в кристалле.

Описание образцов полупроводников, использованных в работе

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.

Описание 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 21 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 измерений

1. Рассчитаем удельное сопротивление исследуемых полупроводниковых материалов по экспериментальным данным для каждой температурной точки. Также, вычислим соответствующие удельные проводимости образцов:

По формулам: ρ = R∙ ; γэксп = .

Также, учитывая данные на экспериментальной установке:

Si: L = 3 [см]; S = 0,2 [мм2]; n = 0,15∙(T/300)-2,52/Вс]

Ge: L = 3 [см]; S = 0,2 [мм2]; n = 0,39∙(T/300)-1,662/Вс]

SiC: L = 1 [см]; S = 1,2 [мм2]; n = 0,01∙(T/300)-12/Вс]

InSb: L = 2 [см]; S = 0,1 [мм2]; n = 7,8∙(T/300)-1,62/Вс]; p = 0,075∙(T/300)-2,62/Вс]

Примеры вычислений:

1) ρ = 112∙ = 0,000747 [Ом∙м]

2) γэксп = = 1339,286 [ ]

Основные вычисления были произведены при помощи Excel. Заполняя таблицу, получим:

Исследуемый материал

T, K

T^-1, K^-1

R, Ом

ρ, Ом*м

γэксп, См/м

ln γэксп

Si

303

0,0033

112,0

0,000747

1339,286

7,199892

 

308

0,003247

113,5

0,000757

1321,586

7,186588

 

313

0,003195

115,6

0,000771

1297,578

7,168255

 

318

0,003145

117,3

0,000782

1278,772

7,153656

 

323

0,003096

119,1

0,000794

1259,446

7,138427

 

328

0,003049

120,7

0,000805

1242,751

7,125082

 

333

0,003003

122,4

0,000816

1225,49

7,111096

 

338

0,002959

124,2

0,000828

1207,729

7,096497

 

343

0,002915

125,9

0,000839

1191,422

7,082903

 

348

0,002874

127,7

0,000851

1174,628

7,068707

 

353

0,002833

129,7

0,000865

1156,515

7,053166

 

358

0,002793

131,4

0,000876

1141,553

7,040144

 

363

0,002755

133,5

0,00089

1123,596

7,024289

 

368

0,002717

135

0,0009

1111,111

7,013116

 

373

0,002681

136,8

0,000912

1096,491

6,999871

 

378

0,002646

138,8

0,000925

1080,692

6,985357

 

383

0,002611

140,7

0,000938

1066,098

6,971761

 

388

0,002577

142,4

0,000949

1053,371

6,959751

Ge

303

0,0033

301

0,002007

498,3389

6,21128

 

308

0,003247

303,1

0,002021

494,8862

6,204328

 

313

0,003195

305,5

0,002037

490,9984

6,196441

 

318

0,003145

311,5

0,002077

481,5409

6,176991

 

323

0,003096

317

0,002113

473,1861

6,159489

 

328

0,003049

321,2

0,002141

466,9988

6,146327

 

333

0,003003

325,7

0,002171

460,5465

6,132414

 

338

0,002959

330,9

0,002206

453,3092

6,116574

 

343

0,002915

333,2

0,002221

450,1801

6,109648

 

348

0,002874

333,9

0,002226

449,2363

6,107549

 

353

0,002833

333,7

0,002225

449,5055

6,108148

 

358

0,002793

330

0,0022

454,5455

6,119298

 

363

0,002755

324,3

0,002162

462,5347

6,136722

 

368

0,002717

315,9

0,002106

474,8338

6,162965

 

373

0,002681

305,2

0,002035

491,481

6,197423

 

378

0,002646

292,3

0,001949

513,1714

6,24061

 

383

0,002611

278,6

0,001857

538,4063

6,288614

 

388

0,002577

261,5

0,001743

573,6138

6,351956

SiC

303

0,0033

6562

0,043747

22,85888

3,12934

 

308

0,003247

5930

0,039533

25,29511

3,230611

 

313

0,003195

5700

0,038

26,31579

3,270169

 

318

0,003145

5150

0,034333

29,12621

3,371639

 

323

0,003096

4641

0,03094

32,32062

3,475705

 

328

0,003049

4183

0,027887

35,85943

3,579607

 

333

0,003003

3794

0,025293

39,53611

3,677214

 

338

0,002959

3409

0,022727

44,00117

3,784216

 

343

0,002915

3128

0,020853

47,95396

3,870241

 

348

0,002874

2831

0,018873

52,98481

3,970005

 

353

0,002833

2605

0,017367

57,58157

4,053203

 

358

0,002793

2365

0,015767

63,42495

4,149857

 

363

0,002755

2181

0,01454

68,77579

4,230852

 

368

0,002717

1996

0,013307

75,1503

4,31949

 

373

0,002681

1834

0,012227

81,78844

4,404136

 

378

0,002646

1695

0,0113

88,49558

4,482953

 

383

0,002611

1562

0,010413

96,03073

4,564668

 

388

0,002577

1437

0,00958

104,3841

4,648078

InSb

303

0,0033

60,4

0,000403

2483,444

7,817401

 

308

0,003247

58,1

0,000387

2581,756

7,856225

 

313

0,003195

53,7

0,000358

2793,296

7,934978

 

318

0,003145

51,9

0,000346

2890,173

7,969072

 

323

0,003096

50,4

0,000336

2976,19

7,998399

 

328

0,003049

48,7

0,000325

3080,082

8,032712

 

333

0,003003

46,8

0,000312

3205,128

8,072507

 

338

0,002959

44,7

0,000298

3355,705

8,118417

 

343

0,002915

42,8

0,000285

3504,673

8,161852

 

348

0,002874

40,9

0,000273

3667,482

8,207261

 

353

0,002833

40,1

0,000267

3740,648

8,227014

 

358

0,002793

37,9

0,000253

3957,784

8,283439

 

363

0,002755

36,5

0,000243

4109,589

8,321078

 

368

0,002717

35,8

0,000239

4189,944

8,340443

 

373

0,002681

32,7

0,000218

4587,156

8,431015

 

378

0,002646

31,7

0,000211

4731,861

8,462074

 

383

0,002611

30,8

0,000205

4870,13

8,490876

 

388

0,002577

28,9

0,000193

5190,311

8,554549

2. Построим температурные зависимости удельной проводимости полупроводников, откладывая по оси абсцисс параметр T-1, а по оси ординат – экспериментальные значения lnγэксп:

Рис. 1

3. Рассчитаем концентрацию собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при T = 300 К:

По формулам: nпр = ;

Также, учитывая:

Вычислим ni:

Si: ni = ∙exp(- ) = 5,74∙1015-3]

Ge: ni = ∙exp(- ) = 2,08∙1019-3]

SiC: ni = ∙exp(- ) = 5,01 -3]

InSb: ni = ∙exp(- ) = 1,45∙1022-3]