- •В.Н. Игумнов физические основы микроэлектроники практикум
- •Оглавление
- •Глава 1 7
- •Глава 2 36
- •Глава 3 163
- •Указания по технике безопасности
- •Предисловие
- •Глава 1 Обработка результатов измерений
- •1.1. Основные понятия и определения метрологии
- •1.2. Погрешности прямых измерений
- •1.2.1. Поправки
- •1.2.2. Случайные погрешности
- •Коэффициенты Стьюдента
- •Обратный ток через p-n-переход
- •1.2.3. Погрешность прибора
- •1.2.4. Погрешность округления. Полная погрешность прямого измерения
- •Э.Д.С. Датчика Холла
- •1.3. Погрешность косвенных измерений
- •1.3.1. Вычисление абсолютной и относительной погрешности
- •Результаты наблюдений
- •1.3.2 Схемы и формулы расчета погрешностей
- •1.3.3. Планирование эксперимента и оценка погрешности
- •1.4. Приближенные вычисления
- •1.5. Единицы измерения физических величин
- •1.6. Оформление результатов измерений
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 2 Лабораторные работы
- •2.1. Исследование характеристических параметров полупроводников
- •Зонная структура полупроводников
- •Температурная зависимость электропроводности
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.2. Исследование полупроводников с помощью эффекта Холла
- •Основные сведения из теории
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.3. Исследование эффекта поля в полупроводниках на базе полевого транзистора
- •Поверхностные состояния
- •Порядок выполнения работы
- •Величина тока стока
- •Величина тока стока
- •Контрольные вопросы
- •2.4. Определение потенциала Ферми в полупроводниках с помощью коэффициента термоэдс
- •Основные сведения из теории
- •Задание и отчетность
- •Контрольные вопросы
- •2.5. Определение коэффициента Пельтье компенсационным методом
- •Основные сведения из теории
- •Применение эффекта Пельтье для охлаждения радиоаппаратуры
- •Описание установки и порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.6. Контакт металл – полупроводник
- •Основные сведения из теории
- •Теория метода и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.7. Изучение электрофизических процессов вp-nпереходе
- •Основные сведения из теории
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.8. Исследование кинетики формовки оксидных пленок при электрохимическом окислении металлов
- •Основные сведения из теории
- •Плазменно-электролитическое анодирование
- •Состояние теории образования оксидных пленок
- •Свойства оксидных пленок
- •Описание установки и анодирование
- •Измерение динамики роста и свойств оксидной пленки
- •Задания и отчетность
- •Контрольные вопросы
- •2.9. Исследование процессов в полупроводниковом фоторезисторе
- •Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками
- •Процессы захвата, заряда, прилипания и рекомбинации носителей заряда
- •Время жизни носителей заряда. Квантовый выход
- •Теория метода и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.10. Полупроводники в сильных электрических полях
- •Теоретическая часть
- •Эффект Ганна
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2.11. Свойства тонких проводящих пленок
- •Свойства тонких пленок
- •Контроль толщины тонких пленок
- •Порядок выполнения работы:
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 3 Решение задач
- •3.1. Структура твердых тел Основные справочные формулы
- •Примеры решения задач
- •3.2. Энергетические состояния микрочастиц Основные справочные формулы
- •Примеры решения задач
- •3.3. Электрические свойства твердых тел Основные справочные формулы
- •Примеры решения задач
- •3.4. Свойстваp-nперехода Основные справочные формулы
- •Примеры решения задач
- •Приложения п.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы си Основные единицы
- •Некоторые производные механические единицы
- •Некоторые производные единицы электрических величин
- •Некоторые производные единицы магнитных величин
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина,3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова,17
2.1. Исследование характеристических параметров полупроводников
Цель работы:экспериментальное определение ширины запрещенной зоны (Eg) и энергии активации носителей заряда (ΔE) примесного полупроводника на основании измерений температурной зависимости электропроводности, графическое построение энергетических диаграмм, ознакомление с методами определения типа проводимости полупроводников.
Зонная структура полупроводников
Известно, что электроны в атоме имеют дискретные энергетические уровни. Когда атомы соединяются, чтобы сформировать твердое тело, эти разрешенные энергетические состояния расщепляются в близко расположенные уровни. В случае объединения большого числа атомов эти энергетические уровни образуют достаточно непрерывные зоны разрешенной энергии, которую может иметь электрон. Именно эти энергетические зоны определяют электрические свойства твердого тела.
Диаграмма энергетических уровней атома показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Энергетические уровни отдельного атома
Такова система уровней для единственного изолированного атома натрия. В том случае, когда два одинаковых атома соединяются, появляется раздвоение энергетических уровней (рис. 2.2).
Число энергетических уровней в каждом атоме не изменяется, но уровни в каждом атоме слегка изменяются.
Величина расщепления энергетических уровней в атомах зависит от того, как близко атомы расположены друг от друга, когда они формируют твердое тело. По мере того, как атомы сближаются, расщепление увеличивается.
Рис. 2.2. Диаграмма энергетических уровней двух одинаковых атомов, находящихся близко друг от друга
Расщепление 1Sи 2Sуровней восьми атомов показано на рис. 2.3.
Расщепленные уровни образуют группы уровней, названные зонами. Зоны имеют практически непрерывные энергетические состояния.
Например, если кристалл имеет около 109атомов, то при типичной ширине зоны ~эВ энергетический зазор между двумя соседними уровнями составляет всего лишь 10-9эВ. Валентная зона – это группа состояний, содержащая валентные электроны атомов твердого тела. Энергетический зазор, непосредственно примыкающий к валентной зоне, называется запрещенной зоной, потому что электроны не могут существовать в кристалле с такими энергиями. Зона разрешенных энергетических состояний непосредственно выше запрещенной зоны называется зоной проводимости. Если валентная зона принадлежит всему кристаллу как целому, то внутренние зоны или более нижние зоны не принадлежат всем атомам, и поэтому они не являются важными в формировании электрических свойств твердого тела. Так же как валентные электроны определяют химические свойства атомов, так валентная зона и зоны непосредственно выше валентной определяют электрические свойства твердого тела.
Рис. 2.3. Расщепление энергетических уровней
Полупроводники отличаются от других твердых тел тем, что при низких температурах их валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пустая и отделена энергетическим зазором в несколько электрон-вольт, причем ширина запрещенной зоны полупроводника меньше ширины запрещенной зоны изолятора (Eд.п<Eд.з). Полностью заполненная зона не может дать вклад в электропроводность, поскольку электроны не могут накапливать энергию, а пустая зона проводимости не содержит носителей тока и также не может дать вклад в электропроводность. Итак, именно зонная структура полупроводников определяет их специфические электрофизические свойства. Для оловаЕg= 0,08 эВ, кремния – 1,2 эВ, алмаза – 5,6 эВ.