ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева

Кафедра «Промышленная электроника»

Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур

методические указания к лабораторной работе

по курсу «Материаловедение: электротехнические материалы»

для студентов специальностей

140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106

очной, очно-заочной, заочной форм обучения

Нижний Новгород 2009

Составители: А.В. Богатырева, С. Я. Верховский, Е.А. Флаксман

УДК 621.313

Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур: методические указания к лабораторной работе по курсу «Материаловедение: электротехнические материалы»для студентов специальностей 140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106 очной, очно-заочной, заочной форм обучения / НГТУ им. Р.Е. Алексеева; сост.: А.В. Богатырева, Е.А. Флаксман - Н. Новгород.2009. - 29с.

Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.

Научный редактор А.И.Чивенков

Редактор э.Б. Абросимова

Подп. к печ. . .2009. Формат 60х84^I /16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. . Уч.-изд. л. . Тираж 300 экз. Заказ .

___________________________________

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603950, Н. Новгород, ул.Минина, 24.

© Нижегородский государственный

технический университет

им. Р.Е. Алексеева, 2009

Цель работы

Изучение принципа действия, характеристик и параметров полупроводниковых диодных и транзисторных структур на основе германия и кремния.

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, которой можно управлять, изменяя напряжение, температуру освещенность и другие факторы.

Проводниковые материалы делятся по составу:

1. простые полупроводники - материалы, основной состав которых образован атомами одного химического элемента (германий, кремний, селен, теллур);

2. полупроводниковые соединения – материалы, состав которых образован атомами различных химических элементов. К этой группе относятся твердые растворы и химические соединения типа А^mBⁿ, где верхние индексы m и n обозначают группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева;

а) сложные полупроводники типа А^IV B^IV;

б) сложные полупроводники типа А^III B^V;

в) сложные полупроводники типа А^II B^VI;

г) сложные полупроводники типа А^IV B^VI;

д) сложные полупроводники типа А₂^V B₃^VI;

е) оксидные полупроводники;

ж) стеклообразные полупроводники;

и) органические полупроводники.

Наибольшее применение нашли неорганические кристаллические полупроводники.

В зависимости от характера электропроводимости различают собственные и примесные полупроводники.

Электропроводимость полупроводников Собственная проводимость полупроводников

Такая проводимость может быть рассмотрена на примере кремния, который является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д. И Менделеева. Эти элементы образуют алмазоподобную модификацию гранецентрированной кубической решетки, в которой каждый атом, распо­ложенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя дру­гими атомами и связан с ними ковалентной связью. Все электроны внешних оболочек уча­ствуют в образовании ковалентных связей и свободные носители, создающие электропроводность, отсутствуют (рис. 1,а) Для того чтобы электрон превратился в свободный носитель заряда, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи (рис. 1,б). Такая энергия определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации (рис. 1,в).

Рис. 1. Собственный полупроводник:

а – модель кристаллической решетки кремния без воздействия на него электрического поля; б – модель кристаллической решетки кремния при помещении его в электрическое поле; в - зонная диаграмма активизированного полупроводника

При разрыве ковалентной связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему полу­проводника. На месте оторвавшегося электрона остается положи­тельно заряженная незаполненная связь с зарядом, который равен заряду электрона, называемая дыркой. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, совершает хаотические движения.

При этом сама дырка, в отличие от электрона, не перемещается по кристаллу. Ее движение связано с тем, что за счет энергии тепловых колебаний решетки электрон соседней ковалентной связи может пополнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В резуль­тате этого атом, у которого за­полняются все связи, становится нейтральным, а в атоме, потеряв­шем электрон, образуется дырка (рис. 2,б). Со­здается впечатление движения дырок.

Проводимость полупроводника, которая возникает в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной.

Собственная электропроводность полупроводника складыва­ется из электронной электропроводности и дырочной электро­проводности :.