- •Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур
- •Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.
- •Редактор э.Б. Абросимова
- •Цель работы
- •Классификация полупроводниковых материалов
- •Электропроводимость полупроводников Собственная проводимость полупроводников
- •Примесная проводимость полупроводников
- •Простые полупроводниковые материалы Германий
- •Кремний
- •Электронно-дырочный переход при воздействии внешнего электрического поля
- •Переход металл - полупроводник
- •Невыпрямляющий (омический) переход
- •Выпрямляющий переход
- •Полупроводниковые приборы Полупроводниковые диоды
- •Биполярный транзистор
- •Диодные включения транзисторов
- •Содержание работы
- •Описание лабораторной установки
- •Описание програмного интерфейса Основное меню
- •Панель инструментов
- •Окно измерений
- •Меню настройки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Часть I «Исследование диодных структур» содержит:
- •Часть II «Исследование транзисторных структур» содержит:
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
Простые полупроводниковые материалы Германий
В земной коре содержание германия невелико и составляет примерно 0,001%. Германий почти не имеет своих руд. Единственная руда германид содержит меди, железа и цинка гораздо больше, чем германия. В ничтожных количествах (0,01...0,5%) германий содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Он рассеян в силикатах, сульфидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфасоли. Большое количество германия (до 100 г/т) содержат бурые сорта угля.
Получают германий в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля. Окончательным продуктом этого процесса является монокристаллический германий в виде слитков.
Кристаллический германий – твердый, хрупкий материал с характерным металлическим блеском. Кристаллизуется в виде кубической решетки типа алмаза. Ширина запретной зоны при комнатной температуре =0.75эВ, при температуре 300К =0.67эВ. Рабочая температура полупроводниковых приборов на основе германия не превышает 80С. Концентрация собственных носителей заряда ni=2.51019м-3. Собственное удельное электрическое сопротивление ρ=0.68Омм. Электропроводимость германия зависит от температуры. При низких температурах (Т<5.4К) и высоких давлениях (Р>11ГПа) германий переходит в сверхпроводящее состояние.
При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100°С - падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5 - 6%.
Для производства полупроводниковых приборов используют германий электронного и дырочного типов с определенным удельным электрическим сопротивлением. Тип проводимости и удельное электрическое сопротивление германия определяется количеством введенных в исходный материал примесей. Монокристаллический германий различных марок, легированный сурьмой, мышьяком, галлием и золотом, обладает удельным электрическим сопротивлением ρ от 0,0004 до 45Омм. Легирующие примеси вводят в определенных количествах в рабочий объем расплавленного поликристаллического германия перед выращиванием монокристаллов.
Германий легируют нейтральными, донорными, акцепторными и создающими глубокие энергетические уровни примесями.
Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности полупроводникового материала и количество носителей заряда в нем. К нейтральным примесям германия относят инертные газы, азот и аргон и элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: кремний, свинец, олово.
Основными акцепторными примесями в германии являются элементы III группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: галлий, индий, алюминий.
Донорные уровни в германии создают элементы V группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева: мышьяк, сурьма, висмут, фосфор, а также элемент I группы - литий.
Глубокие энергетические уровни в запретной зоне германия образуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Однако растворимость этих элементов, как правило, значительно меньше растворимости акцепторов и доноров.
Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т.д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров.
Рабочий диапазон температур германиевых приборов от -60 до +70°С, при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный - в три раза. При охлаждении до - (50 - 60)°С прямой ток падает на 70 - 75%. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.
Использование монокристаллических слитков германия в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем связано с большими потерями материала при механической обработке (резке слитков на пластины, шлифовке и полировке пластин). Поэтому широко применяют эпитаксиальные пленки германия, которые получают осаждением монокристалического германия в виде монокристаллических пленок на подложки из различных материалов (германий, кремний, кварц, сапфир).