Материал: Исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов

Множитель  медленно меняется с температурой, тогда как множитель  сильно зависит от температуры, если . Следовательно, для не слишком высоких температур можно считать, что

         (1.7.2)

и выражение для удельной электропроводности собственного полупроводника заменить более простым

       (1.7.3)

В примесном полупроводнике при достаточно высоких температурах проводимость является собственной, а при низких температурах примесной. В области низких температур для удельной электропроводности примесной проводимости можно записать выражения:

для примесного полупроводника с одним типом примеси

      (1.7.4)

для примесного полупроводника с акцепторной и донорной примесями

                 (1.7.5)

где  - энергия активации примесного полупроводника.

В области истощения примеси концентрация основных носителей остается постоянной и проводимость меняется вследствие изменения подвижности с температурой. Если основным механизмом рассеяния носителей в области истощения примеси является рассеяние на тепловых колебаниях решетки, то проводимость уменьшается с ростом температуры. Если же основным механизмом рассеяния является рассеяние на ионизированных примесях, то проводимость будет увеличиваться с ростом температуры.

Практически при исследовании температурной зависимости проводимости полупроводников часто пользуются не проводимостью, а просто сопротивлением полупроводника. Для тех областей температур, когда формулы (1.7.3), (1.7.2) и (1.7.3) справедливы, можно записать для сопротивления полупроводников следующие выражения:

для собственного полупроводника

         (1.7.6)

для полупроводника n-типа

       (1.7.7)

для полупроводника p-типа

       (1.7.8)

для примесного полупроводника с акцепторными и донорными примесями

                   (1.7.9)

Измерив температурный ход сопротивления полупроводника в определенном интервале температур, можно из выражения (1.7.6) определить ширину запрещенной зоны , из формул (1.7.7), (1.7.8) - энергию ионизации донорной  или акцепторной  примеси, из уравнения (1.7.9) - энергии активации полупроводника .

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры значительно резче, чем у металлов: температурный коэффициент сопротивления у них в десятки раз выше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак. Теплоэлектрический полупроводниковый прибор, использующий зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры, предназначенный для регистрации изменения температуры окружающей среды, называется термистором или терморезистором. Он представляет собой объемное нелинейное полупроводниковое сопротивление с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Материалами для изготовления терморезисторов служат смеси окислов различных металлов: меди, марганца, цинка, кобальта, титана, никеля и др.

Из числа отечественных терморезисторов наиболее распространены кобальто-марганцевые (КМТ), медно-марганцевые (ММТ) и медно-кобальто-марганцевые (СТЗ) терморезисторы.

Область применения каждого типа терморезистора определяется его свойствами и параметрами: температурной характеристикой, коэффициентом температурной чувствительности B, температурным коэффициентом сопротивления α, постоянной времени τ, вольт-амперными характеристиками.

Зависимость сопротивления полупроводникового материала терморезистора от температуры называется температурной характеристикой, она имеет вид

             (1.7.10)

Коэффициент температурной чувствительности B может быть определен по формуле:

     (1.7.11)

Энергия активации полупроводникового материала терморезистора определяется по формуле:

          (1.7.12)

1.8 Фотопроводимость

Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под действием света. Полупроводник, меняющий свою проводимость при освещении его светом, называется фотосопротивлением (фоторезистором). Уменьшение сопротивления полупроводника, обусловленное поглощением света, объясняется увеличением числа свободных носителей заряда. Квантовым выходом (вероятностью), рассчитанным на поглощённый световой поток, называется отношение числа неравновесных фотоносителей заряда к общему числу поглощенных квантов света:

 (1.8.1)

Фототоком  фотосопротивления при данном напряжении называется разность тока при освещении полупроводника  и темнового тока :

         (1.8.2)

Если фотосопротивление не освещено, то его величина очень большая. Его называют темновым сопротивлением, а ток, соответствующий ему - темновым током. Величина темнового сопротивления определяется температурой и чистотой полупроводника. При освещении прибора его сопротивление уменьшается и тем значительнее, чем больше световой поток.

Благодаря внутреннему фотоэффекту фоторезистор непосредственно преобразует световую энергию в электрическую энергию.

Световой (энергетической) характеристикой фотосопротивления называется зависимость фототока от светового потока при данном напряжении. Эта зависимость, показана на рис. 1.8.1.

Рис. 1.8.1. Зависимость фототока от светового потока

Вольтамперная характеристика фотосопротивления имеет линейный характер при постоянном световом потоке и выражает зависимость фототока от приложенного напряжения.

Важной характеристикой фотосопротивления также является удельная чувствительность, т.е. отношение фототока  к световому потоку Ф и к величине приложенного напряжения U:

              (1.8.3)

Из фотометрии известно, что световой поток

Ф = ES       (1.8.4)

где E - освещенность поверхности; S - площадь светочувствительного слоя фотосопротивления.

В случае малых световых потоков Ф, когда кванты света идут на образование избыточных носителей, количество образующихся носителей, а, следовательно, и величина фототока пропорциональны падающему световому потоку ( ~ Ф, т.е.  = a* Ф = a * ES, где а - некоторая постоянная). При этом фотосопротивление выражается как

           (1.8.5)

При больших световых потоках наступает насыщение и линейная зависимость фототока от светового потока нарушается ( ~ ).

Принимая во внимание, что темновой ток (( ~ Ф₀)) и темновое сопротивление являются постоянными для данного фоторезистора, и учитывая (6) - (7) перепишем формулу (8) в виде

     (1.8.6)

где A= I_т/aS - некоторая неизвестная постоянная.

Учитывая линейную зависимость фототока от светового потока, из формулы (9) следует описание зависимости фотосопротивления от освещенности:

       (1.8.7)

2. Экспериментальное исследование электрофизических параметров

Данная глава посвящена исследованию электрофизических параметров полупроводниковых материалов. В ходе экспериментов определялись удельное сопротивление с использованием четырехзондовой методики, тип проводимости по знаку термоЭДС, температурная зависимость электрического сопротивления полупроводников, вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

2.1 Измерение удельного сопротивления четырехзондовым методом и определение типа проводимости по знаку термоЭДС

Цель работы:

Определить удельное сопротивление полупроводникового образца с использованием четырехзондовой методики, а также определить тип проводимости полупроводникового образца по знаку термоЭДС с использованием термозонда.

Оборудование: потенциометр, мультиметр MY-64, магазин сопротивлений, универсальный мост, реостат 5000 Ом, держатель образца, полупроводниковые образцы произвольной формы, источники постоянного тока, ключи и переключатели.

Схема экспериментальной установки:

Для определения удельного сопротивления образцов:

Для определения типа проводимости образцов:

Экспериментальные данные:

1. Определение типа проводимости:

.   Определение удельного сопротивления:

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были определены тип проводимости и удельное сопротивление для четырех полупроводниковых образцов. В результате установлено, что для каждого образца эти величины имеют следующие значения:

Сопоставляя полученные значения удельного сопротивления с табличными, с учетом определенного типа проводимости можно сделать вывод, что исследованные образцы под номерами 1,2 принадлежат к марке монокристаллического кремния КЭФ 3В, образец №3 к марке КЭФ 1А, а образец №4 к марке КДБ 1А.

2.2. Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения сопротивления при помощи резистивного моста; вычисление удельного сопротивления.

Оборудование: мост постоянного тока, нагреватель, измеритель температуры, терморезисторы, мультиметр MY-64.

Схема экспериментальной установки

Экспериментальные данные:

ММТ-8

ММТ-8

КМТ-12

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были cняты температурные характеристики, вычислена ширина запрещённой зоны полупроводника. В результате установлено, что зависимость сопротивления полупроводника от температуры имеет экспоненциальный характер.

2.3 Изучение фотопроводимости полупроводников

Цель работы: исследовать вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

Оборудование: мультиметр MY-64, реостат 5000 Ом, источник постоянного тока, источник питания, люксметр Ю116, фоторезистор ФСК-1, осветитель, проектор на 2000 лк.

Схема экспериментальной установки:

Экспериментальные данные:

ВАХ ФСК-1

Вывод: Вольт-амперная характеристика прибора нелинейная при малых освещенностях и линейная при больших, т.е. выполняется закон Ома в широкой области изменения напряжения. В области слабых электрических полей фоторезисторы являются омическими сопротивлениями.

Заключение

Подводя итоги по курсовой работе, следует отметить, что были выполнены все поставленные цели:

·        углубить знания раздела дисциплины, касающегося основных свойств полупроводниковых материалов;

·        рассмотреть и изучить свойства полупроводниковых материалов.

В работе были исследованы полупроводниковые приборы:

·        получены зависимости проводимости, сопротивления от температуры

·        определена ширина запрещенной зоны

·        получены вольт-амперные характеристики

·        определена величина удельного сопротивления эпитаксиальных структур.

В процессе выполнения работы была изучена зонная теория твердого тела, теория, описывающая концентрацию носителей заряда в полупроводниках, динамика образования и движения носителей заряда в полупроводниковых материалах. Освоены методы исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления, зависимости сопротивления от температуры.

Полупроводниковые материалы применяются для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Особенности электрофизических свойств полупроводников определяются природой сил связи. Пригодность полупроводникового материала зависит от его кристаллической структуры, ширины запрещенной зоны, положения примесных уровней и однородности распределения примеси по объему. Оптическими, термическими, термоэлектрическими, и электрическими свойствами полупроводниковых материалов определяются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Особые требования предъявляют к таким свойствам, как тип электропроводности, концентрация введенной примеси, подвижность и время жизни носителей заряда.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что развитие современной электронной техники идёт по пути микроминиатюризации электронного оборудования. Только развитие полупроводниковой электроники открыло перед электронной техникой эту возможность. Таким образом, главнейшей задачей, стоящей перед полупроводниковой техникой, является обеспечение возможности создания микроминиатюрного высоконадежного и дешевого электронного оборудования.

Список использованной литературы

1. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1969.

2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. - М.: Советское радио, 2009.

3. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. - М.: В.Ш. 1977.

4. Рымкевич П.А. Курс физики. - М.: В.Ш. 1977.

5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Учеб. Для студентов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

7. Пасынков В.В., Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1977

8. Шалимов К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Шалимов К.В. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. - М.: Высшая школа, 1968.

10.Лысов В.Ф. Практикум по физике полупроводников - М.: Просвещение, 1976.

11.http://elib.ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Index.html