ЛР2 / ЛР2 отчёт
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
отчет
по лабораторной работе №2
по дисциплине «Электротехническое материаловедение»
Тема: «Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов»
Студент гр. 9492 |
|
Скотаренко Д.Д. |
Преподаватель |
|
Кучерова О.В. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы.
Сравнение температурных зависимостей сопротивления
полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; определение ши-
рины запрещенной зоны и энергии ионизации легирующих примесей в мате-
риалах.
Основные понятия и определения.
Полупроводники – материалы с электронной электропроводностью,
которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Условный диапазон удельных сопротивлений полупроводников ограничивают значениями
10−5 … 108 Ом∙м.
Характерной особенностью полупроводниковых материалов является сильно выраженная зависимость удельной проводимости от внешних энергетических воздействий, а также от концентрации и типа примесей. 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.
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.
3
Описание и фотография 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
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.
1. Рассчитаем удельное сопротивление исследуемых полупроводниковых материалов по экспериментальным данным для каждой температурной точки.
Пример расчёта для кремния при T=298 K:
Рассчитаем удельные проводимости исследуемых полупроводниковых материалов.
Пример расчёта для Si при T = 298 К:
Данные занесены в таблицу 1.3:
T-1,
К-1
T-1,
К-1
SiC
Si
Ge
InSb
№3. Расчёт концентрации собственных носителей заряда в полупроводниках Si, Ge, InSb и SiC при T = 300 К:
а) Si:
б) Ge:
в) SiC:
г) InSb:
№4. Оценка значений собственной удельной проводимости в этих полупроводниках при 300 К:
а) Si:
б) Ge:
в) SiС:
г) InSb:
№5. Сравнение полученных результатов расчётов 𝛾𝑖 с экспериментальными данными 𝛾эксп:
а) Si: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;
б) Ge: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;
в) SiC: 𝛾эксп≫𝛾𝑖−примесная проводимость;
г) InSb: 𝛾эксп≈𝛾𝑖−собственная проводимость;
Оценим, все ли примеси ионизированы в исследованном температурном интервале или нет. Рассчитаем энергию тепловой генерации:
а) Si: 0,01…0,02 эВ<0,036 эВ;
а) Si: 0,01 эВ<0,036 эВ;
в) SiC: 0,04…0,4 эВ >0,036 эВ – не все примеси ионизированы;
№6. Если в полупроводнике не все примеси ионизированы, то:
SiC:
при 𝑇2=418 К и 𝑇1=298 К получим:
№7. Для полупроводников, у которых 𝛾эксп≈𝛾𝑖:
а) InSb:
Проведём также оценку по наклону графика:
Значения примерно совпали.
№8. Определим температурные диапазоны реализации участков:
Si – на всём диапазоне участок истощения примеси
Ge – от 700С до 1450С – участок собственной проводимости
от 00С до 700С – зона истощения примеси
SiC – на всём диапазоне область ионизации примеси
InSb - от 00С до 500С – зона истощения примеси
от 500С до 1450С – зона собственной проводимости
№9. Рассчитаем примерную ширину запрещённой зоны для германия по наклону кривой зависимости удельной проводимости от температуры в области собственной проводимости:
Оценка грубая, так как действительная ширина запрещённой зоны германия равна 0,64 Эв, но, приблизительно, её можно принять.
Выводы:
В ходе лабораторной работы были рассчитаны удельное сопротивление и удельная проводимость для Si, Ge, SiC, InSb. Для проводимости этих материалов была построена температурная зависимость ln(𝛾эксп)=𝑓(𝑇-1).
Было проведено сравнение 𝛾эксп с рассчитанной собственной проводимостью 𝛾𝑖, по которому были сделаны выводы о проводимости каждого полупроводника, которые были изучены в ходе работы. Как оказалось, InSb обладает собственной проводимостью, а Ge, Si и SiC – примесной.
Так же было установлено, что для кремния энергия тепловой генерации преобладает над энергией ионизации, поэтому кремний находится на всём диапазоне в зоне истощения примеси, в то время как карбид кремния на всём диапазоне находится в зоне ионизации.
Была рассчитана энергия ионизации примеси для карбида кремния ΔЭпр≈ эВ, а так же было рассчитано значение ширины запрещённой зоны антимонида индия, которое соответственно равно ΔЭ𝐼𝑛𝑆𝑏≈ эВ. А также была рассчитана ширина запрещённой зоны германия по наклону графика. Она составила 0,94 Эв, что несколько больше, чем реальное значение.
Так же в ходе работы было установлено, что на всем диапазоне температур Si находится в зоне истощения примеси, SiC в зоне ионизации примеси, InSb от 00С до 500С в зоне истощения примеси, от 500С до 1450С в зоне собственной проводимости, а Ge в диапазоне 00С до 700С находится в зоне истощения примеси, от 700С до 1450С в зоне собственной электропроводности.