МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТИПА ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА
Учебно-методическое пособие
Составители:
Л.Н. Владимирова,
В.И. Петраков, И.В. Коняев
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2019
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………... 4
1. Теоретическая часть…………………………………………………… 5
1.1. Полупроводниковые материалы, их классификация………. 5
1.2. Тип проводимости полупроводника………………………… 7
1.3. Методы определения типа проводимости полупроводников
18
1.3.1. Термоэлектрический метод…………………………. 18
1.3.2. Метод вольтамперной характеристики контакта
металл-полупроводник……………………………………...
20
2. Практическая часть……………………………………………………. 27
2.1. Измерительная установка…………………………………….. 27
2.2. Методика измерений…………………………………………. 27
3. Контрольные вопросы………………………………………………… 29
Библиографический список……………………………………………... 30
3
Стр.3
К химическим соединениям в первую очередь отнесем соединения с
общей формулой А4В4 (SiC, SiGe …), А3В5 (InSb, GaAs, GaP ..,). А2В6
(ZnO, PbS, …) и др. К твердым растворам можно отнести такие AxB1-xC и
ACyD1-y (например, GaAsP2).
Твердые растворы и соединения значительно расширяют диапазон
электрофизических параметров полупроводниковых материалов.
Из приведенных выше данных по электропроводности материалов
видно, что резкого изменения в величине удельного сопротивления при
переходе от одного класса веществ к другому не существует. На рис. 1
приведена зонная энергетическая диаграмма металлов, полупроводников и
диэлектриков, из которой видно, что у металлов отсутствует запрещенная
зона. У проводниковых материалов, к которым относятся металлы, зона
проводимости и валентная зона либо смыкаются, либо перекрываются.
Для полупроводников и диэлектриков зонная диаграмма отражает их
принципиальное качественное сходство, поскольку с точки зрения зонной
теории различие между ними заключается лишь в количественном значении
ширины запрещенной зоны. К диэлектрикам условно относят материалы с
∆E> 8 эВ, а у большинства полупроводниковых материалов ∆E< 4 эВ.
Рис.1. Зонные структуры различных веществ:
а) полупроводника, б) диэлектрика, в) металла
Е– ширина запрещённой зоны; ЕF – уровень Ферми.
6
Стр.6
1.2 Тип проводимости полупроводника
Все наиболее значимые для применения в микроэлектронике свойства
полупроводников связаны с их кристаллохимическим строением. Отметим
самую важную их особенность – все они имеют кристаллическую решетку,
чаще всего алмазоподобного типа, а также ковалентную связь.
Рассмотрим механизм проводимости типичного элементарного
полупроводника – кремния (Si). Распределение электронов по состояниям в
атоме кремния следующее:
Si 1 2 2 3 3pspss
14
2
2
6
2
2
Наивысшая валентность кремния, находящегося в IV группе
Периодической системы, равна четырем.
При образовании кристаллической решетки кремния в результате
полной гибридизации электронных 3s и 3p облаков (рис.2) каждый атом
кремния участвует в формировании четырех одинаковых ковалентных
(парноэлектронных) связей.
Рис. 2. Гибридизация одной s- и трех р-орбиталей:
слева – 4 исходные орбитали, справа – 4 гибридные sp3-орбитали
7
Стр.7
Схематически кристаллическая решетка Si с ковалентным типом
связи представлена на рис.3а. Здесь в узле решетки находится атом
кремния, которому принадлежат четыре валентных электрона,
изображенные на рис.3 черными точками.
В целом система, представленная на рис.3а, электронейтральна. Если
поместить ее в электрической поле, то электрический ток в ней не
возникнет, так как все связи в решетке жестко направлены и насыщены, а
свободные носители заряда отсутствуют.
а
б
Рис. 3. Двумерное схематическое расположение связей в решетке кремния
(собственный полупроводник)
Допустим, что под воздействием каких-либо возмущений произошел
разрыв валентной связи, в результате чего электрон стал свободным. Из-за
разрыва связи и ухода электрона в этом месте сосредоточился
нескомпенсированный положительный заряд. Такая незавершенная
валентная связь получила название дырки.
Такая незавершенная валентная связь может быть компенсирована
электроном, перешедшим от соседнего атома кремния из-за разрыва одной
8
Стр.8
из четырех его валентных связей, в результате чего дырка появляется у
отдавшего свой электрон соседнего атома. Следовательно, дырка будет
перемещаться по кристаллу путем последовательного перемещения
электрона от атома к атому.
Однако в целом система остается электронейтральной, так как
каждому образовавшемуся из-за разрыва связи положительному заряду –
дырке соответствует свободный, перемещающийся по кристаллу электрон.
На рис.3б свободные электроны и дырки изображены соответственно
черными и светлыми точками.
Полупроводник, в котором в результате разрыва валентных
связей образуется равное количество свободных электронов и
незавершенных связей – дырок, называется собственным, т.е. это
полупроводник, практически не имеющий примесей. Такие электроннодырочные
пары в нем образуются под действием внешних воздействий,
например, под действием температуры.
Процесс образования электронно-дырочных пар называется
генерацией, а обратный ему процесс возвращения электрона из зоны
проводимости в валентную зону называется процессом рекомбинации
носителей заряда.
Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы,
являющейся носителем заряда, до ее рекомбинации называют временем
жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни, –
диффузионной длиной.
Так как время жизни каждого из носителей различно, то для
однозначной характеристики полупроводника под временем жизни чаще
всего понимают среднее (среднестатистическое) время жизни носителей
9
Стр.9
заряда, а под диффузионной длиной – среднее расстояние, которое
проходит носитель заряда за среднее время жизни.
Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны
между собой соотношениями
;
,
где
,
,
– диффузионная длина электронов и дырок;
– время жизни электронов и дырок;
– коэффициенты диффузии электронов и дырок (плотность
потоков носителей зарядов при единичном градиенте их концентраций).
Среднее время жизни носителей заряда численно определяется как
промежуток времени, в течение которого концентрация носителей заряда,
введенных тем или иным способом в полупроводник, уменьшится в е раз
(е≈2,7).
Если в полупроводнике создать электрическое поле напряженностью
Е, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, т.е. дырки и
электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях
причем дырки – в направлении, совпадающем с направлением
электрического поля. Возникнут два встречно направленных потока
носителей заряда, создающих токи, плотности которых равны
jnдр=ennμnE;
jpдр=enpμpE,
где e –заряд носителя заряда (электрона);
10
Стр.10