ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
по курсу «Материаловедение»
для студентов специальностей
140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106
очной, очно-заочной, заочной форм обучения
Нижний Новгород 2007
Составители: А.В. Богатырева, Е.А. Флаксман
УДК 621.313
Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур: методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106 очной, очно-заочной, заочной форм обучения / НГТУ; сост.: А.В. Богатырева, Е.А. Флаксман - Н. Новгород.2007. - 18с.
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...2007. Формат 60х84I /16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л.. Уч.-изд. л.. Тираж 300 экз. Заказ.
___________________________________
Нижегородский государственный технический университет.
Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул.Минина, 24.
© Нижегородский государственный
технический университет, 2007
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 на
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 АmBn, 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 А 2V B 3VI;
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). Таким образом, 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 :
. 1)