Полупроводниковые материалы (стр. 1 из 5)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Факультет: Электронной техники
Кафедра: Микроэлектроники, электронных приборов и устройств |
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)
"Полупроводниковые материалы"
Харьков 2007
Содержание
Введение
1. Температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей
заряда собственных и примесных полупроводников
1.1 Температурные зависимости концентрации в собственном полупроводнике
1.2 Температурные зависимости концентрации в донорном полупроводнике
1.3 Температурная зависимость подвижности носителей заряда
2. Полупроводниковые материалы Si и Ge
2.1 Основные сведения о кристаллическом строении
2.2 Получение и выращивание монокристаллов
2.3 Метод Чохральского и метод зонной плавки
2.4 Основные физико-химические и электрофизические свойства
2.5 Осаждение эпитаксиальных слоев кремния
2.6 Применение в полупроводниковых приборах и ИС
3. Методы контроля параметров полупроводниковых материалов: проводимости, концентрации, подвижности, ширины запрещенной зоны
3.1 Проводимость полупроводников
3.1.1 Преимущества и недостатки методов исследования проводимости полупроводников
3.2 Определение подвижности
3.2.1 Факторы, определяющие подвижность
3.3 Концентрация собственных носителей
Вывод
Список использованной литературы
Введение
Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов, в частности полупроводниковых. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры. Практика постоянно предъявляет все более жестокие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов, поэтому растет их количество и номенклатура. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч, значительную часть которых составляют полупроводниковые материалы.
К полупроводникам относится большое количество веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, при введении которых изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости.
Особенно бурное развитие переживает полупроводниковая электроника в последние четыре десятилетия. Массовое применение полупроводников вызвало коренное преобразование в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры.
1 Температурные зависимости концентрации, подвижностей носителей заряда собственных и примесных полупроводников
1.1 Температурные зависимости концентрации в собственном полупроводнике
В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные. Собственный полупроводник – это полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примеси.
Примесный полупроводник – это полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяется примесями. Примеси, обусловливающие преимущественно электронную проводимость, называют донорами, а дырочную – акцепторами.
В случае Ge и Si примесями первого вида служат элементы V группы (с большей валентностью): As, P, Sb.
В собственном полупроводнике уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны
. Следовательно 
; 
. (1.1)Тогда
. (1.2)Из полученных выражений следует, что равновесная концентрация носителей заряда в собственных полупроводниках определяется шириной запрещенной зоны и температурой. Для графического изображения температурной зависимости ni выражение (1.1) удобно представить в виде
ln ni=
(1.3)Произведение
слабо зависит от температуры. Поэтому зависимость lnni от 
близка к линейной, причем наклон прямой линии характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника 
.Рассмотрим примесный полупроводник.
Рисунок 1.1 – График зависимости ln n от 1/T для примесного полупроводника
В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на рисунке 1.1. Проанализируем его:
а) NД1 – малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1–4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку, наклон прямой на участке 1–4 характеризует энергию ионизации примесей.
При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4–6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.
При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).
Крутизна кривой определяется шириной запрещенной зоны.
При повышении NД (NД2>NД1) кривые температурной зависимости смещаются вверх.
1.2 Температурные зависимости концентрации в донорном полупроводнике
Донорный полупроводник характеризуется электронной проводимостью. Для него выполняется соотношение
>>pn0. Положение уровня Ферми в полупроводниках n – типа при различных температурах имеет вид, представленный на рисунке 1.2. 
Рисунок 1.2 – Положение уровня Ферми в полупроводниках n – типа
При этом наблюдаются следующие закономерности:
а) в области низких температур (kT<
) 
;при Т=0К
б) в области средних температур (в области истощения примесей)
(1.4)в) вобласти высоких температур (в области перехода к собственной проводимости)
(1.5)Зная положение уровня Ферми в зависимости от температуры можно получить зависимость концентрации основных носителей от температуры.
В области низких температур
(1.6)В области истощения примесей
. Зависимость концентрации основных носителей от температуры представлена на рисунке 1.3. 
Рисунок 1.3 – График зависимости концентрации основных носителей от температуры
В области низких температур (0 – Т1) возрастание концентрации электронов связано с переходом электронов в зону проводимости с донорных уровней (происходит ионизация примесных атомов). При этом возрастание концентрации электронов характеризуется смещением уровня Ферми на рис ближе к дну зоны проводимости.
Температурный интервал Т1 – Т2 называется областью истощения примеси;
Т1 – нижней температурной границей истощения примеси, T2 – верхней температурной границей истощения примеси. В этом интервале n=Nd. Концентрация же неосновных носителей в этом интервале резко возрастает, что вытекает из закона действующих масс:
; 
; 
(1.7)Процесс характеризуется смещением уровня Ферми от дна зоны проводимости к валентной зоне. В области температур Т>Т2 увеличение концентрации свободных электронов происходит за счет перехода их из валентной зоны в зону проводимости (происходит ионизация атомов основного вещества). При этом уровень Ферми располагается, как и в собственном полупроводнике, посередине запрещенной зоны. С увеличением концентрации примеси участка кривых, соответствующие примесной проводимости, смещаются вверх, что следует из формулы (1.6). Кроме того, с увеличением
уменьшается расстояние между примесными атомами, что приводит к более сильному взаимодействию электронных оболочек примесных атомов и расщеплению дискретных энергетических уровней в примесные зоны. Соответственно уменьшается энергия ионизации примесей 
. При достаточно большой концентрации доноров ( 
) их энергия ионизации обращается в нуль, так как образовавшаяся примесная зона перекрывается зоной проводимости. Такой полупроводник является вырожденным. Концентрация электронов в вырожденном полупроводнике n – типа постоянна во всем диапазоне примесной проводимости. Вырожденный полупроводник способен проводить электрический ток даже при очень низких температурах. Перечисленные свойства роднят вырожденные полупроводники с металлами. Поэтому их иногда называют полуметаллами.