работа по дисциплине «Материалы электронной техники» на тему: Полупроводниковые материалы (стр. 3 из 6)
Для выделения очень чистого германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический германий получают обычно зонной плавкой или методом Чохральского.
2.4 Применение германия
Германий — один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей.Германиевые диоды и триоды нашли широкое применение в радиоприемниках и телевизорах, счетно-решающих устройствах и в разнообразной измерительной аппаратуре.Германий применяют и в других первостепенно важных областях современной техники: для измерения низких температур.
Монокристаллический германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряжённость постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8—14 мк. Перспективны для практического использования многие сплавы, в состав которых входят германий, стекла на основе GeO2 и др. соединения германия.
Полупроводник германий нашел применение при решении другой важной проблемы – созданию сверхпроводящих материалов, работающих при температуре жидкого водорода, а не жидкого гелия. Водород, как известно, переходит из газообразного в жидкое состояние при температуре – 252,6°C, или 20,5°К. В начале 70-х годов была получена пленка из сплава германия с ниобием толщиной всего в несколько тысяч атомов. Эта пленка сохраняет сверхпроводимость при температуре 23,2°К и ниже.
2.5 Заменители германия
Более дешевый кремнии и сплавы Ga, In,Se,. Те могут заменить германий в некоторых электронных применениях. Замена металлического германия подложками из стекла в инфракрасных системах не всегда эффективна.
Исследуются возможности использования новых катализаторов для замены германия при получении пластиков. Тенденция к обесцвечиванию пластиков способствует появлению катализаторов на алюминиевой и титановой основе, при этом также снижаются затраты на производство пластиков.
3. Методы измерения удельной проводимости полупроводников
3.1 Проводимость полупроводников
При приложении электрического поля к однородному полупроводнику в последнем протекает электрический ток. Рассмотрим для примера электронный полупроводник (3.1). Плотность тока
определяется концентрацией свободных носителей n , средней дрейфовой скоростью 
и зарядом e :
. (3.1)Средняя скорость дрейфа очень просто связана с параметром, характеризующим рассеяние носителей заряда при их движении в решётке кристалла - средним временем свободного пробега носителей
, напряжённостью электрического поля 
, зарядом и эффективной массой дырки или электрона (3.1):
, (3.2)где m - подвижность.
Таким образом, из (3.1), (3.2) следует
, (3.3)а из закона Ома в дифференциальной форме следует, что величина e×n×m имеет смысл удельной электрической проводимости:
. (3.4)Если имеется полупроводник с обоими типами носителей заряда, то
s = e(nmn + pmp) . (3.5)
При наличии двух типов свободных носителей - электронов и дырок - проводимость σ полупроводника будет определяться суммой электронной σn и дырочной σp компонент проводимости σ=σn+σp. Величина электронной и дырочной компонент в полной проводимости определяется классическим соотношением:
(3.6)где μn и μp - подвижности электронов и дырок соответственно.
Для легированных полупроводников концентрация основных носителей всегда существенно больше, чем концентрация неосновных носителей, поэтому проводимость таких полупроводников будет определяться только компонентой проводимости основных носителей. Так, для полупроводника n-типа
(3.7)Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением:
(3.8)Здесь ρ - удельное сопротивление, обычно измеряемое в единицах [Ом·см]. Для типичных полупроводников, используемых в производстве интегральных схем, величина удельного сопротивления находится в диапазоне ρ = (1 ÷ 10) Ом·см.
В отраслевых стандартах для маркировки полупроводниковых пластин обычно используют следующее сокращенное обозначение типа: КЭФ-4,5. В этих обозначениях первые три буквы обозначают название полупроводника, тип проводимости, наименование легирующей примеси. Цифры после букв означают удельное сопротивление, выраженное во внесистемных единицах, - Ом·см. Например, ГДА-0,2 - германий, дырочного типа проводимости, легированный алюминием, с удельным сопротивлением ρ = 0,2 Ом·см; КЭФ-4,5 - кремний, электронного типа проводимости, легированный фосфором, с удельным сопротивлением ρ = 4,5 Ом·см.
 |
Если полупроводник легирован примесными атомами какого либо одного сорта с малой энергией ионизации (например, атомами B, P, As в Si и Ge ), то приближённо можно считать, что уже при комнатной температуре вся примесь однократно ионизирована, т.е. n » N или p»N, где N - полная концентрация легирующей примеси. И, если известно m , то по s или по r , которые можно непосредственно измерить, определяется N. Концентрация легирующей примеси является очень важным параметром полупроводникового материала. Непосредственно для наиболее важных полупроводниковых материалов (Si, Ge, GaAs) обоих типов N удобно определять по графику Ирвина.(см. рис.3.1.)
Рис.3.1.График Ирвина. Зависимость удельного сопротивления от концентрации легирующей примеси для полупроводников N и P типа проводимости.
Этот график получен экспериментально на основе многочисленных измерений при комнатной температуре подвижности носителей в полупроводниках с известной заранее концентрацией примеси. При небольших концентрациях примеси график даёт хорошее соответствие проводимости и концентрации.
Определяя N, надо иметь ввиду, что это концентрация электрически активной примеси, а не полная концентрация, так как при высоких уровнях легирования эти две концентрации могут отличаться.
3.2 Четырёхзондовый метод
определения проводимости полупроводников
Методы измерения удельного сопротивления могут быть разделены на две группы:
1. Измерения с присоединением к образцу токопроводящих или измерительных контактов.
2. Бесконтактные измерения.
В большинстве случаев в месте контакта измерительного зонда с полупроводником возникает так называемая контактная разность потенциалов, которая оказывает влияние на результаты измерений. В связи с этим, величина сопротивления полупроводника, как правило, не может быть измерена при простом включении его в цепь омметра. Поэтому методика измерения удельного сопротивления должна обеспечивать либо учёт, либо компенсацию этой дополнительной разности потенциалов.
Кроме этого, необходимо учитывать то обстоятельство, что на результаты измерений могут влиять размеры и форма образца. Наиболее распространённым методом определения удельного сопротивления полупроводников (позволяющим учесть вышесказанное) является четырёхзондовый метод. Рассмотрим его применительно к полубесконечному образцу полупроводника, ограниченного плоской поверхностью. На эту поверхность, перпендикулярно к ней, помещают 4 тонких остро заточенных металлических зонда (рис. 3.2). Все четыре зонда расположены на одной прямой. Через внешние зонды 1 и 4 пропускают электрический ток от источника тока ИТ, а между зондами 2 и 3 вольтметром V измеряют разность потенциалов. Зная J14 и U23 , нетрудно найти значение удельного сопротивления. Действительно, в предположении полубесконечности образца каждый зонд создаёт вокруг себя сферическое симметричное поле. В любой точке на поверхности полусферы радиуса r плотность тока, напряжённость поля и потенциал, поэтому, будут [2]
Рисунок 3.2. Расположение зондов на пластине
. (3.9)