Собственная проводимость полупроводников

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

по курсу «Материаловедение: электротехнические материалы»

для студентов специальностей

140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106

очной, очно-заочной, заочной форм обучения

Нижний Новгород 2008

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 им. Р.Е. Алексеева;

сост.: А.В. Богатырева, Е.А. Флаксман - Н. Новгород.2008. - 30с.

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...2008. Формат 60х84^I /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

им. Р.Е. Алексеева, 2008

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:

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 А^mBⁿ, 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 ₂^V B ₃^VI;

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). 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 : .