Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Студента 2-го курсу ЕПС-15-1 групи напряму підготовки 6.050802.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
О
Факультет:
Електронні пристрої і системи
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2016
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Матеріали електронної техніки
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Харківський національний університет радіоелектроніки
Мікроелектроніка, електронні прилади та пристрої
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
(РОБОТА)
з дисципліни _________________«Матеріали електронної техніки»____________________
на тему:
Студента 2-го курсу ЕПС-15-1 групи напряму підготовки 6.050802.
Електронні пристрої та системи
Евтушенко Б.В.
Керівник Бабиченко О. Ю.
Національна шкала _______________
Кількість балів: ___Оцінка: ECTS___
Члени комісії __________ Бабиченко О. Ю.
(підпис)
__________ ______________
(підпис)
__________ ______________
(підпис)
м. Харків-2016 рік
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра Мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв
Дисципліна: Матеріали електронної техніки
Напрям: Електронна техніка Курс 2-й Група ЕПС-15-1 Семестр 3-й
ЗАВДАННЯ
на курсовий проект
Євтушенка Богдана Викторовича
1.Тема проекту:_________________________________________
2. Строк здачі закінченої роботи «5» січня 2016р.
3. Зміст розрахунково-пояснювальної записки
3.1. Розглянути сутність процесів, що мають місце у матеріалах
3.2. Вивчити конкретну групу матеріалів, засоби їх отримання та очистки, основні фізико-хімічні властивості, маркіровку, області застосування
3.3. Охарактеризувати сучасні методи дослідження матеріалів електронної техніки
3.4. Розв’язати задачу
4. Дата видання завдання:
ПЕРЕЧЕНЬ КОНКРЕТИЗИРОВАННЫХ ВОПРОСОВ, КОТОРЫЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ РАССМОТРЕНЫ СОГЛАСНО С ТЕМОЙ РАБОТЫ
Какие полупроводники называются собственными, примесными? Как объясняется их механизм проводимости? Какие носители являются основными, а какие неосновными?
Какие закономерности в изменении электрофизических свойств соединений АIVBVI известны? Для изготовления какой группы приборов применяются эти соединения?
Описать 2-3 метода измерения жизни носителей зарядов и дать их сравнительную характеристику.
Определить удельное сопротивление полупроводника p-типи. Если концентрация электронов 1021м-3.
Студент ______________
(подпись)
Руководитель_____________ ____________________
(подпись) (фамилия, инициалы)
«___» ____________ 20____
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка: 30 с.; 7 рис.; 1 таблица 5 источников.
Объект исследования – полупроводниковые материалы.
Цель работы – исследовать свойства полупроводниковых материалов физические, электрические, химические.
Метод исследований – теоретический анализ.
В первой части работы были рассмотрены собственные и примесные полупроводники, их механизм проводимости, основные и неосновные носители.
Затем проанализирован закономерности в изменении электрофизических свойств соединений АIVBV.
Рассмотрели методы измерения жизни носителей зарядов и дали их сравнительную характеристику.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОБСТВИННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
1.1 Собственные носители заряда…………………………...………
1.2 Электропроводность……………………………………………...
1.3 Примесная проводимость………………………………………..
7
9
10
2. БИНАРНЫЕ СОЕДЕНИЯ АIVBV………………………………………..
12
3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ
Применение методов………………………………………….
Метод с использованием р - n переходов…………………….
Метод, основанный на использовании подвижного светового зонда…………………………………………………………….
18
18
24
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………....
4. ЗАДАЧА…………………………………………………………………..
27
28
Перечень ссылок…...……………………………………………...
30
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами.
С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер. Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами.
Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (у металлов она уменьшается). Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика (у собственных полупроводников не более 1 эв).
Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
СОБСТВИННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Собственные носители заряда
Свободными носителями заряда в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке 1.1 показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда.
/
Рис. 1.1 диаграмма собственного полупроводника
Отрезки 1-4 характеризует энергию ионизации примеси. Дальнейшее увеличение температуры приводит все электроны примеси в зону проводимости, а для своих валентных электронов энергии еще мало 4-6-область истощения примеси,6-9-область собственной электропроводности.
С увеличением концентрации примеси участки кривых смещаются вверх. Могут возникать уже примесные зоны из-за расщепления дискретных примесных уровней. Чем больше концентрация примеси, тем выше температура их истощения. При достаточно большой концентрации примесей, их энергия ионизации может обратиться в ноль, так как примесная зона будет перекрываться зоной проводимости. Такой полупроводник является вырожденным. Концентрация электронов в таком полупроводнике постоянная во всем диапазоне примесной электропроводимости (участки 3-8-9). Такой полупроводник называется полуметаллом. Температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации носителей.
При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии, появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.
При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на рисунке 1.2.
/
Рис. 1.2. Процессы генерации и рекомбинации в полупроводнике
1.2 Электропроводность
Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки
(1.1)
где n и mn — концентрация и подвижность электронов,
p и mp — концентрация и подвижность дырок.
Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана
(1.2)
то есть при переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, ni = pi , ni + pi = 2ni .
Подвижность носителей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности
(1.3)
Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижность электронов и дырок в некоторых полупроводниках показана в таблице.
Таблица 1.1.- Подвижность электронов и дырок
Полупроводники
Подвижность электронов м2/(В.с)
Подвижность дырок м2/(В.с)
Ge
0.380
0.180
Si
0.135
0.050
GaAs
0.820
0.040
InAs
3.000
0.020
InSb
7.000
0.400
Наибольшая подвижность была обнаружена в антимониде индия InSb и в арсениде индия InAs.
1.3 Примесная проводимость
Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, которые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке 1.3 показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси.
Общее выражение для удельной электрической проводимости полупроводника с примесями можно записать так
(1.4)
где первый член определяет собственную, а второй примесную проводимости.
/
Рис. 1.3. Энергетические диаграммы полупроводников, содержащих донорные – а) и акцепторные – б) примеси
Примеси с энергией являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200–400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников.
Можно получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, глубокими акцепторами полностью компенсировать влияние мелких донорных примесей.
В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс , где собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок.
2 БИНАРНЫЕ СОЕДЕНИЯ АIVBV
Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника. Типичными полупроводниками являются углерод I (С), германий (Gе) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 г. I Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.
Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.
Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в периодической системе Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только четыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обусловливают четыре валентности кремния.
Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи. При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла.
При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. В отличие от проводников, носителями тока в полупроводниках могут быть не только электроны, но и «дырки» -- места на орбите положительно заряженных частиц -- ионов, образовавшихся после потери электрона. Положительный заряд этих частиц стремится захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов. Таким образом, «дырка» путешествует по полупроводнику, переходя от атома к атому. Вместе с ней путешествует и положительный заряд, равный по значению отрицательному заряду электрона. Один и тот же полупроводник может обладать либо электронной, либо дырочной проводимостью. Все зависит от химического состава введенных в него примесей. Так, небольшая добавка в германий примесей, богатых электронами, например мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью, так называемый полупроводник n-типа (от лат. negativus -- отрицательный). Добавка же алюминия, галлия или индия приводит к избытку «дырок» и образованию дырочной проводимости. Такие проводники называются проводниками р-типа (от лат. positivus -- положительный). Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Чистые полупроводники являются объектом главным образом теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых приборов.
Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование. Легирование - это добавление примесей в полупроводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа - пятивалентные -состоят из атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьми. Примеси второго типа трехвалентные - состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий. Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяка (Аs), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка.
Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно, и свободных электронов для поддержания тока. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.
Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например, атомами индия, то атомы разместят свои три валентных электрона среди трёх соседних атомов.
Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторными. При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа. Полупроводниковые материалы n и р-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р – n переходом и обладает очень важным свойством - его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, р – n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости.
Электросопротивление различных полупроводников при комнатной температуре составляет . В отличие от металлов полупроводники, как правило, характеризуются отрицательным температурным коэффициентом удельного электросопротивления.
Электрофизические параметры полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах присутствующих в кристалле. Поэтому концентрация примесей в исходных промышленных полупроводниковых материалах, применяемых для изготовления полупроводниковых приборов, как правило, не превышает, что соответствует содержанию примесных атомов в единице объема полупроводника около . Для большинства практических применений полупроводниковые материалы должны обладать высоким структурным совершенством. В связи с этим их получают и используют в виде монокристаллов.
Технические трудности, связанные с синтезом полупроводниковых материалов высокой степени чистоты и структурного совершенства, явились одной из главных причин того, что длительное время, более 100 лет после открытия (1833 г., М. Фарадей), потенциальные возможности полупроводников не использовались в технике. Лишь значительный прогресс в технологии получения cверхчистых веществ и выращивания полупроводниковых монокристаллов позволил устранить принципиальные барьеры на пути целенаправленного изучения специфических свойств полупроводников и их широкого практического применения.
Классификация полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы по химическому составу и кристаллической структуре подразделяют на неорганические и органические полупроводники. Широкое практическое применение получили неорганические полупроводниковые материалы, к которым относятся кристаллические и аморфные (стеклообразные) полупроводники.
К классу кристаллических полупроводников относятся элементарные полупроводники, а также химические соединения и твердые растворы на основе химических соединений.
Элементарными (или простыми) полупроводниками являются двенадцать элементов периодической системы Д.И. Менделеева:
элементы 3 группы - В (бор);
элементы 4 группы - С (углерод), Si (кремний), Ge (германий), Sn (олово);
элементы 5 группы - Р (фосфор), As (мышьяк), Sb (сурьма);
элементы 6 группы - S (сера), Se (селен), Te (теллур);
элементы 7 группы - J (йод).
В современной микроэлектронике наиболее широкое практическое применение получили Si и Ge, используемые для изготовления транзисторов и других полупроводниковых приборов.
Двойные и тройные полупроводниковые химические соединения. Структурная формула двойных соединений записывается в виде , где индексы m и n представляют номер группы таблицы Менделеева. Полупроводниковые свойства проявляются у тринадцати классов бинарных соединений:
A1B5 (KSb, K3Sb, CsSb, Cs3Sb);
A1B6 (CuO, Cu2O, CuS, Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, AgTe);
A1B7 (CuCl, CuBr, CuJ, AgCl, AgBr, AgJ);
A2B4 (Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Ca2Si, Ca2Sn, Ca2Pb);
A2B5 (ZnSb, CdSb, Mg3Sb2, Zn3As2, Cd3P2, Cd3As2);
A2B6 (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe);
A2B7 (ZnCl2, ZnJ2, CdCl2, CdJ2);
A3B5 (AlP, AlSb, AlAs, GaP, GaSb, GaAs, InP, InSb, InAs);
A5B6 (GaS, GaSe, InS, InSe, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, Te2S);
A4B4 (SiC, SiGe);
A4B6 (GeO2, PbS, PbSe, PbTe, TiO2 , GeTi, SnTe, GeS);
A6B6 (MoO3 ,WO3 );
A8B6 (Fe2O3, NiO).
Широкое практическое применение получили полупроводниковые химические соединения классов A3B5 (GaAs, GaP, InP и др.), A2B6 (CdS, CdSe, ZnO и др.), A4B4 (SiC), A4B6 (PbS, PbSe, TiO2). Например, для изготовления оптоэлектронных приборов применяют твердые растворы замещения на основе бинарных полупроводниковых соединений A3B5, такие как AlxGa1-xAs, GaxIn1-xP, GaxIn1-xSb и другие, где x и 1-x представляют относительное содержание компонентов 3 группы.
3 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ
3.1 Применение методов
Наиболее эффективные методы измерения времени жизни неосновных носителей заряда:
Стационарные методы: метод измерения диффузионной длины, основанный на использовании подвижного светового зонда, а также метод измерения фотоэлектромагнитного эффекта и стационарной проводимости.
Нестационарные методы: импульсный метод затухания фотопроводимости, который используется при измерениях на пластинах и на слитках, а также методы с использованием р - n переходов.
Зная нужное время жизни, можно выбрать определенную технологию изготовления того или иного изделия, например, легирования кремния золотом приводит к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда, а при использовании германия время жизни, наоборот, увеличивается. Следует отметить, что часто важно измерять время жизни в готовом устройстве, а не в материале.
Метод с использованием р - n переходов
При измерении времени жизни носителей заряда в базовых областях p+−n−n+-структур в качестве информативного параметра обычно используют либо длительность фазы высокой обратной проводимости (интервал рассасывания), либо скорость спада после инжекционной ЭДС. В первом случае через структуру пропускают прямоугольные импульсы прямого и обратного токов, регистрируя длительность интервала рассасывания. При этом время перехода тока с прямого на обратный должно быть на порядок меньше самого измеряемого интервала. Во втором случае через структуру пропускают прямоугольный импульс прямого тока и регистрируют спад после инжекционной ЭДС сразу после снятия импульса тока. Использование указанных методик становится проблематичным, если измеряемые времена жизни составляют единицы или десятки наносекунд. Это связано с тем, что при наносекундной коммутации тока в реальных измерительных приборах длительность переходных процессов, обусловленных паразитными параметрами (барьерной емкостью диода, индуктивностью зажимного устройства и т. д.), превосходит измеряемые временные интервалы. Вместе с тем разработка новых ´ типов быстродействующих высоковольтных структур на основе Si и особенно GaAS требует регистрации именно таких величин времен жизни.
/
Рисунок 3.1 – Схематическое изображение -структуры
Схематическое изображение -структуры показано на рисунке 3.1. В качестве информативного параметра будем использовать длительность фазы высокой обратной проводимости (интервал рассасывания). Форма измерительного импульса тока приведена на рис. 3.2. Такая же форма тока используется при стандартных измерениях времени восстановления диодов trr. Вплоть до момента t1 через -структуру проходит импульс прямого тока I, приводящий к установлению стационарного распределения концентрации дырок в базе. В момент t1 начинается линейный спад тока. К моменту t2 ток уменьшается до нуля и начинается интервал рассасывания, который заканчивается в момент обеднения p−p-перехода t3. Очевидно, что при данной форме импульса коммутация тока, во-первых, не является мгновенной и, во-вторых, начало коммутации отстоит от момента измерения на интервал t2−t1. Длительность интервала рассасывания tres = t3−t2 и является исследуемой функцией времени жизни дырок в базе. Таким образом, обоснование метода измерения связано с анализом нестационарной концентрации дырок в базе на этапе линейного спада тока. Движение дырок в базе описывается нестационарным уравнением непрерывности
(3.1)
где p — концентрация дырок, τp и Lp — время жизни и диффузионная длина дырок соответственно.
/
Рисунок 3.2. Форма измерительного импульса тока
Граничные условия задачи могут быть сформулированы из условия односторонней инжекции носителей из p+- и n+-областей в область базы:
(3.2)
(3.3)
В этих выражениях – плотность тока, – заряд электрона, – коэффициент диффузии дырок, – отношение подвижностей электронов и дырок. При выводе граничных условий (3.2) и (3.3) уровень инжекции в базе предполагался высоким. Так как начало процесса измерения выбрано совпадающим с фронтом измерительного импульса тока t = 0 (рис. 2), начальное условие задачи:
(3.4)
Окончание интервала рассасывания соответствует снижению избыточной концентрации дырок у p−n-перехода до нуля: p(0, t3) = 0. Поэтому при анализе уравнения непрерывности нас интересует только нестационарная концентрация дырок у перехода p(0, t). Решение уравнения непрерывности (3.1) с граничными условиями (3.2) и (3.3) и начальным условием (3.4), выполненное посредством преобразования Лапласа, приводит к следующему изображению концентрации дырок у перехода:
23.11.2017 00:11-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора