Зонная структура полупроводников

Исследование характеристических параметров полупроводников

Лабораторные работы

Важной частью курса “Физические основы микроэлектроники” является лабораторный цикл.

Целью выполнения лабораторных работ является: закрепление полученных теоретических знаний дисциплины, ознакомление на практике с физическими явлениями и эффектами, поведением термодинамических систем в различных состояниях; изучение свойств полупроводников, контактов и структур; приобретение навыков научных исследований в области физико-химических процессов, протекающих при производстве и эксплуатации электронной аппаратуры в микроэлектронном исполнении.

Для успешного выполнения лабораторных работ студент должен обладать знаниями математики и физики, а кроме того ознакомиться с теоретическим материалом по теме работ, изложенном в настоящем пособии. Студент должен так же ознакомиться с приборами, входящими в лабораторную установку и получить от преподавателя допуск к выполнению работы.

В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны записывать экспериментальные и расчетные материалы в черновик отчета. После окончания работы, полученные данные представляются преподавателю, после чего каждым студентом оформляется индивидуальный отчет, сопровождаемый краткими выводами, включающими анализ полученных результатов. Отчет должен содержать анализ точности проведенных измерений, абсолютные и относительные погрешности измерений.

Следующим этапом является подготовка к защите и защита лабораторной работы. Во время защиты студент должен отвечать аргументировано и точно на контрольные вопросы описания лабораторной работы. Для точных ответов необходимо использовать литературу, приведенную в конце описания.

Цель работы: экспериментальное определение ширины запрещенной зоны (E_g) и энергии активации носителей заряда (Δ E) примесного полупроводника на основании измерений температурной зависимости электропроводности, графическое построение энергетических диаграмм, ознакомление с методами определения типа проводимости полупроводников.

Известно, что электроны в атоме имеют дискретные энергетические уровни. Когда атомы соединяются, чтобы сформировать твердое тело, эти разрешенные энергетические состояния расщепляются в близко расположенные уровни. В случае объединения большого числа атомов эти энергетические уровни образуют достаточно непрерывные зоны разрешенной энергии, которую может иметь электрон. Именно эти энергетические зоны определяют электрические свойства твердого тела.

Диаграмма энергетических уровней атома показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Энергетические уровни отдельного атома

Такова система уровней для единственного изолированного атома натрия. В том случае, когда два одинаковых атома соединяются, появляется раздвоение энергетических уровней (рис. 2.2).

Число энергетических уровней в каждом атоме не изменяется, но уровни в каждом атоме слегка изменяются.

Величина расщепления энергетических уровней в атомах зависит от того, как близко атомы расположены друг от друга, когда они формируют твердое тело. По мере того, как атомы сближаются, расщепление увеличивается.

Рис. 2.2. Диаграмма энергетических уровней двух одинаковых атомов, находящихся близко друг от друга

Расщепление 1S и 2S уровней восьми атомов показано на рис. 2.3.

Расщепленные уровни образуют группы уровней, названные зонами. Зоны имеют практически непрерывные энергетические состояния.

Например, если кристалл имеет около 10⁹ атомов, то при типичной ширине зоны ~эВ энергетический зазор между двумя соседними уровнями составляет всего лишь 10^-9 эВ. Валентная зона – это группа состояний, содержащая валентные электроны атомов твердого тела. Энергетический зазор, непосредственно примыкающий к валентной зоне, называется запрещенной зоной, потому что электроны не могут существовать в кристалле с такими энергиями. Зона разрешенных энергетических состояний непосредственно выше запрещенной зоны называется зоной проводимости. Если валентная зона принадлежит всему кристаллу как целому, то внутренние зоны или более нижние зоны не принадлежат всем атомам, и поэтому они не являются важными в формировании электрических свойств твердого тела. Так же как валентные электроны определяют химические свойства атомов, так валентная зона и зоны непосредственно выше валентной определяют электрические свойства твердого тела.

Рис. 2.3. Расщепление энергетических уровней

Полупроводники отличаются от других твердых тел тем, что при низких температурах их валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пустая и отделена энергетическим зазором в несколько электрон-вольт, причем ширина запрещенной зоны полупроводника меньше ширины запрещенной зоны изолятора (E_д.п < E_д.з). Полностью заполненная зона не может дать вклад в электропроводность, поскольку электроны не могут накапливать энергию, а пустая зона проводимости не содержит носителей тока и также не может дать вклад в электропроводность. Итак, именно зонная структура полупроводников определяет их специфические электрофизические свойства. Для олова Е_g = 0,08 эВ, кремния – 1,2 эВ, алмаза – 5,6 эВ.

Дата добавления: 2017-02-01