пособие (Учебное пособие к лабораторным работам по курсу)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)Постникова В.Н., Кузнецов С.Н., Каширин Ю.В.Учебное пособие к лабораторным работампо курсу«Материалы электронных средств»МОСКВА 2006 г.2УДК: 621.396.002.3, 621.382.049.77.002.3Учебное пособие к лабораторным работам по курсу «Материалыэлектронных средств»,/ В.Н.Постникова, С.Н.Кузнецов, Ю.В.Каширин Ю.В.– М.: 5– 44 с., 17 ил.Приводится описание лабораторных работ, в которых изучаютсяосновные свойства и параметры диэлектрических, полупроводниковых имагнитных материалов.

Содержатся краткие теоретические сведения.Для студентов радиотехнических специальностей.Рецензенты: Беневоленский С.Б., Хаимов В.З.3ВВЕДЕНИЕСборник лабораторных работ предназначен для проведения занятий покурсам «Химия радиоматериалов и элементная база РЭС», «Элементная базаи материалы РЭС», «Материалы электронных средств», читаемых студентамрадиотехнических специальностей.В основе всех лабораторных работ лежит анализ изменения параметровполупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов взависимости от воздействия на них внешних условий.

В каждуюлабораторную работу включены сведения о параметрах наиболее важныхматериалов и их основные характеристики (с ориентацией прежде всего наприменение в микроэлектронной аппаратуре).Лабораторные работы в полном объеме выполняются студентами всехрадиотехнических специальностей.Целью данных лабораторных занятий является закрепление студентамизнаний, о современных материалах радиоэлектронной техники, получаемыхна лекциях, ознакомление с методикой измерения их основных параметров ихарактеристик и приобретение навыков работы с измерительной техникой исправочными материалами.Авторы выражают благодарность Полякову К.А. за помощь приоформлении рукописи сборника.4Работа №1ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХМАТЕРИАЛОВ.Цель работы: - изучение зависимости удельной электропроводностиполупроводникового материала от температуры.Краткие теоретические сведения.Полупроводники по удельному сопротивлению (ρv = 10-5 –107 Ом*м)занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.При этом они обладают совокупностью специфических свойств, которые ивыделяют их среди других веществ.Для полупроводников характерна сильная зависимость значенияудельной проводимости от вида и количества примеси, от величины внешнихвоздействий – света, температуры, облучения ядерными частицами, давленияи т.д.Согласно зонной теории твердого тела у полупроводников междувалентной зоной и зоной проводимости имеется запрещенная зона.

Притемпературе абсолютного нуля и в отсутствии внешнего воздействия ихвалентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна отэлектронов. К полупроводникам условно относят вещества с ширинойзапрещенной зоны ΔЕ =0,05 – 3 эВ.Собственными называют полупроводники, не содержащие донорныхи акцепторных примесей. Зонная диаграмма таких полупроводниковпредставлена на рис. 1.1.ΔΕЗона проводимостиЗапрещенная зонаВалентная зонаРис. 1.1При Т > 0 , в соответствии с законом Больцмана, валентные электронымогут отрываться от атомов и принимать участие в проводимостиполупроводника, т.е.

переходить из валентной зоны в зону проводимостичерез запрещенную зону. С уходом электрона в зону проводимости ввалентной зоне полупроводника остается свободным энергетическоесостояние, называемое дыркой, а сама валентная зона становится нео5полностью заполненной. Таким образом, в результате разрыва ковалентнойсвязи образуется пара свободных носителей заряда – электрон в зонепроводимости и дырка в валентной зоне, которые и создают собственнуюэлектропроводность полупроводника. Энергия, необходимая для разрываковалентнойсвязи,определяетсяширинойзапрещеннойзоныполупроводника.

Для кремния она составляет 1,12 эВ.Примесные полупроводники в отличии от собственных, содержатдонорные или акцепторные примеси.Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева ввести вкачестве примеси элемент 5-ой группы, например мышьяк (As), то атомупримеси для завершения ковалентных связей с атомами основного веществанеобходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примесисвязан со своим атомом силой кулоновского взаимодействия.

Энергия этойсвязи невелика (0,01 эВ - 0,05 эВ). Так как тепловая энергия при 300оКсоставляет 0,03 эВ, то при комнатной температуре произойдет ионизацияпримесных атомов. Примесь, имеющую валентных электронов больше, чемнеобходимо для завершения связей между ближайшими атомами основноговещества, и в результате этого способную отдавать электроны, называютдонорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником сэлектронной электропроводностью или полупроводником n-типа. Такимобразом, энергетический уровень пятого валентного электрона на зоннойдиаграммерасполагается в запрещенной зоне вблизи дна зоныпроводимости и называется донорным уровнем (рис. 1.2).

Величина ΔЕдхарактеризует энергию, необходимую для возбуждения донорныхэлектронов.ΔΕдЗона проводимостиДонорный уровеньΔΕЗапрещенная зонаВалентная зонаРис. 1.2Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева ввести вкачестве примеси элемент 3-ей группы, например, бор (В), то все тривалентных электрона примесного атома будут участвовать в образованииковалентных связей. При этом одна из четырех связей с ближайшимиатомами основного вещества окажется незавершенной.6Примесь, имеющую валентных электронов меньше, чем этонеобходимо для завершения связей между ближайшими атомами основноговещества, и вследствие этого способную захватить электроны соседнейсвязи, называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью –полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводникомр-типа.Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергияменьшая, чем для разрыва ковалентной связи.

Значит, локальныеэнергетические уровни акцепторной примеси расположены в запрещеннойзоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны. Таким образомэлектроны из валентной зоны переходят на акцепторный уровень (Рис. 1.3).При этом в валентной зоне образуется дырка. Положительно заряженный ион(дырка) может заимствовать электрон от любого соседнего атома, чтоприведет к перемещению дырки по кристаллу. Величина ΔЕа характеризуетэнергию, необходимую для образования «свободной» дырки.Зона проводимостиΔΕΔΕаЗапрещенная зонаВалентная зонаРис. 1.3В таблице 1.1 сведены основныеполупроводниковой технологии.ПримесьПроводимостьДонорнаяАкцепторнаяСобственнаяЭлектроннаяДырочнаяАкцепторный уровеньтерминыиспользуемыевТаблица 1.1Основные носителиПолупроводникзарядаЭлектроны и дыркиСобственныйЭлектроныn - типаДыркиp - типаОсновные параметры полупроводниковых материалов.1.

ΔЕ - ширина запрещенной зоны. Измеряется в электроновольтах ихарактеризует энергию, необходимую на разрыв связей и освобожденияэлектрона. У существующих полупроводников ΔЕ <3 эВ. Так, например, угермания (Ge) ΔЕ = 0,67 эВ, у кремния (Si) ΔЕ = 1,11 эВ.2. ρv - удельное сопротивление и обратная ей величина γ -удельнаяэлектропроводность принадлежат к наиболее часто измеряемым7параметрам в полупроводниковом производстве.

Измерения проводятся накаждой пластине в нескольких точках, что позволяет судить об однородностиматериала. У существующих полупроводников ρv составляет от 10-5 до 10+7Ом*м.3. μ – подвижность носителей заряда. Если концентрацияносителей отражает их количество в единице объема и определяетпроводимость полупроводника, то качество носителей характеризуетсяподвижностью, т.е. скоростью дрейфа в электрическом поленапряженностью 1 В/м:μ = V/E[ м2/(В·с)](1.1)где: V – скорость дрейфа зарядов;Е – напряженность электрического поляПодвижность носителей - важный параметр, определяющийбыстродействие приборов.В технологии полупроводников величина подвижности служиткритерием чистоты и структурного совершенства материала.

Подвижностьизмеряется при температуре жидкого азота (770К), когда "замораживаются"тепловые колебания атомов решетки и величина ее в чистых образцах резко(в 5-10 раз) увеличивается. В менее чистых образцах доля рассеяния напримесях больше, чем в чистых, и поэтому рост подвижности с понижениемтемпературы невелик.С увеличением концентрации легирующей примеси подвижностьпадает, так как ионизированные атомы примеси являются такими жецентрами рассеяния, как и атомы загрязняющих примесей.Произведение подвижности носителей на их концентрацию даетудельную электропроводность:γ = μne(1.2)где: n – концентрация носителей,μ - подвижность носителей,e- заряд электрона.Зависимость γ от температуры.Удельнаяэлектропроводностьполупроводникаопределяетсяконцентрацией и подвижностью свободных носителей заряда, значениякоторых зависят от температуры.

Причем для концентрации свободныхносителей заряда характерна экспоненциальная температурная зависимость,а для подвижности – степенная. Учитывая, что степенная зависимость слабее8экспоненциальной, т.е., иными словами, концентрация носителей зарядовзависит от температуры в большей степени, чем подвижность, то можнозаписать:γ = Αe- ΔΕ / 2ΚΤ(1.3)где: А – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий оттемпературы.К - постоянная Больцмана, К = 8,6*10-5 эВ/К.Т – температура.Эту зависимость удобно анализировать в графическом виде, используякоординаты Аррениуса ln γ = f(1/Τ) , в которых она имеет вид прямой линии.Рис.1.4На рис. 1.4 показаны зависимости ln γ = f(1/Τ) для собственныхполупроводников: германия (Ge), кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs).