Зміст (стр. 3 )

Ø  Гарячий зонд необхідно з достатнім зусиллям притискати до поверхні напівпровідника, щоб зруйнувати дуже тонкі шари на ній. Наявність таких шарів може привести до помилок у визначенні типу провідності методом термозонду. Наприклад, на поверхні n-Ge інколи виникає інверсний шар, внаслідок чого вимірювання при малому тиску на термозонд або невисокій його температурі можуть дати діркову провідність [12].

Ø  Оскільки термозонд реєструє тип провідності невеликої маси, то ним можна досліджувати різні ділянки зразка. Це дозволяє визначити положення р- n переходів в зразку, ідентифікувати тип провідності не лише на злитках і однорідних пластинах, але й на багатошарових напівпровідникових структурах. Зокрема, можна визначити тип провідності бази, тобто і - шару р- і- n структури, виготовивши на ній косий шліф. Подробиці про це див., наприклад, в [13], де, зокрема, наведено схему, що дозволяє впевнено визначити тип провідності високоомного кремнієвого і - шару з питомим опором декілька кОм·см.

5. Хід роботи

5.1. При визначенні типу провідності кожним методом спочатку зафіксувати напрям струму через гальванометр або вигляд ВАХ, користуючись еталонними пластинами кремнію р- типу, потім n- типу, тобто прокалібрувати апаратуру. І на еталонних, і на досліджуваних напівпровідниках визначення типу провідності робити не менше, ніж у трьох точках зразка.

5.2. Методом термозонду (рис.1.5) визначити тип провідності кремнієвих злитку, пластини, високоомної і низькоомної області дифузійної чи епітаксіальної i-n структури, р- i - n структури; германієвих зразків.

5.3. За напрямком випрямленого струму (рис. 1.6) проробити те ж саме на тих самих зразках.

5.4. За виглядом ВАХ (рис.1.7) зробити те ж саме на тих самих зразках

Рис. 1.5 Схема використовувана при визначенні типу провідності напівпровідника методом термозонду

Рис. 1.6 Схема використовувана при визначенні типу провідності напівпровідника за напрямком струму

Рис. 1.7 Схема використовувана при визначенні типу провідності напівпровідника за виглядом ВАХ

5.5. Зробити висновок, яким методом зручніше досліджувати високоомний (низькоомний) матеріал.

5.6. Обрахувати температуру насичення ТS і температуру Ti переходу від домішкової провідності до власної для n-Sі (легуюча домішка – фосфор, Nd = 1012 та 1016 см-3), а також для р-Si, (легуюча домішка – бор, Nа, = 1012 та 1016 см-3). В розрахунках можна скористатися методом послідовних наближень, взявши як початкові значення ТS = 50 К, Ti = 600 К.

Використовуване устаткування

1.  Стрілочний мікровольтмікроамперметр (М-195/3 або ФН6/2 і т. і.)

2.  Знижувальний трансформатор 220/6 В (для живлення нагрівача зонду та для схем рис. 1.6, 1.7).

3.  Зонди гарячий і холодний.

4.  Потенціометр.

5.  Характериограф (осцилограф С1-72 або аналогічний).

6.  Еталонні пластини і зразки для дослідження (з Ge та Si): злиток, пластина, і-n структура, р-i-n структура.

Контрольні запитання

1.  Засвоїти поняття: власний, домішковий, скомпенсований напівпровідник; донорна, акцепторна, фонова, електрично активна і неактивна домішка; тип провідності, інверсія типу провідності, основні та неосновні носії заряду; температура насичення ТS і температура Ti, переходу від домішкової провідності до власної; провідність електронна, діркова, електронно-діркова.

2.  Сутність методів визначення типу провідності за знаком термоЕРС на основі точково-контактного випрямлення.

3.  Залежність термоЕРС напівпровідника від рівня легування, від температури.

4.  Чи можна, визначити тип провідності зразка р- Si (ρ = 1400 Ом·см) методом термозонду при температурах гарячого зонду 200°С? Чому? Якою повинна бути температура термозонду при дослідженні n- Sі з Nd = 1012 см-3?

5.  Чому і як залежать від температури концентрація вільних носіїв заряду і питома провідність напівпровідника (відповідь супроводити графіками)?

Лабораторна робота №2

Металографічне дослідження напівпровідників.

Мета роботи: дослідити металографічним методом злитки кремнію на моно кристалічність, вивчити дислокації, лінії ковзання, дефекти упаковки (ДУ) різних зразків.

Властивості напівпровідників та напівпровідникових пристроїв суттєвим чином залежать як від домішок, що містяться в матеріалі, так і від його кристалічної структури та її дефектності. Для вивчення вказаної структури у наш час широко використовують електронну мікроскопію, електронографію, рентгенівський метод. Однак не втратив практичної важливості і металографічний метод, який полягає в дослідженні травленої поверхні зразка за допомогою оптичного мікроскопу. Він не потребує дорогого устаткування та тривалої обробки отриманих результатів, простий у виконанні. Далі розглянемо на прикладі кремнію ряд задач, дослідження яких може бути проведено за допомогою металографічного методу.

1. Дослідження злитків на монокристалічність [3]

Штучно вирощені, наприклад, методом Чохральського, злитки зазвичай бувають монокристалами або складаються з двох чи декількох великих кристалів. Чи є злиток моно - чи полікристалом, можна визначити з допомогою його травлення (для кожної речовини склад травника різний). Зазвичай процес травлення кристалу полягає в розчиненні його в ненасиченому розчині травника. В окремих випадках розчиняється не сам напівпровідник, а його оксиди, які утворюються при дії на кристал деяких складових частин травника. Так, при травленні кремнію в травнику, який складається з суміші азотної та плавикової кислот (HNO3+HF), азотна кислота окислює кремній до двоокису кремнію SiO2, який легко розчиняється в плавиковій кислоті.

Підготовка поверхні зразка до травлення та дослідження під мікроскопом полягає в її попередній шліфовці та поліровці: механічним (на спеціальному полірувальному колі) або хімічним способом (з допомогою полірувального травника). Така оброблена поверхня зразка називається шліфом.

У випадку механічної поліровки зразок зі шліфом далі розміщують в повільному травникові. При цьому, якщо злиток монокристал, то після травлення під мікроскопом вся його поверхня буде виглядати абсолютно однорідною. (ділянки поверхні не розрізняються).

Якщо злиток складається з двох або декількох великих кристалів, то після травлення всього злитку ці кристали легко розрізняються оком за світловими відтінками.

Якщо злиток полікристалічний, то на поверхні його шліфа після травлення будуть чітко виявлятися границі зерен, які травляться значно швидше, ніж самі зерна. Під мікроскопом границі зерен спостерігаються у вигляді темної сітки чи ліній (при великому збільшенні). Окремі зерна при цьому можуть мати різні світлові відтінки. Подібна картина спостерігається через те, що зерна, орієнтовані по-різному, виходять на поверхню шліфа різними кристалографічними гранями, характер і швидкість травлення яких відмінні. Ще більш чітко будуть відрізнятися зерна різні за фазовим складом. Вище сказане пояснює чому можливе визначення металографічним методом фазового складу злитка, ступеню його однорідності, кристалічної структури та її дефектності.

Відмітимо, що різна швидкість травлення, тобто різна швидкість розчинення граней кристалу по різним кристалографічним напрямкам при хімічній взаємодії кристалів з розчинником, пояснюється різною щільністю атомів на різних гранях кристалу. У кристалів зі структурою алмазу найбільша щільність упаковки атомів має місце на площині (111), менша – на площинах (100) та (110).

2. Визначення орієнтування кристалів за фігурами травлення.

На характеристики цілого ряду напівпровідникових пристроїв впливає кристалографічний напрямок вихідної монокристалічної заготовки. З точністю до 2-3° орієнтацію кристалу можна визначити металографічним методом фігур травлення (більш точне визначення забезпечує рентгенівський метод, наприклад, метод Брега). Розглянемо суть та реалізацію метода фігур травлення.

Германій, кремній відносяться до кубічної системи кристалів, які мають структуру типу алмаза. Цю структуру можна представити як дві гранецентровані кубічні гратки, зміщені одна відносно одної на ¼ міжатомної відстані по тілесній діагоналі. Число найближчих сусідів для кожного атома – чотири.

На рис. 3.1. показано три найбільш важливих площини (hkl) і напрямки [hkl] для кубічної гратки. Положення площин задані індексами Міллера h, k, l, які обернено пропорційні відрізкам, що відсікає площина на координатних осях.

а б в

Рис. 3.1. Три найбільш важливих площини (hkl) і напрямки [hkl] для кубічної гратки

На відміну від аморфних тіл, швидкість травлення кристалу по різним кристалографічним напрямкам різна. Однак, якщо розчинник сильний, то кристал розчиняється швидко і неможливо відстежити процес розчинення – грані кристалу немов би змиваються конвекційними потоками рідини.

Якщо ж травник слабкий і травити тривалий час, то на гранях кристалу утворюються правильні фігури різної зовнішньої форми – фігури травлення. Їх спостерігають під мікроскопом. В Ge, Si як кристалах з кубічною елементарною граткою, на основних кристалографічних площинах (111), (100), (110) фігури травлення мають вигляд, зображений на рис. 3.2. З рисунка видно, що фігури травлення за формою в певній мірі відповідають перерізам, утвореним відповідними кристалографічними площинами з елементарною граткою. Різноманітність фігур травлення викликана тим, що одна і та ж об’ємна форма фігур травлення в різних проекціях на різних макроскопічних гранях кристалу, де їх спостерігають, виглядають неоднаково.