Зміст (стр. 1 )

Зміст

Вступ	4
Лабораторна робота 1. Визначення типу провідності напівпровідника	5
1	Провідність напівпровідника...............................................	5
2	Теоретичні відомості щодо методів визначення типу провідності.............................................................................	11
3	Схеми вимірювань................................................................	13
4	Методичні вказівки...............................................................	13
5	Хід роботи..............................................................................	14
	Використовуване устаткування............................................	16
	Контрольні запитання...........................................................	16
Лабораторна робота 2. Металографічне дослідження напівпровідників............................................................................	18
1	Дослідження злитків на моно кристалічність....................	19
2	Визначення орієнтації кристалів по фігурам травлення...............................................................................	22
3	Виявлення структурних дефектів кристалу.......................	25
4	Дослідження дефектів в епітаксіальних структурах..............................................................................	30
5	Завдання.................................................................................	39
6	Методичні вказівки...............................................................	47
Прилади..........................................................................................

ВСТУП

Важливу групу фізичних величин, якими характеризуються напівпровідникові матеріали, складають їх електрофізичні параметри. До них відносяться концентрації, рухомості та коефіцієнти дифузії основних і неосновних носіїв заряду, питомий електричний опір, об’ємний та поверхневий час життя нерівноважних носіїв заряду, дифузійна довжина неосновних носіїв заряду (н. н.з), швидкість поверхневої рекомбінації, концентрації донорних і акцепторних домішок, об’ємний генераційний час нерівноважних носіїв заряду, параметри глибоких рівнів.

В залежності від вмісту та типу домішок ці параметри можуть змінюватися в широкому діапазоні. Можливість варіації цих параметрів здебільшого визначає використання напівпровідникових матеріалів для виготовлення напівпровідникових пристроїв і мікросхем з потрібними характеристиками.

Методи вимірювання електрофізичних параметрів є основними методами контролю якості напівпровідникових матеріалів та структур, на основі яких виготовляють різні види напівпровідникових пристроїв і мікросхем, а також складають основу багатьох експериментальних методів дослідження в області фізики напівпровідників.

В якості об’єктів вимірювання використовуються об’ємні зразки, пластини, тонкі шари, напівпровідникові структури з дифузійними, епітаксіальними та іонно-легованими шарами на підкладках того ж і протилежного типу електропровідності, структури метал-напівпровідник, метал-діелектрик-напівпровідник та деякі інші.

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ТИПУ ПРОВІДНОСТІ НАПІВПРОВІДНИКА

Мета роботи: вивчити визначення типу провідності методами термозонду й точково-контактного випрямлення, дослідивши цими методами однорідні зразки та кремнієві структури.

На практиці існує необхідність у визначенні типу провідності напівпровідників, наприклад, на підприємстві, що їх випускає або використовує для виробництва напівпровідникових приладів. Ще приклад. При високотемпературних обробках p – Si з великим питомим опором внаслідок виникнення термодонорів може статися зміна типу провідності. Якщо це станеться з базою n+ – p – p+ структури при її термообробках і вчасно не буде виявлено, то виготовлені p – i – n прилади будуть забраковані.

1. Провідність напівпровідника

Фізичні властивості напівпровідника при даній температурі значною мірою залежать від концентрації в ньому вільних носіїв заряду – електронів та дірок. Бездомішковий напівпровідник, в якому концентрації електронів і дірок рівні (n = p = ni), називається власним, при цьому [1]

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

де Nc, Nv – ефективна густина станів біля краю зони провідності і валентної зони відповідно;

Eg(T) – ширина забороненої зони при температурі Т;

Eg(T0) – ширина забороненої зони при температурі Т0 (Т0 обирається на лінійній ділянці);

– температурний коефіцієнт, що характеризує зміну ширини забороненої зони (для Si. при Т0 = 300 К, Eg (T0) = 1,12 еВ, γ = - 2,7 • 10-4 еВ/К);

k = 1,38 • 10-23 Дж/К – стала Больцмана;

h = 6,625 • 10 -34 Дж•с – стала Планка;

, – ефективна маса густини станів для електронів і дірок відповідно.

Для кремнію:

; (1.5)

де m0 = 9,106•10 -31 кг є маса нерухомого вільного електрона поза напівпровідником.

Питома електропровідність σ власного напівпровідника

, (1.6)

де q – заряд електрона; n, р – концентрація електронів і дірок відповідно; μn, μp – рухомість електронів і дірок відповідно.

У власному напівпровіднику повинні бути відсутні електрично активні центри (домішкові атоми, дефекти). На практиці основним методом надання напівпровідникам необхідних властивостей є навмисне введення в них певних домішок - легування. Назву легуючої домішки прийнято вказувати в дужках після символу речовини розчинника. Так, символ Si (B) означає "кремній, легований бором".

Крім легуючої, в напівпровіднику завжди є випадкові або фонові домішки [10, гл. 14], що потрапляють в злитки, підкладки, епітаксіальні шари на різних стадіях одержання напівпровідникового матеріалу і приладу (на стадії кристалізації – коли з розплаву, збагаченого киснем, при взаємодії розплаву зі стінками кварцевого тигля, кисень потрапляє в кристал; на стадіях різання та шліфовки, травлення, нанесення оксидних і інших діелектричних шарів, термічної обробки і ін.) з вихідного матеріалу, газового середовища, апаратури. Фонові домішки в кремнії – це перш за все кисень, вуглець і різні метали, що швидко дифундують (Cu, Li, Na, та ін.).

У більшості напівпровідникових приладів використовують саме домішкові напівпровідники, одержані шляхом легування.

Розглянемо докладніше домішкову провідність на прикладі кремнію з домішкою елементів п'ятої та третьої груп. Такими елементами в електронній промисловості найчастіше є фосфор і бор. Нехай, в кристалі кремнію атом P заміщує атом Si. Чотири з п'яти електронів зовнішньої оболонки атома Р братимуть участь в утворенні ковалентних зв'язків з чотирма найближчими атомами Si. П'ятий електрон не зможе взяти участь в утворенні зв'язку, бо всі зв'язки заповнені. Проте, він буде під впливом оточуючих атомів Si, внаслідок чого сила і енергія його зв'язку з атомом Р зменшаться в ε, раз (ε - відносна діелектрична проникність; для Si ε = 12). Це значить, що п'ятий електрон атома Р може стати вільним (тобто зробить перехід Ed → Ec в зону провідності рис.1.1,б) при витратах енергії в десятки разів менших, ніж енергія, необхідна для відриву електрона від атома основної речовини (тобто для зона-зонного переходу електрона Ev → Ec: рис. 1.1, а). Ec, Ev, Ed, Ea – енергія дна зони провідності, стелі валентної зони, донорного і акцепторного рівнів відповідно. Таким чином, домішка елементів п'ятої групи легко іонізується, віддаючи електрони; тому її називають донорною. Якщо іонізація атома Si призводить до народження пари електрон – дірка, то іонізація донорного центра створює лише вільний електрон, бо іон Р+ в створенні струму участі не бере.

а б в

Рис. 1.1. Зонна схема генерації вільних носіїв заряду: а) у власному напівпровіднику, б) в донорному, в) в акцепторному напівпровіднику.

Якщо число електронів, що їх постачає донорна домішка, набагато більше тих, що виникають за рахунок іонізації основної речовини (n ≥ ni), то електрони, котрих значно більше, ніж дірок (n ≥ p), називають основними носіями заряду, дірки – неосновними, а сам напівпровідник називають електронним або n-типу. Провідність електронного напівпровідника

(1.7)