Анализ температурных зависимостей полупроводников

Министерство образования РФ

ВлГУ

Кафедра КТРЭС

Лабораторная работа №6

Анализ температурных зависимостей полупроводников

Выполнил:

студент гр. РЭ-100

Проверил:

Владимир 2002

Лабораторное задание:

Температурные зависимости двух контактов металл-полупроводник с различными типами проводимости (n и p тип) пересекаются в трёх точках. Металл в обоих случаях одинаковый (A_ВЫХме<A_ВЫХпп).  Нарисовать зонную диаграмму в переходной области и за её пределами. Качественно оценить типы контактов – проводящие или непроводящие. Привести качественное истолкование процессов в переходной области и за её пределами.

Выполнение:

Температурные зависимости двух контактов металл-полупроводник с различными типами проводимости (n и p тип) пересекаются в трёх точках. Такой случай показан на рисунке 1.

 

Рисунок 1

Зависимость с полупроводника от температуры

На рисунке 1 температурные зависимости двух контактов металл-полупроводник с  типами проводимости n и p  пересекаются в трёх точках. В области 1 происходит  увеличение низких температур. При этом энергия носителей в примесной зоне значительно меньше kT (E₁<kT), примесные уровни полностью заполнены. При дальнейшем увеличении температуры энергия носителей возрастает и приближается к значению kT. При этом наблюдается переход носителей с примесных уровней в зону проводимости.  Следствием этого процесса является увеличение величины удельной проводимости. Она определяется по формуле:

(1)

где σ – удельная электропроводность;

σ₁ – удельная электропроводность обусловленная переходом носителей из валентной зоны в зону проводимости;

σ₂ – удельная электропроводность обусловленная переходом носителей из примесной зоны в зону проводимости;

ΔW₁ – энергия активации примеси;

ΔW – энергия ширины запрещённой зоны;

k – коэффициент Больцмана;

T – термодинамическая температура.

При температуре Т₃ у обоих контактов наступает истощение донорных уровней, все носители заряда на донорном уровне перешли в валентную зону. У функциональных зависимостей 1 и 2 наблюдаются разные углы наклона к оси абсцисс (Рисунок 1). Здесь наблюдаются различные энергии активации примесей у данных материалов. Угол наклона графика 1 больше угла наклона графика 2. Угол наклона графика прямо пропорционален тангенсу этого угла и обратно пропорционален энергии активации примеси. Следовательно, т.к. у первого графика угол наклона больше, чем у второго, то энергии активации примеси первого графика сравнительно меньше, чем у второго. Тангенсу угла наклона графика в области 3 соответствует составляющая  формулы 1.

Область 2 на рисунке 1 обусловлена полной ионизацией примесных уровней. Т.к. примесные уровни истощены, то изменений в удельной проводимости не наблюдается в интервале температур от Т₃ до Т₂ (Т₁).    

При достижении температуры Т₂ энергия носителей заряда в валентной зоне доходит до значения энергии ширины запрещённой зоны. Проводимость на данном этапе переходит в собственную и резко возрастает при дальнейшем увеличении температуры. Такой момент у приведенных материалов происходит при различных значениях температуры.  Это является следствием различия  ширины запрещённых зон полупроводников. У первого образца ширина запрещённой зоны мала по сравнению со вторым, т.к. угол наклона графика удельной проводимости к оси абсцисс прямо пропорционален тангенсу этого угла и обратно пропорционален энергии ширины запрещённой зоны. У второго графика угол наклона меньше, значит, энергия ширины запрещённой зоны у этого образца больше, поэтому переход носителей в данной ситуации осуществляется при большей температуре. Тангенсу угла наклона графика в области 1 соответствует составляющая  формулы 1.

По условию лабораторной работы металл в обоих случаях одинаковый и его работа выхода электронов меньше работы выхода электронов полупроводника: A_ВЫХме<A_ВЫХпп. При контакте металл-полупроводник в соединениях такого рода наблюдается искривление энергетических зон в приконтактной области полупроводника. Внутреннее поле, которое возникает при таком контакте, не проникает в металл в следствие его высокой теплопроводности. В приконтактной области зонная диаграмма имеет разные виды для полупроводников разного типа проводимости (Рисунок 2,3).

			W2

 

Рисунок 2

Контакт металл-полупроводник n типа для случая  A_ВЫХме<A_ВЫХпп

			W1

 

Рисунок 3

Контакт металл-полупроводник p типа для случая  A_ВЫХме<A_ВЫХпп

При контактеметалл-полупроводник n типа для случая  A_ВЫХме<A_ВЫХпп (Рисунок 2) электроны из металла выходят в больших количествах чем из полупроводника. Под действием градиента концентрации часть электронов из металла диффундирует в приконтактную область  полупроводника, в связи с чем там создаётся повышенная концентрация электронов. В полупроводнике n типа за счёт большей энергии активации и большей ширины запрещённой зоны выход электронов имеет невысокое значение, поэтому из полупроводника n типа они почти не попадают в металл. В свою очередь в приконтактной области в металле наблюдается малая концентрация электронов. Этот приконтактный слой в переходной области обеднён носителями заряда и имеет высокое сопротивление, в частности за счёт большей энергии активации и большей ширины запрещённой зоны. Возникает внутреннее электрическое поле E_ВНУТ. Значит, такой контакт обладает вентильными свойствами и при введении внешнего поля или разности потенциалов он будет либо пропускать, либо ограничивать протекающий через него ток. Это выпрямляющий контакт.   

При контактеметалл-полупроводник p типа для случая  A_ВЫХме<A_ВЫХпп (Рисунок 3) электроны из металла выходят в больших количествах чем из полупроводника. Кроме того, выход электронов из полупроводника усиливается за счёт меньшей энергии активации и меньшей ширины запрещённой зоны. Под действием градиента концентрации часть электронов диффундирует в приконтактную область  полупроводника, в связи с чем там наблюдается повышение  концентрации электронов. Запирающего слоя не будет, т.к. в обоих преграничных областях будет наблюдаться повышенное содержание электронов, они будут обогащёнными. Удельное сопротивление переходного слоя будет малым. При введении внешнего электрического поля ток через такой контакт будет протекать в обоих направлениях. Следовательно, этот контакт не обладает вентильными свойствами и не является выпрямляющим.   

Контакт металл-полупроводник n типа является выпрямляющим контактом, т.к. вентильным свойствам такого контакта способствует  большая энергия активации примесей и большая ширина запрещённой зоны в полупроводнике n типа, т.к. ограниченный выход электронов способствует установлению односторонней проводимости (Рисунок 1 график 2).

Контакт металл-полупроводник p типа является невыпрямляющим контактом, т.к. отсутствию вентильных свойств такого контакта способствует  меньшая энергия активации примесей и меньшая ширина запрещённой зоны в полупроводнике p типа, т.к. большой выход электронов способствует установлению двусторонней проводимости (Рисунок 1 график 1).