Определение времени жизни носителей заряда в полупроводниках методом модуляции проводимости

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра конструирования и технологии электронно- вычислительных средств

УТВЕРЖДАЮ

Первый проректор –

проректор по учебной работе

____________ Е.А. Кудряшов

«___» ___________ 2012 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ МЕТОДОМ МОДУЛЯЦИИ ПРОВОДИМОСТИ

Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Физические основы микроэлектроники»

для студентов специальности 210202.65 и направления подготовки бакалавров 210200.62

Курск 2012

УДК 621.382

Составители: А.В. Кочура, В.В. Умрихин

Рецензент

Доктор физико-математических наук, профессор А.П. Кузьменко

Определение времени жизни носителей заряда в полупроводниках методом модуляции проводимости: методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Физические основы микроэлектроники» / Юго-Зап. гос. ун-т.; сост.: А. В. Кочура, В. В. Умрихин. Курск, 2012. 8 с.: ил. 3, Библиогр.: с. 8.

Содержатся методические рекомендации по экспериментальному определению одного из основных параметров полупроводника - времени жизни носителей заряда методом модуляции проводимости.

Указывается порядок выполнения лабораторной работы.

Методические указания соответствуют требованиям программы, утвержденной учебно-методическим объединением по специальностям автоматики и электроники (УМО АЭ).

Предназначены для студентов специальности 210202.65 и направления подготовки бакалавров 210200.62.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать. Формат 60 84 1/16.

Усл. печ. л.. Уч.-изд. л.. Тираж 30 экз. Заказ. Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методику определения времени жизни носителей заряда в полупроводниках методом модуляции проводимости.

2. Неравновесные носители зарядов в

полупроводниках

Свободными носителями зарядов в полупроводнике являются электроны и дырки, участвующие в электропроводности. Возникновение свободных носителей заряда связано с ионизацией атомов, образующих кристаллическую решетку полупроводника. В условиях теплового равновесия скорость возникновения (генерации) свободных носителей равна скорости их исчезновения (рекомбинации). Концентрация носителей заряда, соответствующая тепловому равновесию, называется равновесной.

Под действием света, ионизирующих излучений или сильных электромагнитных полей концентрация свободных носителей в полупроводнике может превышать равновесную. Эту избыточную над равновесной концентрацию носителей заряда называют неравновесной. После прекращения воздействия неравновесная концентрация уменьшается (стремится к равновесной) из-за преобладания процесса рекомбинации. Если неравновесная концентрация мала в сравнении с равновесной, то скорость уменьшения пропорциональна этой неравновесной концентрации

, (2.1)

где 1 / (t) - вероятность рекомбинации носителей заряда за 1 с. Знак "минус" указывает на уменьшение концентрации во времени.

Интегрирование выражения (2.1) дает

, (2.2)

где D n₀ - концентрация неравновесных носителей после прекращения внешнего воздействия.

Параметр t называют временем жизни неравновесных носителей заряда. Время жизни характеризует скорость рекомбинации неравновесных носителей и определяется как время, в течение которого их концентрация уменьшается в е = 2,72 раз. Для одного и того же материала величина t может изменяться в довольно широких пределах (обычно от 10 ^-2 до 10 ^-9 с) в зависимости от концентрации примесей, наличия дефектов, состояния поверхности проводника.

Время жизни влияет на ряд характеристик материалов и приборов, изготовленных на их основе, например, на величину обратных токов в p-n- переходах и инерционность. Зависимость обратного тока от времени жизни неосновных носителей гиперболическая, т.е. с уменьшением времени жизни обратный ток перехода растет. Соотношение, определяющее предельную частоту работы диода:

(2.3)

показывает, что для разработки безинерционных приборов требуется полупроводниковый материал с малым временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Основной задачей данной работы является измерение времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда в полупроводнике.

3. Метод модуляции проводимости

Существует несколько методов измерения времени жизни неравновесных носителей заряда - световые и импульсные. Из импульсных методов наиболее распространенным является метод модуляции проводимости. В этом методе используется явление измерения сопротивления модуляции базовой области p-n-перехода или точечного контакта металл-полупроводник при введении неосновных носителей.

Носители вводятся в базовую область через p-n-переход посредством импульса прямого тока. Сопротивление базовой области в результате этого уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на образце (рис.3.1). Через некоторое время достигается стационарное значение падения напряжения, соответствующее стационарной неравновесной концентрации.

После окончания первого импульса число неравновесных носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации, что приводит к увеличению сопротивления образца.

Спустя некоторое время t_зад к образцу прикладывается второй импульс тока. Если время задержки t_зад £ t, то амплитуда напряжения импульса на образце под действием второго импульса тока будет меньше, чем под действием первого, т.к. не все неравновесные носители успевают рекомбинировать. Зависимость разности амплитуд от времени задержки дается выражением

, (3.1)

где С - соответствует D n₀ в (2.2).

Рис.3.1. Импульсы прямого тока (а) и соответствующие им

импульсы падения напряжения на образце (b)

Логарифмируя выражение (2.1), получим уравнение прямой, наклон которой в координатах определяет время жизни:

. (3.2)

Таким образом, для нахождения t необходимо построить график зависимости и определить ее наклон (рис.3.2).

Рис.3.2. Зависимость логарифма разности амплитуды импульсов

падения напряжения от времени задержки.

4. Описание установки

Функциональная схема установки для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда методом модуляции проводимости показана на рис.4.1.

Рис.4.1. Схема установки для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда методом модуляции проводимости.

Сдвоенные прямоугольные импульсы с выхода генератора через сопротивление R подаются на объект исследования D. В качестве объекта исследования в работе используются полупроводниковые диоды. На экране осциллографа наблюдаем падение напряжения на диоде. Осциллограф синхронизирован с генератором импульсов.

5. Порядок выполнения работы

1. Соберите схему установки согласно рис.4.1, при этом:

- выход генератора Г5-60 через приставку подключите на вход осциллографа;

- вход "синхронизация осциллографа" подключите к выходу " V₀ " генератора.

2. Установите органы управления на приборах в следующие положения:

Г5 - 60

- режим работы - " ";

- "период T mS " - " 000199 ";

- "временной сдвиг D1 mS " - " 000020 ";

- "временной сдвиг D2 mS " - " 000020 ";

- "переключатель множитель" - " X1 ";

- тумблер " " - " ";

- переключатели "длительность mS " - " 9 + 0,9 x " 1 ";

- переключатели "режим работы" - " " " 1 ";

- переключатели "амплитуда V " - " 1 " + " 8 " + " 0 ";

- переключатели "база смещения" - " 0 " + " 0 " + " 2 ";

С1 - 72

- "вольт/дел" - " 0,2 ";

- "время/дел" - " 10 mS ";

- "синхронизация" - " ".

3. Включите генератор и осциллограф и после прогрева приборов приступайте к работе. В работе исследуются германевый (D7D) и кремниевый (D223) диоды.

4. Получить на экране осциллографа картину как на рис.2.1(б). Длительность инжектирующего импульса выбрать так, чтобы наблюдалось насыщение падения напряжения на образце U₁, а время задержки t_зад > 3t (в этом случае U₁ = U₂).

5. Уменьшая t_зад, получить зависимость для предложенных образцов. Результаты занести в таблицу.

6. Построить графики .

7. По наклону линейной зависимости определить время жизни.

6. Контрольные вопросы

1. Как показать на зонной диаграмме полупроводника процессы генерации и рекомбинации?

2. С чем может быть связано появление неравновесных носителей заряда в полупроводнике?

3. Что называется временем жизни неравновесных носителей заряда? Каков физический смысл этого параметра?

4. Какие факторы и почему влияют на время жизни носителей заряда в полупроводнике?

5. Как определяется время жизни в данной работе?

6. Объяснить зависимость обратного тока p-n-перехода от времени жизни неосновных носителей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Епифанов Г.Н. Физические основы микроэлектроники. М.: Советское радио, 1971. 375 с.

2. Епифанов Г.Н. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. 288с.

3. Дулин В.Н. Электронные приборы. М.: Энергия, 1977. 424 с.

4. Смит З. Полупроводники. М.: Мир, 1982. 560 с.

5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1991. 351 с.

Дата добавления: 2015-07-08