Курсовая работа: Полупроводниковые материалы

При использовании четырехкомпонентных твердых растворов типа AxB1-xCyD1-y возникают дополнительные степени свободы для варьирования параметрами сопрягаемых материалов. Наиболее интересными и изученными являются твердые растворы GaxIn1-xAs1-yPy , в которых имеет место замещение по обеим подрешеткам при сохранении общей стехиометрии, т.е. равенство суммарных количеств атомов металла и металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого раствора можно рассматривать четыре бинарных соединения: GaP, InP, GaAs, InAs.

Особый интерес представляют твердые растворы GaxIn1-xAs1-yPy с изопериодическим замещением к InP. В зависимости от состава их ΔЕ0 может изменяться в пределах от 0,75 до 1,35 эВ. Инжекционные лазеры на основе гетёропары InP – GaxIn1-xAs1-yPy перспективны для применения в ВОЛС, поскольку спектральный диапазон их излучения соответствует минимальным оптическим потерям кварцевого волокна.

2.8 Применение соединений АIIIВV

Особый интерес к этой группе материалов вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе соединений АIIIВV характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение.

Большой набор значений ΔЕ0 у полупроводников типа АIIIВV позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы. GaAs является одним из лучших материалов для применения в солнечных батареях. InSb используется для изготовления приемников ИК – излучения, обладающих фоточувствительностью вплоть до x =7 мкм.

Соединения АIIIВV позволяя создавать эффективные фотоумножители, работающие на основе внешнего фотоэффекта, фотокатоды и эмиттеры вторичных электронов. Например, фотокатоды из GaAs р-типа, активированного пленкой СsО2 для снижения работы выхода электронов, обладает квантовым выходом в ближней ИК-области спектра на несколько порядков выше, чем у фотокатодов из традиционных материалов.

Токовая неустойчивость в сильных электрических полях используется для создания генераторов СВЧ - колебаний, генераторов Ганна. Кроме GaAs, перспективными материалами являются InP, InAs и твердые растворы на их основе.

GaAs и InSb применяются для изготовления туннельных диодов.

InSb и InAs благодаря высоким значениям подвижности носителей заряда используют для изготовления магниторезисторов и преобразователей Холла.

InSb и InP используют для изготовления тензометров.

GaAs широко применяется для изготовления полевых транзисторов в быстродействующих ИС.

2.9 Арсенид галлия GaAs

Наиболее эффективной акцепторной примесью в GaAs является Zn с ΔЕ0=0,08 эВ, предел растворимости Zn в GaAs равен 1026м'3. Наиболее эффективным донором является Se, ΔЕ0=0,008 эВ, предел растворимости - 1027м3. Высокоомный GaAs получают легированием никелем или хромом. Сопротивление возрастает в присутствии О2, что объясняется компенсацией доноров и акцепторов.

Арсенид галлия выпускается в виде монокристаллических слитков четырех марок: АГЭ, АГЭТ, АГДЦ и АГП (А и Г - арсенид галлия, Э и Д - электронного и дырочного типов, Т и Ц - легирующий элемент - теллур и цинк, П - полуизолирующий). Две цифры, обычно стоящие после буквенного обозначения, указывают: первая - номинальную концентрацию носителей заряда, а вторая является показателем степени десятичного порядка этой величины (например, в обозначении АГЭ - 4 – 15 цифры указывают концентрацию, равную 4*1015см-3).

Арсенид галлия n-типа, легированный селеном, применяется для изготовления туннельных импульсных диодов.

2.10 Фосфид галлия

GaP имеет рабочий температурный предел, равный 1000 °С. На GaP изготовляют фотодиоды с красным и оранжевым свечением. Фосфид галлия представляет собой монокристаллические слитки или дендритные пластины и выпускается шести марок: ФГЭТ - К/10, ФГЭТ - 0/20, ФГЭТ - 3/50, ФГЭТК - К/30, ФГДЦ - 3 и ФГДЦК - К. Буквы в числителе дроби обозначают: ФГ - фосфид галлия, Т, Ц и К - легирующие примеси (Те, Zn, O2), буква после дефиса - цвет свечения материала (К - красный, О - оранжевый, 3 - зеленый), а цифра в знаменателе - минимальную яркость свечения (кд/м2).

3 ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

3.1 Что такое подвижность

Подвижность носителей заряда - это отношение скорости направленного движения носителей заряда в веществе под действием электрического поля к напряженности этого поля.

1) В газе подвижность ионов и электронов обратно пропорциональна давлению газа, массе частиц и их средней скорости; подвижность электронов в несколько тысяч раз превосходит подвижность ионов.

2) В твердом теле подвижности электронов проводимости и дырок зависят от процессов их рассеяния на дефектах и колебаниях решетки.

3) В растворах подвижность ионов определяется формулой

U = Fu,

где F - постоянная Фарадея,

u - скорость движения иона (в см/с)

при напряженности электрического поля 1 В/см; она зависит от природы иона, а также от температуры, диэлектрической проницаемости, вязкости и концентрации раствора.

3.2 Некоторые свойства подвижности носителей заряда

На подвижность носителей заряда в основном влияют два физических фактора:

·  хаотические тепловые колебания атомов кристаллической решетки (рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки),

·  электрические поля ионизированных примесей (рассеяние на ионах примесей).

При больших температурах преобладает рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки.

Поэтому с увеличением температуры в этом диапазоне температурная подвижность носителей уменьшается (рис.63, 64)

В диапазоне малых температур с повышением температуры уменьшаются тепловые скорости хаотического движения носителей заряда, что приводит к увеличению времени пребывания носителя вблизи иона примеси, т.е. увеличивается длительность воздействия электрического поля иона примеси на носитель заряда. Поэтому в диапазоне малых температур с уменьшением температуры подвижность носителей также уменьшается (рис.64).

При увеличении концентрации примесей увеличивается и рассеяние на ионах примесей, т.е. уменьшается подвижность носителей заряда. Однако в диапазоне высоких температур преобладающим механизмом рассеяния носителей даже при большой концентрации примесей остается рассеяние на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки, и соответственно кривые температурной зависимости подвижности носителей заряда в диапазоне высоких температур практически не смещаются с увеличением концентрации примесей.

3.3 Измерение подвижности носителей заряда

3.3.1 Метод тока Холла

Эффект Холла можно исследовать не только с помощью традиционного измерения ЭДС Холла, но также с помощью определения тока Холла. Метод тока Холла был предложен и впервые реализован советскими учеными В. Н. Добровольским и Ю. И. Гриценко. Этот метод основан на измерении электрического тока, возникающего в образце при отклонении носителей заряда силой Лоренца, который по аналогии с электрическим полем Холла называют током Холла.

Как было отмечено в § 2.2, токовые металлические контакты закорачивают ЭДС Холла. По этой причине в приконтактной области образца магнитная составляющая силы, действующая на носители заряда, не компенсируется силой холловского электрического поля, и носители заряда перемещаются под некоторым углом относительно продольного электрического поля. Электрическое поле Холла полностью закорачивается контактами у концов образца, имеет максимальное значение в его средней части. Электрический ток, наоборот, максимален у концов образца и минимален в его середине, так как поле Холла действует на носители заряда в направлении, противоположном силе Лоренца, уменьшая поперечную составляющую тока. Очевидно, что чем короче образец, тем сильнее шунтирующее действие токовых электродов. Для очень короткого образца холловское поле полностью закорочено и носители заряда перемещаются под действием силы Лоренца под углом Холла относительно внешнего электрического поля. Закорачивание поля Холла металлическими электродами лежит в основе зависимости ЭДС и тока Холла от соотношения геометрических размеров образца и определяет эффект геометрического магнитосопротивления.

Рис. 3.1 – Модель полупроводникового образца

Проведем расчет тока Холла. Пусть прямоугольный полупроводниковый образец р-типа с омическими контактами на торцевых гранях помещен в магнитное поле с индукцией В (рис. 3.1). Размеры образца вдоль осей х, у и z обозначим соответственно а, Ь и w; координаты граней образца: х = ± а/2;
 у = ± b/2; z = ± w/2. Магнитное поле направлено вдоль оси z; по образцу течет ток IХ,

Составляющая плотности тока jy является функцией координат x, y и в однородном образце не зависит от z. Пусть

Тогда плотность тока в образце

Ограничимся приближением для слабого магнитного поля rμрВ « 1. Условия (3.1) означают, что электрическое поле в образце безвихревое, поток носителей заряда постоянен и объемный заряд отсутствует. Вычислив rot rot=j, получим Δj = 0. Таким образом, задача нахождения j сводится к решению уравнения Лапласа Aj = O; применительно к составляющей плотности тока вдоль оси y

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6