Курсовая работа (т): Исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

Исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

Содержание

Введение

1. Основные электрофизические свойства полупроводниковых материалов

1.1 Основы зонной теории твердого тела

1.2 Энергетические зоны полупроводников

1.3 Генерация и рекомбинация носителей заряда

1.4 Собственные полупроводники

1.5 Примесные полупроводники

1.6 Определение удельного сопротивления полупроводников

1.7 Температурная зависимость электропроводности полупроводников

1.8 Фотопроводимость

1.9 Определение толщины диффузионного слоя

1.10 Определение толщины окисного слоя

2. Физические основы наноэлектроники

2.1 Физические основы наноструктур

2.2 Квантовые основы наноэлектроники

2.3 Методы и средства изучения свойств наноструктур

2.5 Применение наноструктур

3. Экспериментальное исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

3.1 Измерение удельного сопротивления четырехзондовым методом и определение типа электропроводности

3.1 Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников

2.2 Изучение фотопроводимости полупроводников

2.3 Измерение толщины диффузионного слоя методом шарового шлифа

2.4 Измерение толщины окисного слоя визуальным цветовым методом контроля наблюдения цвета пленки

2.5 Оценочные расчеты теоретического предела минимального размера изображения при различных видах литографии

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

С момента изобретения первого транзистора появилась и начала развиваться интегральная электроника, которая базировалась на планарно-эпитаксиальной технологии производства полупроводниковых приборов, началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. С введением примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер её температурной зависимости.

Микроэлектроника является перспективной областью физики, но процесс миниатюризации микросхем достиг физических пределов. Дальнейшее развитие электроники возможно на базе принципиально новых фихических и технологических идей.

Перед микроэлектроникой стоят проблемы повышения степени интеграции, уменьшения потребляемой мощности и размеров разрабатываемых ИС, быстродействия, высокой чувствительности, технологии изготовления ИС, поэтому важно знать физические ограничения, связанные с процессами их изготовления.

Предел микроэлектроники, а так же тенденция к уменьшению размеров приборных структур являлись переходом к новой области науки и техники, формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники - наноэлектронике.

Содержание наноэлектроники определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур, их электронные и оптические свойства. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации.

Цель данной работы: изучение физических свойств полупроводниковых материалов, изучение физических основ наноэлектроники, исследование электрофизических свойств полупроводниковых материалов, проведение оценочных расчетов теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при литографии.

Предметом исследования данной работы были выбраны: температурная зависимость удельной проводимости, температурная зависимость сопротивления полупроводников, зависимость электропроводности полупроводников от напряженности электрического поля, тип электропроводности, толщина диффузионного слоя, толщина окисного слоя эпитаксиальных структур.

Объектами исследования были выбраны: эпитаксиальные структуры, терморезисторы ММт-8, КМТ-12, фоторезисторы типа ФСК-1.

Задача исследования состояла в глубоком изучении теоретического материала, посвященного наиболее важным объемным свойствам полупроводников, и наиболее распространенным методам измерения основных физических параметров и характеристик полупроводниковых материалов и приборов.

Так же были сформированы экспериментальные задачи: определение удельного сопротивления четырехзондовым методом эпитаксиальной структуры, исследование физических свойств, характеристик и параметров терморезисторов, исследование вольтамперных характеристик фоторезисторов, определение толщины диффузионного слоя методом шарового шлифа, определение толщины окисного слоя методом наблюдения цвета пленки.

Методы исследования, используемые в работе: анализ научной литературы по исследуемой проблеме, физический эксперимент, выработка методики определения величин, компьютерная обработка результатов экспериментов.

Данная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложения.

Во введении отражена актуальность исследования свойств полупроводниковых материалов, широко применяемых для изготовления современных полупроводниковых приборов, поставлены цели и задачи исследования, определен его предмет и объект.

В I главе отражены основные электрофизические свойства полупроводниковых материалов, необходимые для рассмотрения электрофизических параметров полупроводников, представлен необходимый теоретический материал, на котором основывается исследовательская часть работы.

Во II главе рассматриваются физические основы наноэлектроники, как физического продолжения микроэлектроники. Рассмотрены физические основы наноструктур, квантовые основы наноэлектроники, методы и средства изучения свойств наноструктур.

В III главе проведен ряд экспериментов, отражены результаты измерений зависимости электрофизических параметров полупроводниковых приборов, изучаемых в работе и выводы по экспериментальной части.

В заключении раскрыта значимость проведенных исследований полупроводниковых материалов для более полного понимания сути физических явлений и технологии изготовления полупроводниковых приборов.

1. Основные электрофизические свойства полупроводниковых материалов

В первом приближении полупроводники выделяют из других веществ по значению удельного электрического сопротивления . Считают, что удельное сопротивление металлов менее 10^-4 Ом * см, полупроводников - в диапазоне от 10^-3 до 10⁹ Ом*см, диэлектриков - более 10¹⁰ Ом*см. Что касается полупроводников и металлов, то главное различие между ними заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников - падает.

Из числа полупроводников наиболее подходящим для изготовления интегральных схем оказался кремний.

К полупроводникам относится большое количество веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельного сопротивления проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры и освещения, приложение электрического и магнитного полей, внешнего давления и т.д.). В отличие от металлов полупроводники имеют в широком интервале температур отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.

Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, даже в малых количествах присутствующих в кристалле. При введении примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости. В этом также состоит качественное отличие полупроводников от металлов, в которых примеси, независимо от их природы, всегда снижают проводимость, не оказывая существенного влияния на характер температурной зависимости.

1.1 Основы зонной теории твердого тела

На основании квантовой теории электрон обладает как световыми частицами, так и свойствами волны. Для электрона вводились волновой вектор, энергетический уровень. Для атома водорода было решено уравнение Шредингера, в результате чего получено, что энергетический уровень электрона дискретный. Для электрона введены 4 квантовых числа. Для нас наиболее важным является спиновое.

Принцип запрета Паули: на одном энергетическом уровне не могут находиться 2 электрона с одинаковым набором квантового числа. Чаще атомы являются связанными в молекулы. За счёт перекрытия электронных оболочек атомов, происходит расщепление энергетических уровней. На одном уровне , на втором - ,.

Учет взаимодействия электронов между собой и ядрами приводит к более сложным уравнениям Шредингера. При рассмотрении кристаллической решётки каждый энергетический уровень расщепляется на n подуровней.

В твёрдом теле говорят не об энергетических уровнях, а о зонах.

Рис. 1.1.1 Расщепление атомного энергетического уровня в системе связанных атомов.

полупроводниковый материал наноэлектроника физический

1.2 Энергетические зоны полупроводников

Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной полной энергией или занимает определенный энергетический уровень.

В твердом теле благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле (рис. 1.2.1). Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешенной зоной. Электроны в твердом теле могут иметь энергии, соответствующие разрешенной зоне. Верхний энергетический уровень разрешенной зоны называют потолком, нижний - дном.

Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.

От взаимного расположения валентной зоны и зоны проводимости и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твердых тел. Между разрешенными зонами находятся запрещенные зоны, т.е. области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Для полупроводников наибольшее значение имеет запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости. Она характеризуется шириной запрещенной зоны АЭ, т.е. разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Энергетические диаграммы на рис.1.2.1 построены для энергии электрона. Когда энергия электрона увеличивается, электрон занимает более высокое положение в зонной диаграмме. Если же говорить об увеличении энергии дырки, то это будет соответствовать, очевидно, продвижению дырки вглубь валентной зоны. Энергия электрона и дырки измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Ширина запрещенной зоны равна

 (1.2.1)

где  - соответственно энергетические уровни для зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Рис. 1.2.1 Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

На рисунке 1.2.2 показаны основные параметры зонных диаграмм полупроводников для температуры, отличной от абсолютного нуля. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:

 (1.2.2)

Где

Т - абсолютная температура,

.

Энергию, соответствующую середине зоны, называют электростатическим потенциалом проводника

 (1.2.3)

Рис. 1.2.2 Значения энергий в зонной диаграмме для собственного (а), электронного (б), дырочного (в) полупроводников;  - уровень Ферми

Приведенные выше качественные соображения относительно примесных полупроводников могут быть проиллюстрированы еще раз качественно на зонных диаграммах. Электрические уровни примесей показаны на зонных диаграммах + (положительно заряженные ионы-доноры) и - (отрицательно заряженные ионы-акцепторы), рис. 1.2.3.

Рис. 1.2.3 Схематическое атомистическое изображение и зонная диаграмма примесных полупроводников: n-типа (а), p-типа (б) (1 - ионы доноров: 2 - ионы акцепторов; "-" - электроны; "+" - дырки)

В полупроводнике одновременно присутствуют электроны и дырки, порожденные двумя причинами:

) возбуждением собственного полупроводника  и  2) возбуждением донорных и (или) акцепторных примесей. При этом полные концентрации носителей заряда для примесного полупроводника будут  и  (донорный);  и n (акцепторный); при полной ионизации примесей  - количеству доноров, а  т.е. количеству акцепторов. Обычно вследствие малой энергии возбуждения эти величины значительно выше собственных концентраций, т.е.  и  концентрации основных носителей определяются выражениями  (на самом деле , но ) для донорного полупроводника и  для акцепторного полупроводника.