Расчет электрофизических параметров арсенида галлия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра приборостроения и наноэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине “Основы микро- и наноэлектроники”

Расчет электрофизических параметров арсенида галлия

Преподаватель __________ В.A. Бахтина

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент РФ18-31Б ______________ В.В. Павленко

группа подпись, дата инициалы, фамилия

Красноярск 2019

Содержание

• Введение
• 1. Арсенид галлия
• 2. Расчет собственной концентрации носителей заряда
• 3. Расчет концентрации основных и неосновных носителей заряда
• 4. Расчет проводимости
• 5. Расчет величины токов
• 6. Построение упрощенной энергетической диаграммы полупроводника
• 7. Построение зависимости энергии Ферми от температуры
• 8. Построение энергии Ферми от концентрации примеси
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение
• Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов, в частности полупроводниковых. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры. Практика постоянно предъявляет все более жестокие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов, поэтому растет их количество и номенклатура. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч, значительную часть которых составляют полупроводниковые материалы.
• 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.). Свойства полупроводников очень сильно зависят от содержания примесей, при введении которых изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости.
• Особенно бурное развитие переживает полупроводниковая электроника в последние четыре десятилетия. Массовое применение полупроводников вызвало коренное преобразование в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило решить задачу микроминиатюризации и интеграции электронной аппаратуры.
• Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход), изготовленный путем соединения полупроводников с разным типом проводимости.
• Целью курсовой работы является ознакомление с основными физическими свойствами и электрическими параметрами полупроводниковых материалов.

1. Арсенид галлия

Арсенид галлия - один из основных полупроводниковых материалов. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Арсенид галлия - один из самых перспективных полупроводниковых материалов, так как ширина запрещенной зоны его превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но еще не очень велика (1,43 эВ). При этом подвижность электронов у него больше, чем у германия и кремния, а подвижность дырок сравнима с таковой для кремния.

Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают арсенид галлия широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

Арсенид галлия имеет зонную структуру, обуславливающую возможность прямых межзонных переходов носителей заряда (прямозонный полупроводник), достаточно широкую запрещённую зону, высокую подвижность электронов. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосходят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450°С) - кремниевые.

По физическим характеристикам GaAs - более хрупкий и менее теплопроводный материал, чем кремний. Подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и примерно впятеро дороже, чем кремниевые, что ограничивает применение этого материала.

Цинк, кадмий, медь являются акцепторами, уровни которых лежат выше потолка валентной зоны 0,08-0,37 эВ. Донорами служат сера, селен, теллур, а также элементы IV группы системы Д. И. Менделеева при малой концентрации, когда они замещают атомы галлия.

При больших концентрациях элементы IV группы становятся нейтральными примесями, так как входят в решетку парами, замещая и атомы Ga и As

Имеет вид тёмно-серых кристаллов, обладающих металлическим блеском и фиолетовым оттенком, температура плавления 1238 °C.

Электронные свойства:

· Ширина запрещённой зоны при 300 K -- 1.424 эВ

· Эффективная масса электронов -- 0.067 me

· Эффективная масса лёгких дырок -- 0.082 me

· Эффективная масса тяжёлых дырок -- 0.45 me

· Подвижность электронов при 300 K -- 8500 смІ/(В·с)

· Подвижность дырок при 300 K -- 400 смІ/(В·с)

GaAs - прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в приборах оптоэлектроники: светодиодах, полупроводниковых лазерах.

2. Расчет собственной концентрации носителей заряда

галлий заряд ток полупроводник

Собственная концентрация определяется по формуле (1):

(1)

= 1,891012 м-3

где T - температура (К), k - постоянная Больцмана, - ширина запрещенной зоны полупроводника (Дж), - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, - эффективная плотность состояний в валентной зоне, определяемые по формулам (2-3):

(2)

= 4,31023 м-3

(3)

= 8,31024 м-3

где и - эффективные массы электрона и дырки (кг), h - постоянная Планка.

3. Расчет концентрации основных и неосновных носителей заряда

Концентрация основных носителей заряда, обусловленных примесью, определяется из формулы (4):

 (4)

где - концентрация атомов донорной или акцепторной примеси, V - объем полупроводника

Концентрацию неосновных носителей можно выразить из закона действующих масс (5):

(5)

= 2,81 106 м-3

4. Расчет проводимости

Удельная проводимость электронного полупроводника рассчитывается по формуле (6):

(6)

где q - заряд электрона, равный (Кл), т - концентрация электронов в заданном объеме, - подвижность дырок в полупроводнике (

5. Расчет величины плотности токов

Расчет величины плотности дрейфового тока

Величину дрейфового тока можно рассчитать по формуле (7):

(7)

где E - напряженность электрического поля (.

(8)

где U - разность потенциалов равная 1,5 В, l - длина полупроводника (расстояние между контактами) (м).

Расчет величины плотности диффузионного тока

Вычислить величину плотности диффузионного тока можно по формуле:

(9)

где grad n - градиент концентрации, - коэффициент диффузии

(10)

Градиент концентрации примем равным концентрации собственных носителей заряда со степенью ниже на порядок.

Таким образом, полный ток, протекающий через полупроводник, складывается из дрейфового и диффузионного токов:

(11)

6. Построение упрощенной энергетической диаграммы полупроводника

Определим уровень Ферми (12):

(12)

где - энергия активации примеси, - энергия валентной зоны (Дж),

- концентрация акцепторной примеси.

Переведем Энергию уровня Ферми в эВ:

Рисунок 1 - Упрощенная зонная диаграмма

7. Построение зависимости энергии Ферми от температуры

Построим зависимость энергии Ферми от температуры (рис. 1):

Рисунок 2 - Зависимость энергии Ферми от температуры

8. Построение энергии ферми от концентрации примеси

Построим зависимость энергии Ферми от концентрации примеси (рис. 2):

Рисунок 3 - Зависимость энергии Ферми от концентрации примеси

Заключение

Произведён расчет электрофизических параметров арсенида галлия: расчет собственной концентрации носителей заряда; расчет концентрации основных и неосновных носителей заряда; расчет проводимости; расчет величин дрейфового и диффузионного тока.

Построена упрощенная энергия диаграмма и найден уровень Ферми для полупроводника, на которой видно, что полупроводник p-типа проводимости. Процесс ионизации атома акцепторной примеси (переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень, сопровождающийся образованием дырки в валентной зоне) показан стрелкой на рисунке 1.

Была построена зависимость энергии Ферми от температуры, по ней мы наглядно увидели, что при увеличении температуры уровень Ферми увеличивается - электроны переходят из валентной зоны на локальные уровни, при этом генерируется большое число дырок в валентной зоне, которые и будут основными носителями. Разница в числе основных и неосновных носителей падает. Таким образом, с ростом температуры примесный полупроводник теряет примесные свойства и по своим свойствам приближается к собственному полупроводнику.

Также построена зависимость энергии Ферми от концентрации основных носителей заряда, по ней мы увидели, что при увеличении концентрации основных носителей заряда уровень Ферми понижается. Следовательно, чем больше акцепторной примеси, тем ближе уровень Ферми к валентной зоне. Таким образом, чем сильнее легирован полупроводник, тем ближе уровень Ферми к зоне, отвечающей за тип проводимости.

Список использованных источников

1. Учебно-методическое пособие. Бахтина В. А., Томилина Н. П., Егоров М. Х., Маринушкин П. С. 2019

2. https://megabook.ru [Электронный ресурс]

3. https://traditio.wiki [Электронный ресурс]

4. https://dic.academic.ru [Электронный ресурс]

Размещено на Allbest.ru