Determinarea tipului de conductie in semiconductori, a rezistivitatii si dependenta de campul magnetic a acesteia

Determinarea tipului de conductie in semiconductori, a rezistivitatii si dependenta de campul magnetic a acesteia

1. Determinarea tipului de conductie in semiconductor

In semiconductori, in procesul de conductie participa doua tipuri de purtatori: electronii si golurile. Intr-un semiconductor pur (intrinsec) concentratiile celor doua tipuri de purtatori sunt egale.

In semiconductorii extrinseci, datorita impurificarii, concentratia unui tip de purtatori poate fi mai mare cu cateva ordine de marime fata de concentratia celuilalt. Prin impurificarea cu atomi de valenta superioara (donori), concentratia electronilor devine mai mare decat a golurilor (prin ionizarea atomului donor care cedeaza un electron) si semiconductorul este de tip n; prin impurificare cu atomi acceptori (grupa III) concentratia golurilor devine mai mare decat cea a electronilor (atomul acceptor devine ion negativ prin captarea unui electron) si semiconductorul este de tip p.

Determinarea tipului de conductie se poate face prin mai multe metode: (1) metoda termosondei, (2) metoda redresarii, (3) efectul Hall, (4) efectul fotovoltaic, etc.

1.1. Metoda termosondei

Dispozitivul experimental este prezentat in Fig. 1.

Fig. . Structura experimentala a termosondei

Temperatura sondei se mentine la aproximativ 60C. In regiunea de contact cu sonda placuta se va incalzi. Purtatorii de sarcina capata o energie mai mare decat cei din regiunea mai rece si va exista un flux net de purtatori pe directia sonda-placuta. Daca semiconductorul este de tip n, acest curent de particule (electroni) produce in circuitul galvanometrului (nanoampermetru) un curent electric (curentul conventional) cu sensul placuta-sonda. Adica, partea rece se va incarca (datorita difuziei electronilor) negativ iar partea calda se va incarca cu sarcina pozitiva (datorita lipsei de electroni ce au difuzat). Daca semiconductorul este de tip p curentul electric are sensul de la sonda la placuta (partea rece se va incarca pozitiv - datorita difuziei golurilor din zona calda).

2. Determinarea rezistivitatii electrice

Rezistivitatea este o caracteristica de material fundamentala. Determinarea rezistivitatii se face prin masurarea rezistentei unei probe de o geometrie data. De regula, rezistenta unei probe se determina din masurarea caderii de tensiune intre doua puncte ale sale, atunci cand prin proba trece un curent cunoscut. Aceasta metoda se aplica, de regula, la metale. La semiconductori apar doua dificultati principale: (a) caracterul neohmic al contactului intre semiconductor si electrozii metalici si (b) existenta unui gradient de temperatura pe directia curgerii curentului electric. In vederea eliminarii efectelor de contact, masurarea tensiunii trebuie facuta folosind voltmetre cu rezistenta foarte mare (in acest fel curentul de masura fiind nul nu are loc nici redresarea lui) si nu pe aceleasi fire prin care se alimenteaza proba. De aceea se foloseste, in acest caz, metoda celor patru sonde. Prin doua contacte se va injecta curentul de masura iar pe celelalte doua contacte se va masura caderea de tensiune folosind un voltmetru cu rezistenta interna foarte mare. Exista mai multe geometrii de masura in care cele patru sonde pot fi dispuse in linie sau in diferite puncte pe suprafata probei (de exemplu, dispuse in colturile unui patrat).

In aceasta lucrare vom folosi metoda celor patru sonde dispuse in linie. Schematic, structura sistemului de masura este ilustrata in Fig.2.

Fig. . Metoda celor 4 sonde dispuse in linie; h este grosimea probei, 2a lungimea ei iar 2l₁ si 2l₂ sunt distantele dintre contactele de curent respectiv cele de tensiune

Rezistivitatea se calculeaza cu relatia

(1)

In aceasta lucrare, sistemul de masura consta dintr-o placa de achizitie de date ce comanda curentul prin proba si citeste tensiunea dintre contactele 3-4 folosind un amplificator de masura cu impendanta mare de intrare. Datele sunt transferate pe calculator.

3. Studiul efectului magnetorezistiv pe proba semiconductoare.

Dupa cum se stie, la campuri magnetice mici (uzual inductia magnetica aplicata este mai mica de 1T), efectul magnetorezistiv (MR) intr-un material semiconductor se poate exprima cu ajutorul relatiei lui Kohler

(2)

unde, ρ₀ este rezistivitatea materialului in absenta campului magnetic iar unde ρ(B) este rezitivitatea materialului in prezenta unui camp magnetic de inductie B aplicat perpendicular pe current. Se remarca dependenta patratica de B (este effect par) a efectului MR. La campuri magnetice intense acest efect satureaza.

4. Aspecte practice privind efectuarea lucrarii

a)      In aceasta lucrare se folosesc placute de Si. Pentru proba studiata avem 2l₁=9,5 mm, 2l₂=3 mm iar 2a=11 mm

b)      Se determina tipul de semiconductor, n sau p (conform paragrafului 1.1 si Fig.1);

c)      Se determina rezsitivitatea probei din caracteristica U-I. Din datele culese pe calculator se reprezinta grafic U-I. Panta reprezentarii grafice este . Din calculul acesteia si a parametrului de corectie se determina ρ la temperatura camerei.

d)      Se plaseaza proba intre polii unui electromagnet astfel incat campul magnetic sa fie perpendicular pe suprafata ei si deci si pe curent. Se masoara rezistenta probei la B=0 si pentru diverse valori B pana la 0,9 T.

e)      Se reprezinta grafic si . Din panta dreptei se determina coeficientul a din ecuatia 2. Ce concluzii puteti trage din aceasta masuratoare?