Физические основы микроэлектроники. Часть 1. Исследование параметров полупроводников

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 
А. В. Мороз                             В. Е. Филимонов 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
 
Часть I 
 
Исследование параметров полупроводников 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Йошкар-Ола 
ПГТУ 
2024 
 
 

УДК 621.382(075.8) 
ББК  32.844.1я73 
М 80 
 
 
 
Рецензенты: 
доцент кафедры электромеханики Марийского государственного 
университета канд. техн. наук А. И. Орлов; 
доцент кафедры радиотехнических и медико-биологических систем 
Поволжского технологического государственного университета, канд. 
техн. наук С. А. Охотников 
 
 
Печатается по решению 
редакционно-издательского совета ПГТУ 
 
 
Мороз, А. В. 
М 80  
Физические основы микроэлектроники: лабораторный практикум. 
Часть 1: Исследование параметров полупроводников / А. В.  Мороз, 
В. Е. Филимонов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2024. – 60 с. 
ISBN 978-5-8158-2268-9 
 
Представлены основные теоретические сведения, охватывающие свойства и параметры полупроводников. Приведены содержание и порядок выполнения лабораторных работ по дисциплине «Физические основы электроники», посвященные исследованию параметров полупроводников. 
Для студентов радиотехнических специальностей и направлений подготовки. 
 
УДК 621.382(075.8) 
ББК 32.844.1я73 
 
 
 
 
ISBN 978-5-8158-2268-9 
© Мороз А.В., Филимонов В.Е., 2024 
 
© Поволжский технологический 
государственный университет, 2024 
 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие 
.................................................................................................. 5 
Основные сокращения 
.................................................................................. 6 
Введение ........................................................................................................ 7 
Указания по технике безопасности при выполнении 
лабораторных работ 
...................................................................................... 9 
1. Общие требования безопасности........................................................ 
9 
2. Требования безопасности перед началом работы 
........................... 
10 
3. Требования безопасности во время работы 
..................................... 
10 
4. Требования безопасности в аварийных ситуациях ......................... 
11 
5. Требования безопасности по окончании работы ............................ 
11 
Лабораторная работа №1 
Исследование параметров полупроводников 
четырехзондовым методом ......................................................................12 
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 
12 
1.1. Зонная структура полупроводников.............................................. 
12 
1.2. Температурная зависимость электропроводности 
....................... 
15 
1.3. Четырехзондовый метод измерения сопротивления ................... 
21 
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
.................................................................... 
22 
1.4. Четырехзондовая измерительная установка ST2258C ................ 
22 
1.5.  Порядок выполнения работы ........................................................ 
25 
Контрольные вопросы ........................................................................... 
27 
Лабораторная работа № 2 
Исследование полупроводников с помощью эффекта Холла ...........28 
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 
28 
2.1. Магнитные явления в материалах ................................................. 
28 
2.2. Эффект Холла ................................................................................. 
29 
2.3. Связь параметров полупроводника с постоянной Холла ............ 
30 
2.4. Постоянная Холла и температурозависимые 
параметры полупроводника .................................................................. 
33 
3 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
.................................................................... 
36 
2.5. Описание лабораторного стенда.................................................... 
36 
2.6. Ход выполнения работы 
................................................................. 
37 
Контрольные вопросы ........................................................................... 
41 
Лабораторная работа №3 
Исследование полупроводников с помощью термо-ЭДС 
...................43 
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 
43 
3.1. Потенциал Ферми в полупроводниках ......................................... 
43 
3.2. Термоэлектрические явления......................................................... 
45 
3.3. Эффект Зеебека ............................................................................... 
48 
3.4. Связь потенциала Ферми и термо-ЭДС ........................................ 
49 
3.5. Применение эффекта Зеебека (термопары) .................................. 
53 
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
.................................................................... 
55 
3.6. Описание лабораторной установки 
............................................... 
55 
3.7. Ход выполнения работы 
................................................................. 
56 
Контрольные вопросы ........................................................................... 
57 
Заключение 
...................................................................................................58 
Список литературы 
......................................................................................59 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данный лабораторный практикум по курсу «Физические основы микроэлектроники» предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», 11.04.03 
«Конструирование и технология электронных средств», 12.03.04  «Биотехнические системы и технологии»; 11.05.01. – «Радиотехника»; 
27.03.04 – «Управление в технических системах»; 11.04.02 «Информационные технологии и системы связи». 
Настоящее издание охватывает теоретические и практические вопросы, связанные с физическими явлениями, лежащими в основе работы 
современной электронной компонентной базы. 
Данный практикум включает в себя три лабораторных работы, в которых проводится исследование параметров полупроводников посредством различных методов: 
 четырехзондового метода; 
 эффекта Холла; 
 с помощью коэффициента термо-ЭДС. 
Каждая лабораторная работа состоит из двух частей: теоретической и 
практической. 
Теоретическая часть включает всю необходимую студенту научную 
и нормативно-справочную информацию для успешного выполнения и защиты лабораторной работы. 
В практической части представлены описание лабораторной установки, содержание и порядок выполнения работы, требования к содержанию отчета по ней. 
Контрольные вопросы позволяют обучающимся провести самоконтроль усвоения материала по каждой теме и организовать самостоятельную работу по его изучению. 
Настоящий практикум призван помочь студентам усвоить зонную 
структуру материалов (проводников, полупроводников, диэлектриков); 
изучить концентрацию носителей заряда и ее температурную зависимость, 
понятия подвижность, проводимость, длина свободного пробега, эффект 
Холла и возможности его применения на практике, эффекты Зеебека и 
Пельтье и устройства на их основе, метод четырехзондового измерения 
сопротивления; научиться рассчитывать концентрацию носителей заряда в материале, уровень Ферми, ширину запрещенной зоны и энергию 
ионизации примеси, подвижность носителей, проводимость материала, 
постоянную Холла; получить навыки работы на четырехзондовой измерительной установке ST2258C, практического определения численных 
значений основных параметров полупроводника при помощи четырехзондового метода, эффектов Холла и Зеебека. 
5 

Поскольку материал, рассматриваемый в лабораторных работах, 
включает в себя междисциплинарные знания, то полное описание всего 
теоретического материала по этим вопросам в данном издании не представляется возможным, поэтому «продвинутые» и заинтересованные студенты посредством изучения материала из приведенного здесь библиографического списка могут более полно погрузиться в ту или иную тему.  
При выполнении лабораторных работ обучающиеся закрепляют на 
практике теоретические знания, полученные на лекционных занятиях и в 
ходе самостоятельного изучения материала, представленного в рекомендуемых к данному изданию, а также в других источниках.  Сформированные при этом практические навыки исследования полупроводниковых 
свойств различных материалов, несомненно, также пригодятся будущим 
инженерам в профессиональной деятельности. 
 
 
 
 
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
ТП – термопара 
ТЭДС – термоэлектродвижущая сила  
ЭДС – электродвижущая сила 
 
 
 
 
 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Вся современная микроэлектроника является твердотельной, поэтому 
для глубокого понимания работы активных полупроводниковых элементов (диодов, транзисторов, тиристоров) и микросхем знание элементов 
физики твердого тела является необходимым для успешного инженера.  
Современный прогресс связан с увеличением степени интеграции количества компонентов в единице объема микросхемы. С каждым годом мы 
приближаемся к моменту, когда закон Мура (о том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается 
каждые 24 месяца) перестанет выполняться по крайней мере применительно к наиболее применимому в настоящее время материалу – кремнию. 
Уже сейчас идут работы по нахождению материалов, способных заменить кремний. В этом направлении работают физики, химики, технологи. 
О важности данной работы свидетельствует ряд последних достижений, удостоенных Нобелевских премий: 
 за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе (физика, 
2023 г.); 
 за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических 
импульсов (физика, 2018 г.); 
 за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества (физика, 2016 г.); 
 за изобретение эффективных синих светодиодов, приведших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света (физика, 
2014 г.); 
 за открытие и синтез квантовых точек (химия, 2023 г.); 
 за совершенствование литий-ионных аккумуляторов (химия, 2019 г.). 
Все эти достижения не были бы возможны без изучения свойств полупроводников, либо направлены на развитие методов изучения структур 
материалов.  
Целью данного практикума является закрепление теоретических знаний и практическое знакомство с методиками исследования полупроводниковых свойств материалов. 
Фундаментом дисциплины служат основные положения квантовой 
механики, статистической физики, физики твердого тела, контактов и 
физики тонких пленок. Последнее обстоятельство обусловило выбор тем, 
рассмотренных в данном издании. Поскольку профиль обучения студентов, которым оно адресовано, является техническим, необходимо было 
большое внимание уделить практическим заданиям. Здесь они представлены в виде лабораторных работ. 
7