109 ~cм Ппми свми могут обладать как неорганические так и органические вещества

Работа добавлена на сайт samzan.net:

11п\п представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком п\п является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у диэлектриков. Удельное электросопротивление п\п изменяется а пределах 10-2 -109 Ω*cм.

П\п-ми св-ми могут обладать как неорганические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические п\п. Неорг п\п делятся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристаллические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на элементарные, химические соединения и твердые растворы. К элементарным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A3B5, A2B6, A4B4, A4B6

П\п яв-ся основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение п\п в микроэлектронике и оптоэлектронике.

Различают примесные и собственные (т.е. беспримесные) п\п. В собственных п\п переход электронов в зону проводимости осуществляется только из ВЗ, поскольку в ЗЗ отсутствуют разрешенные уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком п\п яв-ся электроны в ЗП и дырки в ВЗ. Общее количество носителей в обеих зонах совпадает. Понятие о чистоте материала относительно. В каждом веществе обязательно присутствуют малые количества многих примесей.

Оценка чистоты вещества осуществляется двумя способами: по химическому составу и по физическим свойствам. Первый способ является прямым, а второй - косвенным. При физическом способе о суммарном содержании примесей судят по величине электросопротивления, подвижности носителей тока, диффузионной длине.

Существует большое количество методов глубокой очистки вещества. Как правило, для достижения необходимого предела очистки используются несколько стадий очистки разными методами. Очистив п\п материал, далее его начинают снова "загрязнять", так как основным способом придания п\п-м материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение таких примесей называют легированием, соответствующие примеси - легирующими, а п\п - примесным.

12Легирующие примеси делят на электрически активные и неактивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь зависит от соотношения валентностей примеси и п\п-а. Исходя из этого, лег примеси делятся на:1)неизовалентные, т.е. примеси, валентность кот отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в ЗЗ основного п\п-ка;2)изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых ими атомов п\п-а. В состоянии замещения они не создают разрешенных уровней.

В тех п\п материалах, в кот осн типом хим связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 1017-1020 ат/см3 и редко 1021 ат/см3 В примесных п\п электроны в ЗП и дырки в ВЗ поставляются активными примесями. После введения в п\п электрически активных донорных или акцепторных примесей в его ЗЗ возникают уровни у дна ЗП (вносят доноры) или у потолка ВЗ (вносят акцепторы). Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп периодической системы, число валентных электронов которых отличается от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Ионизация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэтому они определяют в основном электропроводимость п\п-в. Примеси I, II, VI, VII групп пер системы имеют большую эн ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в ЗЗ. Легирование п\п осуществляют для достижения следующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешенных уровней в ЗЗ с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носителей зарядов; изменения ширимы ЗЗ; изменения предельной растворимости другой примеси; изменения межатомных расстояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внутренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.

13Поведение легирующих примесей даже в элементарных по\п-ах не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой атомами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и другими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильного выбора лег примеси, ее концентрации, способа введения. Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в п\п материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и затрудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной материал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.

В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в п\п материале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства п\п-в.

14Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска п\п изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.

Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих п\п источников света. Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.

15По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. Кремний стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки. Элементы IV группы Пер системы, в кот находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4.

Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температура, что обусловлено оптимальным значением ширины ЗЗ;

малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристаллической решетки В настоящее время монокристаллический кремний – это самый совершенный кристаллический материал созданный человеком

Ширина ЗЗ при 300 К, эВ = 1,12 эВ

Собственная концентрация носителей  заряда при 300 К = 1,45*1010 см-3

Диэлектрическая проницаемость=12

Тип кристаллической решетки - алмаз

В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен. В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (~50 А) так называемого естественного оксида. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии имеет высокую химическую активность, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов.

16При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 1011 см-3, углерода не выше 1015 см-3.

Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле  95% атомов кислорода находится в межузельном положении. Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<10000 C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами. Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А  так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.

С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно  изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О2 для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О2 в Si может достигать 1018 см-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.

Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 1016 см-3.

В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О2 например на 2 порядка.

Метод позволяет получать  монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 105 Ом на см. 

17100% монокристаллов Si в настоящее время выращивается с бесдислокационной структурой, важнейшей операцией при этом явл. выращивание в начале процесса монокристалла малого диаметра порядка ~3 мм. В этом случае монокристалл становится бездислокационным через несколько сантиметров после начала процесса выращивания, до нее скорость вытяг. монокр.  уменьшают и происходит разростание монокрист. до треб. диаметра. Исчезновение дислокаций при выращ. такой узкой шейки монокрист. связанно со следующим.

Для получения бездислокацион. кристаллов Si предпочтитель. направления выращивания это напрвления <111> и <100>.

Одной  из наиболее серьезных проблем получения бездислокацион. Si большого диаметра явл. проблема снижения содержания и уменьшения размеров присутствующих в нем микродефектов. Как показывает исследование последних лет именно растовые микродефекты, содержащиеся в пластинах оказывают наибольшее влияние на хар-ки создаваемых интегральных схем в связи с этим, по мере уменьшения топологиских размеров рабочих элементов интеграль. схем требования по допуст. кол-ву дефектов субмикронных размеров на поверхности пласт. сущ. ужесточаются. Основную роль в образовании растовых микродеф. выращ. по методу Чахральского монокристалла играют существен. мододефекты; вакансии между аотмами, а также О2 .

В реальн. условиях уже на достаточно малых расст. от фронта кристализ. в монокристалл. возникает значтельное пересыщение по собств. точечным дефектам. Резкой температурной завис. их равновесной концентра. образующей избыточные неровности собствен. точечные дефекты аннигилировать стенки в качестве которых выступают боковые поверхности слитка и присутст. В обьеме. крупномасштабные  дефекты прежде всего дислокации.

Другим источнтком микродефектов явл. О2 конц. которого в выращ. монокристаллах как правило достаточна для образов. В процессе охлаждения пересыщ. твердого раствора.

Однако несмотря на то что концентрация О2 в кристалл. намного выше концентра. собствен. точечных дефектов. Именно последнее играет ключевую роль в процессах дефектообразования, а связанно это с тем что движущей силой агрегации является не обсол. значение конц. точечных дефектов, а пересыщ. твердого раствора., которое существенно выше для собствен. точечных дефектов из-за резкого уменьшения их равновесных концентраций с уменьшением температуры.

Производимые в настоящее время монокристалл. большого диаметра  явл. монокристаллы вакансионного типа. Поэтому в настоящее время основной задачей явл. разраб. технологии выращ. кристалла не содержащего вокансионные поры.

18Осн объем монокристаллического кремния, потребляемого микроэлектроникой, выращивается  по методу Чохральского

Очищенный поликристаллический кремний помещают во вкладыш из кварцевого стекла, производится вакуумирование рабочей камеры до давления ~10-4 Па и плавление Si. Монокристаллическая затравка приводится в соприкосновение с расплавом и из расплава с высокой скоростью вытягивается кристалл малого диаметра. Эта операция в начале процесса выращивания монокристаллического кремния необходима для уменьшения образования дефектов. Затем скорость подъема затравки снижается, происходит разрастание выращиваемого кристалла до необходимого диаметра. Заканчивается процесс выращивания оттяжкой на конус и отрывом кристалла от остатков расплава. Выращенные  таким образом монокристаллы диаметром до 200 мм. Основным недостатком этого метода является загрязнение монокристаллов кислородом (до 1018 см-3), источником которого является кварцевый вкладыш. Кроме того, наблюдается неоднородность в распределении дефектов и примесей по диаметру и длине слитка.

Для выращивания высокочистых монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим временем жизни носителей заряда применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки

Бестигельная зонная плавка обычно проводится в вакууме, при легировании - в атмосфере водорода, который является газом-носителем. В результате зонной плавки содержание примесей в кремнии уменьшается за счет частичного испарения. Особенно существенна разница в концентрации кислорода (на два порядка).

Этим методом могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному, удельным электросопротивлением (до 105 Ω*см). Скорость выращивания кристаллов таким методом вдвое больше, чем методом Чохральского, однако из-за технических трудностей диаметр кристаллов меньше, чем в методе Чохральского.

19Осн преимущество использования поликремния в технологии ИС - возможность формирования второго и даже третьего слоев, в которых создаются активные и пассивные элементы, и их изоляция от монокристаллической подложки и друг от друга. Применение поликр кремния в технологии изготовления ИС открывает путь к созданию многослойных (трехмерных структур). Возможность получения поликр кремния с различным электросопротивлением, отличающимся на несколько порядков, а также простота технологии сделали его очень перспективным материалом для использования во многих интегральных схемах - с одной стороны, в качестве высоомного материала затворов, нагрузочных резисторов, а с другой - в качестве низкоомного материала межсоединений.

Сопротивление резисторов может изменяться в очень широких пределах. При высоких напряжениях поликремниевые резисторы приобретают нелинейные характеристики. Для обеспечения хорошей линейности необходима мелкозернистая структура пленок.На поликремниевых пленках изготавливают также и диоды Шоттки, хар-ки кот близки к хар-кам диодов с р-n переходом. Поликремниевым эмиттерам присущ высокий коэффициент инжекции. Поликремний используется и при создании туннельных эмиттеров для вертикальных биполярных тр-ов. Однако хар-ки активных приборов, изготовленных на поликремнии
(диодов, тонкопленочных транзисторов), сопоставимы с хар-ами приборов, изготовленных на монокристаллическом материале, только в том случае, когда поликремний подвергают рекристаллизации. На форму ВАХ активных элементов существенно влияют состояния на межзеренной границе. Специфическое свойство высокоомного (>103 Ω*см) поликремния заключается в возможном необратимом понижении его удельного сопротивления на несколько порядков при пропускании импульса; тока высокой плотности (~104 А/см2). Этот эффект можно использовать в схемах ППЗУ, Поликремний применяется В качестве диффузионных источников при создании мелких р-n переходов, для обеспечения невыпрямляющиж контактов к монокристаллическому кремнию.

В структурах КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) поликристаллический кремний играет роль несущей подложки для монокристаллических карманов.

Иногда для изоляции элементов ИС используют V-обраэные канавки. Для получения более гладкой поверхности канавку после окисления
заполняют поликремнием.

Замена монокристаллического кремния на поликристаллический в качестве активного элемента в солнечных батареях позволяет существенно снизить их стоимость, при этом поликристаллический кремний обеспечивает высокий КПД (10-12%).

20Атомная структура п\п-х материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфного состояния. Поликр кремний в этом ряду занимает промежуточное положение. Его хим и физ свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, которые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликр кремния к изменению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в широких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликр кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).

МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и связана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образованию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Именно из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы бип тр-ры на поликремнии. Повышенное рассеяние снижает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных тр-ров. Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нелинейности хар-тик резисторов, изготавливаемых на основе поликр кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение конц носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпенсированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материала п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис

Так как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодолеть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о поликремния можно записать в виде

где σV - электропроводность основной массы зерна.

∆Еbf и ∆Евс - высоты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми ЕF и дну ЗП Еc соответственно; Еv - потолок ВЗ; ∆ЕG  ширина ЗЗ; <а> - размер зерна

21Стандартным методом получения полукр пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пониженном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом - 20 - 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При   повышении   температуры   осаждения более   важную   роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаждающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим способом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает проблемы при проведении последующих технологических операций изготовления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев может привести к понижению пробивных напряжений и повышению туннельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлектриках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев оказывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовленных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми размерами элементов.

В этой связи практический интерес представляют пленки поликристаллического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверхность менее шероховатой.

Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида легирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной имплантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании полупроводниковых приборов.

Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавления в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении легирующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пленок по поверхности пластины.

Сильно легированный фосфором поликремний травится и окисляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния

и уровня легирования зависят химические и физические свойства поликремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты преломления и поглощения.

22Эффективное легирование а-Si:Н открыло интересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фотоэлектрических устройств большой площади. Основными фоточувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторезисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхрешеток.

Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в использовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглощение в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические потери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокристаллического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) экспериментальных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ниже КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генерируются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обусловливают фототек в солнечных элементах. Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось достичь при использовании р-i-n структур.

28мкр Si м.б получен практически на том же оборудовании что и аморфный кремний

Впервые мкр Si получен в 1968. Использовалось водородная плазма и метод хим транспорта.

Наиболее распр. метод – осаждение в плазме тлеющего разряда с использованием высоких частот. При этом исп высокое разбавление моносилана водорордом

В последнее время исп целый ряд др способов.

Метод термического химического  осаждения из газовой фазы

Метод электронно-циклотроонного резонанса

23В неупорядоченных п\п-х дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми..Иоффе сформулировал эмпирическое правило, согласно которому за п\п-е свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное состояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога. Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Однако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материале. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупроводников имеется некая граница между нелокализованными и локализованными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позволяющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства неупорядоченных материалов.

Наибольшее распространение получили представления, основанные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состояния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моделей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.

В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запрещенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, отделяющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энергии между ними - щелью по подвижности.Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состояний довольно узкие и распространяются в ЗЗ на несколько десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины ЗЗ, обязанных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. оборванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов подвижности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в кот одна зона дефектных уровней заменялась двумя или несколькими зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.

М(Е)Все перечисленные модели различным образом отражают структурные особенности неупорядоченных п\п-в, приводящие к появлению локализованных состояний в ЗЗ.

24Наиболее существенным  эффектом, связанным с легированием а-Si:Н, является изменение его проводимости на шесть - десять порядков при контролируемом ведении примесей бора или фосфора.

В настоящее время существует несколько вариантов интерпретации механизма легирования. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что изменение электрических свойств вызывается в основном изменением степени заполнения состояний в щели подвижности. При этом условии электрическая активность вводимых примесей и смещение уровня Ферми под действием добавок пропорциональны величине ND/g(Еf), где ND - концентрация примеси; g(Еf) - плотность состояний на уровне Ферми легируемого образца. Другими словами, механизм легирования связан с тем, что избыточные электроны и дырки примеси заполняют состояния в середине щели подвижности, действуя как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все состояния заполнены, дополнительное легирование приводит к сдвигу уровня Ферми в направлении к зонам. Очевидно, что при фиксированной величине ND величина ∆Ef тем меньше, чем выше исходная плотность состояний на уровне Ферми. В негидрогенезированном а-Si:Н  g(Еf) достигает 1019 -1020 см-3 и в этой связи этот материал не легируется традиционными примесями.

25 Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно, их удаленностью от состояния равновесия, характерного для кристаллов.

В 1977 г. Стэблер и Вронски обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:Н белым светом величина проводимости уменьшается почти на четыре порядка. Все эти изменения являются, однако, обратимыми и после отжига при Т = 150 °С в течение одного часа свойства образца могут быть полностью восстановлены.

Совокупность проведенных на материале исследований свидетельствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами.

При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:Н было обнаружена влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения Uпор, тонкопленочных полевых транзисторов, изготовленных на основе a-Si:Н под действием поля связывается с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе.

Стимулирование работ в этой области непосредственно связано с проблемами практического характера, а именно, с временной и темпера* турной деградациями характеристик приборных структур, изготовленных на основе a-Si:Н.

26 В отличие от монокристаллических полупроводников, у которых различные технологии их синтеза обеспечивают получение сопоставимых свойств, у аморфных полупроводников, в частности у а-Si:Н, наблюдается прямая зависимость между структурными, электрофизическими и термодинамическими свойствами и способом получения. В этой связи для различных практических приложений материала находят распространение различные технологии синтеза а-Si:Н. В настоящее время основными методами получения пленок являются: 1)метод  тлеющего разряда силаносодержащих смесей; 2)химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ); 3)распыление;

Метод тлеющего разряда используется в большинстве промышленных установок. Сущность метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плазме тлеющего разряда до образования активных компонентов с последующим их осаждением на поверхности роста.

Установки, реализующие метод тлеющего разряда, разделяются на две группы в зависимости от способа подачи высокочастотной мощности в плазму: с индуктивной связью и емкостной связью. В подавляющем большинстве случаев используются установки с емкостной связью. Они имеют очевидное преимущество перед индуктивной системой, которое заключается в возможности увеличения размеров электродов И получения образцов большой площади.

Рабочие газы представляют собой смеси силана SiН4 с различными разбавителями: Н2, Аr, Nе, Кr, Хе. Однако наиболее часто используются смеси силана с молекулярным водородом. Это связано с тем, что в данном случае получают материал с лучшими электрофизическими характеристиками. Для легирования бором и фосфором используют диборан В2Н6 и фосфин РН3 соответственно.

Оптимальные условия роста являются индивидуальными и характерными только для конкретной установки.

Основной особенностью промышленных и полупромышленных установок по производству пленок а-Si:Н является наличие последовательно соединенных камер, в каждой из которых получается определенный тип материала.

Метод ХОГФ аналогичен методу получения поликристаллического кремния за тем исключением, что температура подложки не превышает 600 °С. Считается, что основным компонентом, формирующим слой а-Si:Н, является группа SiН2

Наиболее важными технологическими параметрами процесса ХОГФ являются температура газа и подложки, парциальное давление газа. Пленки а-Si:Н полученные этим методом, термически стабильны, однако, как правило, содержат низкую концентрацию водорода, недостаточную для пассивации высокой концентрации оборванных связей. Поэтому метод ХОГФ часто комбинируют с последующей постгидрогенизацией в водородной плазме для уменьшения плотности дефектов в материале.

53Диэл-вещ, плохопроводящие эл ток.

Электропроводность диэле по сравнению с ме очень мала. Их удельное эл сопротивление р > 108-109 Ωсм. Осн эл свойством диэл явл способность к поляризации, в них возможно существование электростатического поля.К диэл относят вещества, у которых ширина ЗЗ Ем > 3 эВ. Эл-ны под действием обычных эле-х полей преодолеть ее не могут. Действие эл поля сводится к перераспределению электронной плотности, что приводит к поляризации. Механизмы поляриз диэл-в различны и зависят от характера хим связей. В ионных кристаллах поляриз явл результатом сдвига ионов др относит др (ионная поляриз) и деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляриз). В кристаллах с ковалентной связью (алмаз) поляриз обусловлена смещением электронов, осуществляющих хим связь.По функциям, выполняемым в приборах электронной техники, диэл можно разделить на пассивные и активные. Пас - это электроизоляционные и конденсаторные материалы. Электроизоляционные диэл используют для создания электрической изоляции, кот окружает токоведущие части элект устройств и отделяет друг от друга элементы схем, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Пас неорганич диэл, применяемые в микроэлектронике, представляют собой очень большой класс мат-в, кот можно разделить на стекловидные диэл, керамику, монокристаллические диэлектрические материалы.

Акт диэл - это мат-лы, св-ми кот можно управлять в широком диапазоне с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Таким внешним воздействием может быть эл поле, механическое усилие, излучение, тепло.К числу акт диэл относят свгнето-, пьеэо- и пироэлек-трики; электреты; материалы для квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. По строению и св-вам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэл. Акт диэл позволяют осущ генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. Резкой границы, однако, между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента.

Стекловидные диэлектрические материалы Среди пассивных диэлек наиболее важными в практическом отношении являются стекловидные диэлектрические материалы: стекло, ситаллы, ситаллоцементы и композиционные материалы на основе стеклянной матрицы и неорганического наполнителя.

54Стеклами называются  все аморфные материалы полученные путем  переохлаждения   расплава независимо от их хим состава и температуры затвердевания и обладающие в результати увеличения вязкости механическими свойствами тв тел. Причем переход из жидкого состояния в стеклообразное явно обратим.У стекол отсутствует определенная температура плавления. При охлаждении расплава стекла, его взкость  начинает плавно возрастать и при значении 108  Па*С на кривой вязкости (Ln() от t)появляется первый перегиб. Температура соответствующая этой вязкости обозначается tF и называется температурой текучести. Выше этой температуры Стекло имеет свойства жидкости, при дальнейшем охлаждении при вязкости 1012 Па*С на кривой наблюдается второй перегиб. Температура соответствующая такой вязкости обозначается  tg и называется температурой стеклования. Ниже этой температуры стекло приобретает свойство твердого тела. А в интервалах этих температур стекло находится в высокоэластичном состоянии.Стекло как переохлажденный расплав находится в неравновесном метастабильном состоянии, однако вследствие высокой вязкости препятствующей кристаллизации стекло может существовать очень долго. В стеклообразном состоянии могут находитья вещества как органические так и неорганические.  

Органические стекла представляют собой органические полимеры. Наибольшее практическое применение нашли органические стекла на осонове полиметилметакрылата. Среди неорганических веществ в стеклообразном состоянии могут находиться как простые S,Se,Te,P так и сложнве соединения.

В результате неорганические стекла разделяются на элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные.Самый большой класс неорганических стекол составляют оксидные стекла, по виду стеклообразующего оксида эти стекла –классифицируют на силикатные, боратные, фосфатные, перманатные и.т.д. Только оксидные стекла  обладают диэлектрическими свойствами.Силикатные стекла самый распространенный класс оксидных стекол они широко применяются в электронике.Большинство свойств стекол аддитивны, т.е. плавно изменяются при изменении концентрации компонентов. Это позволяет с достаточной точностью заранее прогнозировать свойства стекла того или иного состава и изготавливать материалы с заранее заданными свойствами.

29Пленки мкр Si представл. Собой аморфно-кристаллич материал, Н сосредоточен в аморфной матрице в обл на границе зерен. Пленки облад ограниченным дальным порядком. Доля микр-ой фазы  м.б. от нескольких до 100%. В зав-ти от этого св-ва будут опр-ся либо аморфной либо  кристаллич-ой фазой(в мкрSi приборного качества доля мкр-ой фазы 90%  ) С ↑ долм аморфн фазы

ширина ЗЗ ↑Значение ширины ЗЗ<чем у монокр. Si

55Теория строения стекла наибольшее распространение получили представления о существовании в стекле непрерывной беспорядочной сетки. Согласно этой гипотезе стекло рассматривается как сплошная атомная 3-хмерная  сетка лишенная симметрии и периодичности.

Основой строения силикатных стекол являются комплексы SiO4- -тетраэдры с очень прочными связями Si-О. Отдельные тетраэдры могут быть скреплены в цепи "мостиковым" кислородом. Таким образом образуется непрерывная сетка, имеющая ближний порядок, но у которой отсутствует дальний порядок.

Компоненты стекла, не способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. К группе модификаторов относятся, например, оксиды элементов I и II групп Периодической системы. При введении в состав стекла модификаторов происходит разрушение некоторой части мостиковых связей, что сопровождается дроблением пространственной сетки. Вследствие этого свойства стекла меняются, модифицируются.

56Ситаллы или стеклокристаппические материалы - поликристаллические вещества, получаемый регулируемой кристаллизацией стекла. Для получения ситаллов в расплавленное стекло вводят катализаторы кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы.

В качестве кристаллизаторов (нуклеаторов) чаще всего применяют: TiO2, Р2О5, Сr2О3, V2O5, ВзОз, ZrO2, SnO2, WOз. МоОз и т.д.

Технология получения ситалов состоит из нескольких стадий.

Главные из которых формирование изделий и двуступенчатая термообработка.

1) ступень 500-700 С – образование зародышей кристаллизации.

2) ступень 900 – развитие кристаллических фаз.

В результате кристаллизации содержание остаточной стекловидной фазы в ситалле может колебаться от 2 до 50 %. Размеры кристаллов в стеклокристаллических материалах не более 1 мкм. Изменяя состав исходного стекла, тип кристаллизатора и режим термообработки, можно получать ситаллы с определенными свойствами.

Фх свойства опеделяются содержанием кристаллической фазы  и могут изменяться в очень широких пределах. Все ситалы превосходят стекла по прочности и  термостойкости, их хрупкость значительно меньше чем у исходных стекол.

Стекпокристаллические цементы или ситалпоцеиенты - отличаются от ситаллов содержанием кристаллической фазы. У ситаллоцементов количество кристаллической фазы значительно меньше, т.е. больше стеклофазы.

Ситалоцементы характеризуются  после нагрева до тем-ры превышающей тем-ру размягчения стекла.

57Основные пассивные функции, которые выполняют диэлектрики в составе полупроводниковых интегральных схем, следующие.

1. Подложки для ИС, изготавливаемых по тонко- и толстопленочной технологии.

2. Диэлектрические детали корпуса и кристаллодержатели. Применяются бериллиевая керамика, ситаллы, композиционные материалы.

3. Структуры КНИ (кремний на изоляторе), которые позволяют изготавливать ИС с полной диэлектрической изоляцией.

4. Конденсаторы и резисторы для толстопленочной технологии. Пленки стекол используются и в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов (SiO2, Si3N4, Al2O3, Та2О5).

5. Защитные пленки для бескорпусной защиты СБИС и толстоплв-ночных БГИС. Используют стекла БСС, ФСС, БФСС и другие легкоплавкие стекла, SiO2 + Si3N4

6. Межслойная изоляция. Используются SiO2, те же диэлектрики, что и в предыдущем пункте.

7. Пассивация и стабилизация полупроводниковой поверхности. В технологии СБИС применяют стекловидные диэлектрические пленки ФСС, БСС и БФСС, которые способны выполнять роль геттеров нежелательных легкоподвижных ионов (Na*, К*,Сu2*, Аg*), блокируя их в своем объеме и стабилизируя тем самым параметры приборов.

8. Планаризация развитого рельефа. Используются пленки БСС и ФСС. Размягчаясь при 1000 - 1100 °С, такие пленки формируют гладкий рельеф, что применяется для сглаживания развитого рельефа в многоуровневых СБИС. Использование БФСС позволяет снизить температуру оплавления ниже 1000 6С, при этом геттерирующие свойства сохраняются.

9. Маскирующие покрытия. Сквозь специально сформированные окна в таких покрытиях осуществляется диффузия в полупроводник легирующей примеси. Используются SiO2, Si3N4

10. Подзатворный диэлектрик в МОП-транзисторах. Важнейшее требование в данном случае - качество границы полупроводник - диэлектрик, минимальная плотность зарядов на ней. Именно поэтому обычно используют тонкий слой термически выращенного SiO2

11. Источник диффузионного легирования. Используют стекла БСС, ФСС

27В основном применяется в сочетании с аморфными матер.

Высоколегиророванные слои применяются при изготовл p-i-n структур в солнеч эл-ах  

Исп. в солнечн  элементах.    мкр Si  явл более прозрачным чем аморфный

Пленки мкр Siисп в качестве эммитерных слоев в солнечн батареях на основе монокр Si ,

В гетерогенных биполярных транзисторах, тонкопленочн транз, светодиодов

Солнечн бытареи из мкр Si обладают стабильностью хар-к по сравнению с аморфным Si

=> имеют более высокий КПД. Недостаток: низкая скорорсть

осаждения слоев мкр Si 

30Такие гетероструктуры обеспечивают принципиально новые возможности для создания сверхбыстродействующих тр-ов на основе гетеропереходов Si-Ge/Si.

Большие возможности вариаций с зонной структурой в многослойных гетероэпитаксиальных композиций позволяет резко увеличить эф-ть инжекции дрейфовую подвижность и простр-но увел-е носит-й заряда в тр-ных стр-ах эпитаксиальное наращивание слоя Si-Gе/Si приводит к формированию слоев Si-Ge со значит-ым напряжением сжатия. Это связанно с большим размером ат-в Ge по сравнению с ат Si. В таких напряженных слоях повыш-ся подвижность носителей заряд, что увеличивает быстродействие приборов, кроме того при формировании тр-ов, эмиттер на основе Si имеют большую ширину З.З. чем база на основе твердого раствора Si-Ge. В результате на эмитерном переходе образуется высокий потенциальный барьер по отношению к основным носителям базы. В результате инжекция носителей заряда из эмиттера возрастает. Технология гетероэпитакс. структур SiGe/Si, хорошо вписывается в базовые Siие  эпитаксиальные технологические процессы в отличие от технологии соединения АIIIВV . Высокий уровень развития этих технологий позволяет достаточно воспроизводимо получать гетерокомпозиции нанометровых размеров и создавать квантово размерные структуры типа структур с квантовыми ямами и напряженными сверх решетками в том числе позволяет создавать гетероструктуры с двухмерным электронным газом подвижность такого электронного газа очень высока, что позволяет изготавливать приборы с очень высоким быстродействием. Для формирования гетероструктур с 2-х мерным электронным газом необх обеспечивать значительную величину разрыва в ЗП. В настоящее время уже изготавливаются гетеропереходные, бип-е,полевые тр-ры с нанометровыми раб слоями, которые работают на частотах порядка 200 ГГц. Такие тр-ры обладают  хорош шумовыми хар-ами. Многослойные квантоворазмерные стр-ры SiGe/Si явл. перспективными для изгот-я быстродейст-х высокочувств-х фотоприемников ИК диапазона.При изготовлении гетеропереходного тр-ра гетероэпитаксия в слое SiGe осущ-ся после того как сформирована полная изоляция приборов. Быстродействие гетеропереходных бип тр-ов значиn повышается за счет формирования базы с изменяющейся шир З.З. Этого удается добиться из-за наличия напр-й в слое Si-Ge при этом увеличение напр-й приводит к сниж шир З.З., и с помощью изменения содержания Ge в сплаве

зонная диаграмма таких тр-ов выгл-ит след образом:

Ес

Еf

Ev

В такой базе эн эл-в соответствующая дну ЗП умен-ся в направлении коллектора, что эквивалентно созданию внутреннего эл. поля ускоряющего  эл-на в направлении от эмиттера к коллектору в рез-те быстрод-е приборов значит возрост.

31Для получения тонкопленочных гетероэпитаксиальных структур на основе тв растворов SiGe используют традиционно газообразную гибридную эпитаксию а также молекулярно лучевую эпитаксию при Т=750-8000 С. Осн проблемой в получении высококач-х гетеростр-р стала необходимость резкого снижения плотности дислокаций в рабочих слоях приборных композиций а также устранение шероховатости гетерограниц, что вызывает сильное рассеяние носителей заряда. В следствии значительного различия в размерах атома рассогласование кристаллических решёток в Si и Ge оставляет 4%. Это является причиной появления в эпитаксиальных гетерокомпозициях в процессе их выращивания достаточно больших напряжений несоответствия. По мере увеличения толщины эпитаксиального слоя наблюдается частичная и полная релаксация этих напр-й, кот может происходить либо за счет образования характерных шероховатостей на поверхности растущего слоя либо за счет генерации в слое дислокации несоответствия. Эти два механизма релаксации могут действовать одновременно, значение критической толщины слоя выше которой происходит образование дислокации несоответствия в эпитаксиальных структурах SiGe/Si очень малы.. В случае полной релаксации напряжение несоответствия плотности дислокаций в Si (ых) Ge слоях может достигать 1012-1011 см-2 это исключает возможность их использовании в приборах, поскольку для создания высококачественных тр-в плотность дислокации в  эпитаксиальной приборной композиции не должна превышать 104 см-2.

При формировании гетеропереходных бип тр-в выращивание напряженных эпитаксиальных слоев SiGe позволяет уменьшить его ширину З.З. однако напряжения в слое д.б. достаточно малыми, чтобы не происходило генерации дислокации в этих слоях.

32Основу приоритетных направлений развития науки составляют так называемые критические технологии, вносящие  осн вклад в решение ключевых проблем. К их числу можно отнести интенсивно развивающуюся оптоэлектронику, которая оказывает сущ влияние на развитие информ-ых технологий и  эл.техники. Увеличение плотности упаковки раб элементов ИС ведет к резкому возрастанию  протяженности и усложнение архитектуры традиционных межсоединений. В результате  меж соединения превращается в одно из осн препятствий на пути дальнейшего увеличения быстродействия ИС. А их изготовление становится все более дорогостоящей операцией, оказывающей серьезное влияние на стоимость ИС. Поэтому крайне актуально становится поиск новых принципов осуществления связи между отдельными эл-ми ИС и между чипами. Возможными альтернативами традиционных межсоединений явл. оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации модуляции усилия, передачи и детектированию сигнала.

Оптоэлектронные приборы обеспечивают высокоскоростную передачу больших массивов информаций, динамическое и долговременное хранение этой информации, сверхбыструю обработку сигналов и высококачественное отображение сигналов. Под оптоэл-й на основе Si подразумевают интеграцию фотонных и электронных компонент на кремниевом чипе. Технология изготовления фотонных компонент должна хорошо совмещаться с технологией изготовления самой ИС. Кремниевая оптоэлектроника явл. бысторазвивающ. областью техники. Осн проблемой кремниевой оптоэлектр. явл. проблема создания эффективного источника излучения, роль которого выполняет светодиод или лазер. Проблема состоит в том что Si не является прямозонным п/п(ом) поэтому эффективность межзонной рекомбинации в кремнии очень низка. Излучательная рекомбинация в Si на 5 порядков менее вероятна чем в GаAs. Нашли возможности реализации оптических функций на Si обуславливающие интенсивное исследование большого кол-ва материала и приборных структур. Можно выделить след-ие основные направления поиска.

Светоизлучающие структуры на основе Si легированного эрбием.

Выращивание на кремниевых подложках гетероэпитаксиальных структур на основе прямозонных соединений AIIIBV .

Наращивание на кремниевых подложках эпитаксиальных слоев тв. р-ров эл-тов 4 группы.        

33Эрбий явл. резкоземельным эл-том, который в ионизированном состоянии Эрбий3+ может испускать фотон с длинной волны 1,54 мкм. Это происходит в результате перехода электрона внутри оболочки 4f между первым возбужденным состоянием и основным состоянием. Перспектива использования такой люминесценцией связанно с тем что длинна волны испускаемого фотона попадает в обл. макс. пропускания оптических волноводов на основе оксида Si. При введении ионов эрбия в кремниевую матрицу необходимое возбуждение может быть достигнуто за счет носителей исходного материала. При этом последующий переход в невозбужденное состояние м. привести к эмиссии света атомного типа в узкой области спектра. Впервые люминесценция Si легир. эрбием при Т=77 К  (темп. жидкого азота) были продемонстрированы в 83-85 гг. Однако последующие исследования проводимые до 93 г. Показали, что изготовление приборов на основе легированного кремния эрбием  с эфф-ой эмиссией света при контактной температуре нефизич. по соед. причинам.

1.Низкая раств-ть эрбия в кремнии препятствует введению большого количества атомов кремния.

2.Сильное безизлучательная рекомбинация уменьшает эфф-ть люминесценции более чем на три порядка при увеличении Т от 77 К до комнатной температуры.

3.Время излучения Si легированного эрбием составляет ~1 милисек, что не позволяло модулировать сигнал на частотах более 1кГц.

35Основана на возм-ти  оптическ или электрич накачки эрбия приводящей к его переходу в первое возбужденное состояние с последующ излучательн рекомбинацией с испусканием фотона. Сущ 2 осн процесса возбуждения обусловленных носителями заряда Один  из них связан с возбуждением иона эрбий3+ за счет рекомбинации электрон-дырочных пар на уровне в ЗЗ кремния вносимом эрбием. Этот уровень служит т.о каналом перекачки энергии от электронной подсистемы п/п(а) в оболочку эрбия.

Другой механизм обусловлен горячими носителями заряда, передающими энергию иону за счет непостредственного столкновения

34Для практич. применения в системах Si- эрбий в приборной оптоэл-ке эфф-ые светодиоды, лазеры, оптич усилители, необходимо чтобы концентрация эрбия в Si превышала порядка 1012 см-3. Однако пределы его растворимости 1016 см-3 приТ=13000 С, что недостаточно для получения интенсивного излучения. Конц  эрбия в Si значительно превышающая предел его растворимости в тв. состоянии была получена за счет использования неравновесных технологий, таких как ионная имплантация, молекулярно лучевая эпитаксия, ионнолучевое распыление, хим соединения из газ фазы.При использ ионной имплантации на начальной стадии формирующейся амортизированный слой содерж. высокую конц эрбия. В процессе последующего обжига происходит тв. тельная эпитаксия амортизирующего слоя, сопровождающаяся сегрегацией эрбия на границе раздела и приводящая к уменьш содержания эрбия в рекристализированном слое. Это долгое время определяло проблему получения Si с высокой конц эрбия. В наст время одним из осн методов получ-я Si  с высок конц эрбия, достаточной для возникнов-я интенсивной поликристализации явл. совместное введение эрбия с такими эл-ми как О2 и F2. Введение О2 подавляет сегригацию эрбия во время рекристал. из-за формирования малоподвижных комплексов эрбий-кислород. Для получения однородного распределения примесей эрбия и кислорода используется многократная имплантация эрбия и кислорода. Получен-й  в рез-те такой имплантации амортизированный слой, затем рекристаллизуется при Т=6200 С в течении трех часов. После рекристаллизации проводится быстрый термический отжиг при Т=9000 С. для отжига остаточных эл-в в некристал. слое. В результате совместимости имплантации монокристаллов эрбия и кислорода  в соотношении 1 к 10 конц. эрбия в кристалич. Si может достигать1020см-3.

Совместное легир-е эрбия с кисл-м или фтором сопровождается также рядом важныхфиз эф-вМодификация хим. окружения эрбия усиливает его люминисценцию. ↓эфф-ти  гашения люминесценции наблюд. с ростом Т.

40. Применение SiC

Карбид кремния обладает уникальными электрич св-и, поэтому примен для произ-а высоковольтных разрядников и варисторов, а также силитовых нагревателей.

Представляет практический интерес применение карбида кремния для изготовления мощных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензорезистороров, счетчиков частиц высокой эн, кот способны работать в химически агрессивных средах.

Возможно использования карбида кремния для создания полевых тр-вс хорошими частотными св-ми, СВЧ-диодов, термисторов и др. приборов.

Примен в металлургич пром для раскисления стали, в произ-ве тиглей для разливки цветных и драгоценных меКарбид кремния благодаря высокой твердости и режущей способности имеет широкое применение в промыш

Карбид кремния – один из самых твердых искусственных абразивов.

Из карбида кремния получают шлифзерно, шлиф - и микропорошки, которые применяются для изготовления абразивного инструмента на твердой и гибкой основах Абразивный инструмент из зеленого карбида кремния используется для тонкого шлифования металлообрабатывающего инструмента, тв сплавов, керамики, камня и для правки шлифовальных кругов. Инструмент из черного карбида кремния примен для шлифования тв сплавов, чугуна, цветных ме, стекла, пластмасс, кожи, резины. Отдельные разновидности карбида кремния используются в электротехнической, металлургической и огнеупорной пром. В зерне и порошках карбид кремния прим в пром строймат-в для изготовления аэродромных покрытий, нескользких плиток, лестничных ступеней и других изделий.

Карбид кремния исп-я также для обработки камня и стекла, шлифования лака, шлифования деревянных заготовок, иногда также для шлифования твердых хрупких материалов, например, серого чугуна.

SiC используется как абразивный материал и для изготовления деталей хим и металлургической аппаратуры, работающей в условиях высоких температур.Т.к. карбид кремния обладает высокой огнеупорностью и теплопроводностью, поэтому широко прим в пром при изготовлении огнеупорных изделий.

41. Свойства SiC

По типу хим связи карбид кремния относится к ковалентным кристаллам. Доля ионной связи обусловленная некоторыми различиями в электроотрицательностях атомов Si и С, не превышает 10-12%.Следствием сильных хим связей между атомами кремния и углерода явл очень высокая хим и температурная стабильность SIC, а также высокая твердость Сильная хим связь явлпричиной низких коэффициентов диффузий большинства примесей и повышенной устойчивостью к радиации. Хрупкость карбида кремния явл следствием кристаллической структуры и типа хим связи и сочетается в нем с высокой твердостью.Примеси  эл-в V группы явл для  SiC донорами, а эл-ы II и  III групп акцепторами. На практике чаще всего в качестве донора используют азот, в качестве акцептора – алюминий или бор. Как материал п\пй электроники SiC обладает сочетанием уникальных свойств. Это большая ширина зз, от 2,4 до 3,3 эВ в зависимости от политипа SiC, высокая теплопроводность близкая к теплопроводности меди, высокое значение напряженности поля пробоя, высокая растворимость донорных и акцепторных примесей, наличие собственного оксида в виде SiO2.

SiC может существовать в виде множества кристаллических структур, кот построены из идентичных элементарных слоев, но отличающихся последовательностью чередования этих слоев вдоль оси С. Такое явление называется политипизмом.У различных политипов SiC довольно существенно отличаются значения ширины зз и подвижности носителей заряда. Управление политипизмом SiC представляет собой очень сложную технологическую задачу. Объясняется это близостью эн образования разл политипов SiC. В результате воспроизведение того или иного политипа SiC зависит от многих факторов: температуры, скорости роста, состава кристаллизационной среды, типа легирующих примесей  и тд.Карбид кремния имеет три полиморфные модификации: гексагональную и тригональную (α-SiC), а также кубическую (β-SiC).

На сегодня известно порядка 200 политипов SiC, но механизм формирования той или иной модификации неясен. Разница в энергиях кристаллической решетки различных модификаций незначительна. Главные факторы, оказывающие влияние на формирование политипов и полиморфные превращения это температура и давление. Однако построение фазовой диаграммы для политипных систем затруднено, т.к. при постоянном давлении и одинаковой температуре возможно формирование разных политипов в зависимости от различных малозначительных внешних воздействий – изменения соотношения компонент, типа синтеза (жидкофазный либо твердофазный) и т.д.

42. Получение SiC

Первым искусственным абразивом, полученным в электрической печи, был карбид кремния SiC, открытый Э.Ачесоном (США) в 1891.

В усовершенствованном виде “ачесон-процесс” и до сих пор используется для синтеза поликристаллического технического карборунда в промышленных электропечах сопротивления.

При нагреве кремнистого песка и кокса в электрической печи кремний восстанавливается и соединяется с углеродом, образуя карбид кремния в виде массы сросшихся кристаллов (цветом от зеленого до черного) пластинчатой гексагональной структуры. Такие кристаллы называют карборундом

Ювелирный монокристаллический карбид кремния выращивается в настоящее время методом сублимации, предложенном впервые в 1955 году И.А.Лели. Технологическая доработка “лели-процесса” др. специалистами позволило получать бесцветные камни ювелирного качества 59 мм в диаметре и высотой до 28 мм, массой порядка 400 карат. Метод основан на превращении нагреванием исходного вещества в пар, минуя жидкое состояние, и последующей конденсацией насыщенного пара непосредственно в твердую фазу также без его промежуточного перехода в жидкость. Экспериментальными исследованиями установлено, что область синтеза карбида кремния в различных средах находится в диапазоне температур 525-2420 ОС, а при увеличении давления выше 35 атм. достигает 2830 ОС.

Карбид кремния получают в электрических печах сопротивления силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. Сырьем служат материалы, богатые кремнеземом: жильный кварц, кварцевые пески и кварциты, содержащие не менее 99,0-99,5%, SiO2, а также углеродистый материал - нефтяной кокс. Нагревательным элементом печи является токопроводящий керн из углеродистых материалов. Карбид кремния образуется при температуре 1500-2300 °С. Наиболее вредной примесью является углерод, который понижает абразивную способность карбида кремния и адгезию его со связкой.

43Применение GaAs можно разделить на применение в СВЧ-технике и в оптоэлБолее высокая по сравнению с Si подвижность электронов в GaAs, повышающая быстродействие приборов, обусловила его использование в качестве материала для СВЧ-техники. Приборы, изготовленные на основе Si, обеспечивают предельную частоту 1-3 ГГц, в то время как предельные частоты, обеспечиваемые GaAs - 40 ГГц Применение арсенида галлия в СВЧ-технике связано с изготовлением полевых транзисторов с затвором Шоттки, ИС на полевых транзисторах с барьером Шоттки, диодов Ганна, туннельных диодов, лавинно-пролетных диодов.На основе соединений А3В5 можно создавать также гетеропереходные бип тр-ры с широкозонным эмиттером и наклонной базой, что невозможно реализовать с помощью Si.

В оптоэл-ке соединения А'"В5 наиб активно исп-ся при изготовлении светоизлучающих диодов, светодиодов для интегральной оптики, п\п-х лазеров, фотодиодов и, солнечных батарей.Ценным св-ом многих п\п-в А3В5, в том числе GaAs, явл высокая эфф-ть излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда.Использование GaN, InGaN, AlGaN позволяет создавать светоизлучающие диоды В зеленой, голубой и фиолетовой областях спектра, что открывает новые возможности по изготовлению полноцветных дисплеев. Объединение красного, зеленого и голубого светодиодов дает возможность изготавливать эфф источники освещения. Материалы с более узкой ЗЗ, в частности GaAs, способны эффективно излучать.в инфракр области.Инжекционный лазер представляет собой п\п-й диод, две плоскопараллельные грани кот, перпендик-е плоскости р-п перехода, служат зеркалами оптического резонатора. Инверсия заселенности достигается при большом прямом токе через диод за счет инжекции избыточных носителей n слой, прилегающий к переходу.

Проблема создания лазерной гетероструктуры в первую очередь состоит в подборе материалов и выборе технологии, обеспечивающих создание идеального гетероперехода. В инжекционных лазерах применяются исключительно прямозонные п\п-и, имеющие главные экстремумы зон в одних и тех же точках зоны Бриллюэна. Прямозонные материалы обладают большой вероятностью излучательного межзонного перехода (почти 100 %). Наиболее близка к идеальному гетеропереходу структура AlGaAs - GaAs, в кот набл-ся практич полное совпадение периодов решеток.

Для создания лазеров в более коротковолновой области (зеленой, I. голубой и фиолетовой) необходимо использовать такие материалы, как GaN, InGaN, AlGaN. Осн область применения таких лазеров - оптическое хранение информации. Плот-ть оптически хранящейся инф-и пропор-на квадрату отношения длин волн записывающего и считывающего лазеров. замена используемых В настоящее время красного и ИК-лазеров (680 - 780 нм) на голубые и фиолетовые  (380 - 450 нм) позволит существенно увеличить плот-ть Оптически хранящейся информации.

44Соед A3B5 явл ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элементов IIIb подгруппы Пер таблицы  с элементами Vб подгруппы Соедин АШВУ классифицируют по элементу V группы (т.е. нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды). За исключением нитридов все соедин A3B5 имеют кристаллическую решетку сфалерита кубического типа Для нитридов характерна структура вюрцита гексагонального типа.

Дня соед А3В5 характерен особый тип ковалентной хим связи, кот наз-я донорно-акцепторным. Из четырех  ковал-х связей, с помощью кот кажд атом встраивается в решетку, три образуются обобществленными валентными эл-ми ат-в А3 и В5 а 4я связь осущ неподеленной парой валентных эл-в ат-в Вv В каждой ковал связи максимум электронной  плот-ти смещен в сторону атома с большей электроотрицательностью т.е. атома Ву В рез-те атомы А3 приобр-т некот эфф-й положит заряд, а атомы Ву – отрицат. В большинстве соед A3B5 не наблюдается сущ-х отклонений от стехиометрии, поэтому они относит просты по механизму легирования, в них легко формируются эл-дырочные переходы. Как правило, введение избытка одного из компонентов в среду кристаллизации сущ-но не сказ-ся на эл\физ св-х Примеси замещения в кристаллич решетке соед A3B5 распред таким образом, чтобы не возникло центров с большим избыточным зарядом. Поэтому примеси элементов II гр образующие тв растворы замещения, всегда занимают в решетке A3B5 узлы металлического компонента и при этом явл акцепторами вследствие меньшей валентности по сравнению с валентностью замещенных атомов. Наоборот, примеси элементов VI группы  всегда располагаются в узлах Ву и играют роль доноров.Атомы примесей IV группы могут занимать как узлы А3, так и В5, проявляя донорные или акцепторные свойства. Замещение должно сопровождаться наименьшей деформацией кристаллической решетки. Поэтому критерием донорного или акцепторного действия таких примесей может служить соответствие размеров замещающего и замещаемого атомов. В зависимости от степени лег-я, тем-ры выращивания и состава кристаллизационной среды имеет место преимущественное вхождение примесей в ту или иную подрешетку.Примеси элементов IIIb и Vб подгрупп замещают соответ атомы А3 В5 и образуют нейтральные центры. Растворимость этих элементов в большинстве случаев очень велика, что позволяет получать кристаллы тв растворов во всем диапазоне конц. Примеси элементов переходной группы  создают в п\п A3B5глубокие эн-е уровни акцеп-го типа и явл эфф-и рекомбинационными ловушками, что сокращает плот-ть эл-в проводимости.

45Технология получения п\пх соед-й отличается от технологии получения элементарных п\п-в наличием операции синтеза. Синтез поликр GaAs может осуществляться взаимодействием расплава с парами Ас и сплавлением компонентов Са и Аз.Жидкий галлий помещают в горизонт кварцевую лодочку. Лодочку располагают в горизонт кварцевой ампуле, в другом ее конце находится тв мышьяк. Для очистки поверхности компонентов от оксидов ампулу помещают в печь и откачивают до остаточного давления <10~4 Па при температуре галлия 650 °С и мышьяка - 300 °С. Такую очистку ведут несколько часов, после чего запаянную ампулу помещают в многозонную печь. Зона, в кот расположен Ga, нагревается до температуры плавления GaAs, а зона, содержащая мышьяк, доводится до температуры 613 - 620 °СПары мышьяка диффундируют в другой конец ампулы, где реагируют с расплавом галлия. После завершения процесса синтеза расплав охлаждают, в результате чего получают поликристаллич слиток. При установке в затравочный канал монокристал затравки производят горизонтальную направленную кристаллизацию расплава и получают монокристал слиток.Сплавление галлия и мышьяка  необходимо производить под защитным слоем, кот предотвращает интенсивное испарение легколетучего As. К материалу защитного слоя предъявляются следующие требования: хим стабильность при температуре плавления GaAs; меньшая, чем у GaAs, плотность; несмешиваемость с расплавом GaAs; в нем не должны растворяться пары As; должен быть прозрачен, чтобы при выращивании кристаллов можно было контролировать процесс затравливания монокристалла. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет В2О3 Однако мышьяк, хоть и слабо, но растворяется в оксиде бора, что приводит к потерям Аs. Для уменьшения потерь над слоем В2О3 создают повышенное давление инертного газа.В  кварцевый тигель помещают смесь галлия и мышьяка при небольшом Избытке последнего для компенсации потерь на испарение смесь покрывают кусочками В2О3 кот обеспечивают после расплавления слой  толщиной 20 - 40 мм. Тигель нагревают до темп 820 -880  в атмосфере инертного газа  в камере высокого давления. В результате плавления мышьяка (817 °С) и галлия (30 °С) образуется жидкая смесь компонентов, реагирующая с выделением Тепла. В результате темп повышается до темп плавления арсенида галлия (1238 °С).После завершения синтеза производят охлаждение расплава с образованием поликристаллического  материала,  Осн методом получения монокристаллов GaAs явл метод Чохраського.При избытке  в расплаве мышьяка осн точечными дефектами кристаллов явл междоузельные атомы Аs. Для полуизолирующего GaAs его легируют хромом в процессе роста до уровня 5 1015 см-3, а также выращивают чистые кристаллы из стехиометрического расплава или расплава, слегка обогащенного Аs. Для повышения воспроизводимости процесса выращивания бвздислскационных кристаллов в расплав GaAs вводят индий. Индий упрочняет кристаллическую решетку GaAs и повышает энергию образования дислокаций при росте. Основными неконтролируемыми примесями в монокристаллах GaAs являются С и Si. Источники - различные углеводороды и кварцевый тигель.

46Нитрид галлия относится к п\пм соедин типа А3В5. В GaN преобладает сильная ионная связь. Ширина зз у GaN составляет 3,4 эВ, GaN обладает достаточно высокой температурой плавления 1600оС, его достоинством является высокая мех прочность и хим стойкость, что обуславливает стабильность его свойств при высоких температурах и в агрессивных средах. формирования кристалла осуществляется за счет сухого (плазмохимического) травления. При этом исп-я источники плазмы с высокой плотностью ионов, в кот высокий поток ионов обеспечивает высокую эфф-ть разрыва связей GaN. Для легирования GaN примесями n и p типа используется имплантация ионов Si+ и Mg+ с последующим высокотемпературным отжигом при Т>1050оС. Долгое время осн проблемой технологии эпитаксиального выращивания нитридов третьей группы являлось получение пленок с высокой плотностью дефектов. Подобные гетероэпитаксиальные структуры имели неконтролируемую и высокую проводимость n-типа из-за высокой плотности дефектов и остаточных примесей создающие мелкозалегающие донорные ловушки. Сочетание n-типа проводимости с высокими значениями эн ионизации акцепторных примесей препятствовало получению p-типа проводимости в нитридах 3-ей группы и т.о. затрудняло создание на их основе бип инжекционных приборов. Возникновение высокой плотности дефектов в эпитаксиальных пленках было обусловлено проблемами изготовления высококачественных подложек, имеющих с нитридами минимальное рассогласование по параметрам кристаллических решеток. Очевидно, что идеальное согласование может быть с подложками из такого же материала, что и эпитаксиальная пленка.

эпитаксиальные пленки GaN долгое время выращивали на подложках из сапфира.наличие неконтолируемой проводимости n-типа обуславливалась высокой конц примесей, попадающих в пленку в процессе ее высокотемпературного эпитаксиального выращивания. Эфф-е снижение конц неконтролируемых примесей стало возможным в результате уменьшения Т эпитаксиального выращивания за счет использования низкотемпературного метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящее время основными типами подложек для эпитаксиальновыращенных пленок нитридов 3-ей группы является сапфир с различной ориентацией; SiC имеющий  рассогласование с GaN по параметрам кристаллической решетки менее 1%, а также монокристаллический Si.

В наст время для получ p-типа проводимости в пленках GaN используют 2 способа.1-термохим отжиг, приводящий к диссоциации комплекса и удалении водорода из кристаллов.2-инжекция неосновных носителей заряда(электронов)

47Эти соединения существенно расширяют возможности п\п электроники благодаря прежде всего  фото- и пьезоэлектрическим св-м.

Наиболее массовое применение соединения типа А"ВVi нашли в качестве люминесцентных покрытий экранов. Электролюминофоры применяют для изгот спец источников света типа электролюминесцентных конденсаторов, катодолюминофоры - для изготовления кинескопов электронно-лучевых трубок, экранов элек-оптических преобразователей.  

На базе соединений А"ВVi  изготоавливают фоторезисторы.

Узкозонные п\п-и типа А"ВУ1 представляют интерес для создания приемников ИК- излучения. соед А"ВVi  применяются для изготовления датчиков Холла - приборов для измерения напряженности пост и переменных магн полей.

На основе соединений, обладающих обоими типами проводимости  изготавливают инжекционные лазеры ИК- диапазона.Однако несмотря на все перечисленные применения, отсутствие инверсии типа электропроводимости у многих соединений А"ВУ1 существенно ограничивает возможности их практического использования.

48К соед типа А"ВУ| относятся сульфиды, селениды, теллуриды. Хим связь в них является смешанной ковалентно-ионнойСоед типа A2B6 являются алмазоподобными, как и соединения A3B5, и имеют кристаллическую структуру сфалерита кубического типа или вюрцита гексагонального типа.

Характерной особенностью соединений типа A2B6 является то, что все они разлагаются при повышенных температурах, при этом диссоциация проходит практически полностью. В качестве акцепторов выступают элементы I группы, замещающие катион а", или элементы V группы  замещающие анион Вvi; в качестве доноров выступают элементы III группы, замещающие катион A2, или элементы VII группы, замещающие анион B6.Однако многие п\п-е соед A2B6 проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от условий получения и легирования кристаллов. Сульфиды и селениды всегда явл п\п-ми n-типа. Теллуриды имеет лишь дырочную электропроводность. Некот теллуриды могут иметь Элпроводн как n-, так и р-типа в зависимости от условий выращиания и типа легирующих примесей.

Электропроводность соед типа     АiiВv1     может     быть значительно (на порядки) изменена путем термической обработки в парах собственных компонентов. Образующиеся при термической обработке нестехиометрические дефекты ведут себя как электрически активные центры  Вакансии в подрешетке анионов B6 играют роль доноров, а вакансии в подрешетке металла ведут себя подобно акцепторам. Поэтому для получения монокристаллов соед типа  А"ВvI с задан  св-ми  наряду с хим чистотой   требуется   управление степенью дефектности, т.е. конц вакансий.

50Термоэл устройства удобны, тем, что не имеют движущихся частей и не создают шума. Термоэл-во до сих пор не нашло широкого применения в технике из-за относит высокой стоимости термоэлементов при довольно низком КПД по сравнению с обычными тепловыми двигателями и насосами. Эффект Зеебека  использ в термопарах, применяемых для измерения температуры. На использовании этого эффекта основана работа всех известных термоэл-х генераторов.

Термоэ-е генераторы примен для получения эл тока, т.е. преобразования тепловой эн в эл-ю. Элементы Зеебека применяются для электроснабжения отдельных потребителей, питания эл приборов и сигнальных устройств, для бортового электроснабжения межпланетных космических аппаратов.

Техническая реализация элементов Пельтье и Зеебека. Отдельные термоэлементы применяются на практике лишь в исключительных случаях - для получения достаточно высоких мощностей эл напряжения элементы соединяют электрически последовательно, а термически параллельно. Условия работы элементов Пельтье и Зеебека определяют различные принципы их конструирования.

Элементы Пельтье. Разность температур в элементе Пельтье редко бывает более 70 К, поэтому термическое расширение, окисление, испарение и диффузия не представляют серьезных проблем. Чаще всего довольно большое количество элементов Пельтье объединяют в единый модуль  ветви термоэлемента состоят из Bi2-xSbxTe3 р-типа проводимости и Вi2Те3-xSex n-типа. Коммутационные шины из меди присоединяются к ветвям термоэлементов с помощью мягкого припоя. Для работы такой модуль с обеих сторон оборудуется теплообменниками. Как правило, модули имеют квадратное сечение с линейными размерами 5-40 мм и рабочий ток от 1 до10 А.

Элементы Зеебека. Для термоэлектрической генерации тока необходимы термоэлементы, которые работали бы как при высоких температурах, так и при больших температурных градиентах. Конструктивно генераторы изготавливаются из последовательно спаянных термопар, состоящих из полупроводниковых материалов п- и р-типов проводимости. Так как многие термоэлектрические вещества пригодны для работы лишь в ограниченном температурном диапазоне, то иногда ветви термоэлемента составляют из набора различных материалов.

При выборе материалов для элементов Зеебека следует обратить внимание не только на их термоэлектрическую эффективность, но и на хим стабильность.

51термоэлектр добротность

z= 2/х,

где z - термоэл добротность;  - удельный коэффициент термоЭДС;  - удельная проводимость; х - удельная теплопроводность.Для эффективных термоэлементов необходимы вещества с высоким значением термоэл добротности. Так как,  коэф-ы термоЭДС у ме малы, а у диэлек-в практич отсутствует элпроводность, наиболее приемлемыми с точки зрения термоэл-й эфф-и явл п\п-и. Одним из способов повышения термоэл-й добр-и явл снижение фононной составляющей теплопроводности материалов путем легирования тв растворов нейтральными примесями. В этом случае конц носителей тока остается неизменной, а рассеяние фононов может быть больше, чем рассеяние носителей тока. Поэтому растет отношение /х и, как следствие, увеличивается термоэлектрическая добротность материала.

Теллурид висмуте Вi2Тe3. Первоначально для термоэлектрических охлаждающих устройств использовали стехиометрический Вi2Тe3, однако позднее оказалось, что более эффективны тв растворы на его основе. поскольку при этом удается добиться снижения фононной теплопроводности без особых изменений подвижности. Обычно эти вещества можно использовать при температурах меньше 150 °С. Для Вi2Тe3 при 300 К Еg= 0,16 эВ. В результате биполярный теплоперенос появляется уже при 150 - 200 °С.

Соед Вi2Тe3 относится к категории автолегирующихся, когда в зависимости от отклонения от стехиометрии возникает избыток дефектов п- и р-типа. Осн типом дефектов в этих кристаллах являются антиструктурные дефекты. Именно эти дефекты определяют тип и конц осн носителей. В области избыточной конц Bi эти атомы замещают вакантные узлы в подрешетке теллура и проявляют акцепторные свойства. Если же атомы Те находятся в избытке, они занимают места в подрешетке Bi и проявляют донорные свойства.

Теллурид свинца РЬТe. Чистый (или легированный селенидом олова либо теллуридом цинка) теллурид свинца используют в температурном диапазоне 150 - 450 °С. Как и Вi2Тe3, эти материалы изготавливают методами направленной кристаллизации или же горячим прессованием. Их недостатком явл предрасположенность к сублимации и окислению, поэтому при использовании указанных материалов необходимы соответствующие меры для предотвращения этих явлений.

52Ряд причин обусловивший интерес повышенный интерес к термоэлектричеству и термоэлкетроным материалам  выделил несколько проблем.

Проблема озоновых дыр и необходимость сокращения фрионсодержащих компонентов в обычных холодильниках.

Единственная перспектива, это использование компактных холодильников на элементах Пелетье.

Перспективным является использование компактных холодильников, для охлаждения компьютерных микропроцессоров.

Это гораздо более дешевый путь увеличения тактовой частоты, чем простое усовершенствование  технологии изготовления микропроц.

В последние 5-7 лет появилось большое количество новых материалов, включая материалы, сформированные на атомном уровне, которые небыли доступны 30-40 лет назад и небыли опробованы в качестве термоэлектрических материалов. Кроме того, в последнее время появились надежные методы расчета зонных структур, что позволяет проводить дополнительный анализ и отбор материала.

В настоящее время при проектировании термоэлектронных материалов предполагают применение материалов, как стекло – плохо проводящих тепло, но в тоже время обладающих хорошими электрическими свойствами как кристалл.

Было предложено синтезировать п/п соединения в которых один из атомов  или группа атомов слабо связанные с кристаллической решеткой. Такой атом или группа атомов будут испытывать сильное негармоничное колебание, в какой то степени независимое от колебаний атомов кристаллической решетки, поэтому такие атомы в литературе получили название «Грохочущие»

В диэлектрических кристаллах, такие атомы в некоторых случаях могут резко уменьшить теплопроводность до значения, которое имеет стекло с таким – же составом что и кристалл.

60.Керамика - стеклокристаллический материал, представляющий собой гетерогенную систему из кристаллических и аморфных стекловидных фаз, содержащих некоторое количество воздушных включений Различные типы керамики отличаются количеством кристаллической и стекловидной фаз в очень широких пределах. Кроме того присутствуют некоторое кол-во воздушних включений.

Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений.

Основные свойства Керамики – диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, ТКР, механическая прочность в значительной степени определяются свойтвами кристаллической фазы. Стекловиданя фаза представляет собой прослойки стекла связыв. технологическую фазу. Технологические свойства керамики – температура спекания, степень пластичности керамической массы при формировании восновном определяется кол-во стекловидной фазы. От ее содержания зависит так-же плотность, степень пористости, и гигроскопичность материала.

В некоторых типах керамики стеклофаза практически отсутствует. Главными химическими компонентами керамических материалов являются оксиды различных элементов: Аl2О3, ВеО, СаО, МgО, ZrО2, TiO2, SiO2 и т.д.  Они образуют группц кислородсодержащей керамики.

Существует также безкислородная керамика на основе карбидов, нитридов, баридов, металлов.

64. Ксерогель и аэроргель

так наз нанопористый SiO2, который представляет собой SiO2 с очень большой долей мелких пор с Ø порядка нм. Достоинством такого материала явл его высокая термическая стабильность, хорошая адгезия и возможность использования имеющихся материалов и оборудования. Технология формирования SiO2 следующая: осаждение из р-ра силаксановой суспензии методом ценрофугирорвания, далее инициир-ют формирования геля с помощью добавления катализаторов.Затем происходит затвердевание слоя и формирование структурной сетки. После этого выпаривыется рас-ль а потом с помощью отжига удаляют остатки влаги.

Нанопористый SiO2 подразд на 2 классав

В зав-ти от пористости материал с наибольшеё степенью пористости(98%) наз аэрогелем, он м.б. получен только в рез-те операции спец. сушки при высоком давлении

Ксерогель-нанопористый SiO2 со степенью пористости(50-90%)

61Технологическая схема керамического производства включает в себя следующие операции:

1)Смешение исх. Компонент

2)Предварительный обжиг

3)Измельчение

4)Приготовление Пресс-порошка

5)Формирование изделий

6)Сушка и удаление связок

7)Спекание или высокотемпературный обжиг.

Смешение заключается в разрушении конгломерата частиц порошка и достижение максимальной гомогенности шихты исходных компонентов.

От гомогенности шихты зависят диффузионные процессы при последующих обжигах. Структурно фазовый состав.

Предварительный обжиг позволяет повысить степень гомогенности  шихты при нагревании. При этом происходит частичное образование новой кристалич. решетки и улучшение усадки материала при спекании изделия.

Измельчение-это один из методов улучшения порошков и степени гомогенности состава.

Измельчение и смешивание исходных компонентов происходит в паровых и вибрационных мельницах. При этом измельчение массы происходит за счет ударного воздействия шаров на истираемые частицы.

Формирование изделия заключается к приданию заготовки прочности, формы необходимой для последующего изготовления изделий.

Известны практич. способы формирования изделий из порошка, однако наиболее простым способом явл. метод прессования.

Порошок должен обладать пластичн. чтобы под воздействием принимать необходимую форму и сохранять ее после прекращения воздействия.

Обычно порошок после обжига в мелкодисперсном состоянии является сыпучим и неиластичным.

Требуется операция  пластификации массы, т.е. добавление связующ., пластифицирующих и связыв. веществ для добавления хххххххххх заготовок.

В результате в заготовках могут содержать различные технологич. Добавки котор. необходимо удалять перед обжигом.

В начале заготовку подвергают сушке, в результате которой происходит испарение водных и безводных растворов полимеров.

Удаление связок и пластификаторов при температуре 300-4000 С.

Наиболее ответств. технологич. операцией является спекание изделия, которое производят при температуре  12000 С  и более.

При спекании происходит окончательное вынимание пластификатора, завершаются химич. реакции между компонентами за счет спек. частиц фиксир. форма изделия, матер. приобретает необходимую мех. прочность.

Перспективный метод получений- метод с использов. искусств. хим. шихт. При этом шихша  изготав. не из готовых оксидов, а из расств. солей элементов хим. соединений.

После перехода в труднораствор. соединение происходит их осаждение, после чего производят термообработкуКроме того использов. хим. Шихт позволило снизить температуру спекания.
66 Практическое использование ВТСП. Практическое использование сверхпроводимости осуществляется в двух направлениях. Первое из них - "сильноточная" сверхпроводимость - связано с разработкой сверхмощных магнитных систем для накопителей энергии, ускорителей заряженных частиц и других устройств, с созданием силовых кабелей и трансформаторов большой мощности.Второе направление - "сверхпроводниковая" электроника. Физическую основу сверхпроводниковой электроники составляют квантовые когерентные эффекты: эффект квантования магнитного потока и эффект Джозефсона. На основе эффекта Джозефсона созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие параллельно включенные слабые связи между сверхпроводниками. При этом критический ток оказывается периодически зависящим от потока внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такое устройство (сквид) для чрезвычайно тонкого измерения слабых магнитных полей.В настоящее время сквиды получили наибольшее распространение в сверхпроводящей электронике. На основе сквидов разработаны приборы, практически все из которых обладают рекордной чувствительностью (магнитных полей - до 10-18 Тл; токов - до 10-10 А, напряжений - до 10-15 В). Сквиды активно применяются в криоэлектронных системах логики и памяти и являются базовыми элементами сверхпроводниковых цифровых и импульсных устройств. Их достоинства - высокое быстродействие, малые потери. Слабосвязанные сверхпроводники могут быть также использованы в качестве параметрических преобразователей, смесителей, малошумящих детекторов, чувствительных детекторов СВЧ, усилителей и других электронных устройств.Большое место занимают исследования возможности применения ВТСП в качестве элементов пассивных устройств: экранов, межсоединений в интегральных схемах.

67Высокотемпературная сверхпроводящая керамика. В 1911 г. голландский ученый Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость ртути при 4,2 К. Однако несмотря на многочисленные исследования за более чем 10 лет, температуру перехода удалось повысить топько до 23,2 К для Mo3Gе (1973 г.). Эта величина оставалась рекордной До 19136 г., когда было установлено, что система Lа-Ва-Сu-О испытывает сверхпроводящий переход при охлаждении ниже 35 К. За это открытие, положившее начало бурному прогрессу и исследований высокотемпературных сверхпроводников, в 1987 г. Беднорц и Мюллер были удостоены Нобелевской премии по физике.

В начале 1987 г. было обнаружено, что замена Ва ни Sr В системе Lа-Ва-Сu-О приводит к увеличению Температуры перехода Тс до  40 К. Последующие попытки увеличить температуру перехода привели к открытию соединения, являющегося сверхпроводником при температуре жидкого азота (YВа2СuзО7-б с Тс = 95 К). Было установлено, что величина температуры перехода зависит от режима термообработки и концентрации кислорода.Далее последовало открытие двух классов соединений, имеющих ещё более высокое значение температуры перехода Первый класс представляет собой систему Вi-Sr-Са-Сu-О c температурой перехода Тс=110 К; второй - систему Тi-Вa-Ca-Cu-O c температурой  перехода.Тс = 125 К. Наконец, в 1993 г. был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) - ртутьсодержащие сверхпроводники, которые на сегодня обладают максимальной температурой перехода, при 135 К.

68Составы ВТСП-купратов, содержащих Вi и Ti, могут быть представлены общей формулой АmМ2Rn-1СunОx, где А - Вi, Тi; М - Ва, Sr; R - Са или редкоземельные элементы. По своей структуре эти соединения представляют собой чередующиеся вдоль оси C элементарной ячейки слои (АО), (МО), (R) и (СuO2). Они формально объединяются в блоки типа перовскита и хлористого натрия. Таким образом, структуры сложных сверхпроводников можно рассматривать как комбинацию более простых структурных блоков. Структура перовскита (рис.6.2) характерна для соединений с общей формулой МВОз (например ВаТЮз).

В структуре перовскита катион В (в случай ВТСП - Сu) расположен внутри октаэдра, вершинами которого являются атомы кислорода. Катион М (Ва, Sr) расположен внутри каркаса октаэдров, связанных общими вершинами.

В случае ВТСП вместо одного слоя ВО2 в структуре перовскита может быть слой АО (т.е. ВiO, ТiO). При этом кислород находится в середине верхней грани (рис.6.3).

во2.

Рис.6.2. Схема элементарной ячейки

структуры перовскита. (Обозначения:

О -Са; ф-0;О-Т1)

Рис.6.3. Фрагмент сложного оксида меди

Таким образом, в структуре ВТСП можно выделить блоки или группу слоев типа СиО2 и {МО}, упакованных так же, как в структуре перовскита, и слои типа [АО] и [МО], аналогичные слоям структуры NaCl. Количество слоев в этих блоках может изменяться в широких пределах: в зависимости от общей формулы от двух до четырех в блоке типа NaCl и от одного до пяти слоев [СиО2] в перовскитном фрагменте.

Общие понятия о слоистой структуре ВТСП позволяют прогнозировать дальнейший поиск высокотемпературных сверхпроводников, несмотря на то, что механизм сверхпроводимости в этих материалах до конца не ясен. Ясно, что ключ к ВТСП нужно искать в слое СиО2, все остальные лишь создают оптимальное для сверхпроводимости состояние купратного слоя.

Слои СиО2, которые ответственны за возникновение сверхпроводимости и обладают формальным отрицательным зарядом, расположены в перовскитных блоках. Если их число больше одного, то между этими слоями располагаются бескислородные К-слои. Остальные диэлектрические блоки обеспечивают стабильность структур, компенсируют отрицательный заряд слоя СиО2. Они обладают формальным положительным зарядом, который можно менять с помощью гетеровалентного замещения катионов или изменением количества кислорода. Это позволяет достигать оптимальной для проявления сверхпроводимости концентрации дырок в зоне проводимости. Структуры с подобными последовательностями слоев устойчивы только в том случае, если межатомное расстояние в любом слое соразмерно с аналогичными расстояниями в ниже-или вышележащих слоях. Причем наиболее важным является согласование между слоями СиО2 и МО. Этому условию наилучшим образом удовлетворяют катионы Ва2+, Sr2+, La3+. 

69Для катионов Нg2+ в оксидных фазах характерна гантелееобразная координация. При замене в слое АО катиона А на Нп2+ несоразмерность между слоями МО и АО отсутствует, а большая часть атомов ртути имеет координационное окружение в виде гантели, образованное за счет атомов кислорода из соседних слоев АО. В результате такой кристаллохимической особенности катионов Нg2+ связь НgO в плоскости слоя НдОб должна быть очень слабой и не может оказать влияния на соразмерность структурных фрагментов. В этом слое наличие атомов кислорода становится необязательным, они могут быть необходимы лишь для создания соответствующей концентрации дырок в зоне проводимости.

Общая формула ртутьсодержащих ВТСП: НgВа2(R,Са)n-1СunО2n+2+б. В начале 1993 года был получен первый ртутьсодержащий сверхпроводник НgВа2СuО4+б (общепринятое обозначение "Нg -1201") с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 94 К. В этом же году были получены и другие соединения этого семейства. При этом "Нд -1223" обладает рекордной Тс = 135 К. Структуры этих ВТСП показаны на рис.6.4 - 6.7.

Во всех структурах в одном слое с атомами ртути находятся атомы кислорода, которые частично заселяют свои позиции. Количество этих атомов можно легко менять с помощью различных термообработок, что сильно сказывается на температурах перехода соединений в сверхпроводящее состояние. Такие атомы кислорода структурно необязательны, однако сверхстехиометрический кислород сильно влияет на степень окисления меди в слоях СиО2, так как при его внедрении окисляется катион меди - единственный катион, который может быть окислен. На рис.6.6 и 6.7 атомы Си и О в одной плоскости образуют бесконечные слои из квадратов

Последовательное наращивание толщины перовскитового фрагмента после третьего члена гомологического ряда уже не приводит к существенным изменениям в строении других структурных блоков, меняется лишь число чередующихся слоев СuО2 и Са. Так как при этом избыточный заряд слоя НgО2 распределяется на все большее число слоев СuО2, средняя формальная степень окисления атомов Сu перестает увеличиваться, что сказывается на уменьшении температуры перехода в сверхпроводящее состояние до 110 К для НgВа2Са4Сu5О12+б

           •Са

   

Рис 64       Структура       НgВа2СuО4-б   Рис.6.5.   Структура   НgВа2СаСu2О6-б

(Тс = 94 К). Атомы Си расположены внут-   (Тс = 127 К). Атомы Си расположены

ри октаэдра    внутри тетрагональных пирамид

-Нg O.

         

-                       o  Са

           -----------------------

                       o   CuO

          -------------------------  

                       o                

                               

     Рис 66      Структура      НgВа2Са2СuО8+б Рис.6.7. Структура НgВа2Са3Сu4О10+б,

(Тс =135 К).    Атомы    Си    расположены (ТС=126К). Атомы Си расположены

внутри тетрагональных пирамид и квад- внутри тетрагональных пирамид и

ратов квадратов

В 1993 году Чу обнаружил, что для ВТСП "Нg -1223" Тс сильно увеличивается с ростом внешнего давления и достигает 153 К при давлении -150 тыс. атм. Вскоре результат был подтвержден и получено значение Тс = 157 К для давления 235 тыс. атм. Эти результаты показали принципиальную возможность существования сверхпроводимости при подобных температурах в сжатых слоях СиО2 с уменьшенным расстоянием Сu-О.Данные результаты указывают на направление поиска новых ВТСП с большим Тс. Например, можно модифицировать катионный состав ртутьсодержащих сверхпроводников для аналогичного сжатия структуры либо получать сжатые метастабильные структуры послойным нанесением эпитаксиальных слоев на подложки с подобранными значениями параметров кристаллической решетки.Синтез ртутьеодержащих ВТСП осложняется тем, что в качестве источника ртути обычно используют ее оксид - НgО, а это соединение имеет низкую температурную стабильность: в открытой системе оно раз-лагается уже при 400 °С. Попытки синтезировать ртутьсодержащие соединения в проточном кислороде по аналогии с другими ВТСП не удались. Нg-содержащие соединения получают только при реакциях в закрытом объеме, обычно в запаянных кварцевых ампулах при давлении 1,8 - 7,5 ГПа и температуре ~880 °С. Общее правило получения более высоких гомологов - повышение температуры и увеличение времени синтеза.В результате синтеза обычно не получают абсолютно однородный материал. Чаще всего он содержит некоторое количество более простых меркуратов или промежуточных фаз. Высшие гомологи обычно содержат примеси других членов ряда. Электронно-микроскопические исследования показали совершенство кристаллитов для первых членов гомологического ряда. С ростом п увеличивается концентрация различных дефектов упаковки слоев.

*   . Несмотря на многочисленные теоретические работы, теория высокотемпературной сверхпроводимости на микроскопическом уровне пока че разработана. Ряд ученых предполагают, что теория Бардина-Купера-Шриффера справедлива и для ВТСП. Однако механизм спаривания электронов в куперовские пары, видимо, отличен от электрон-фононного и может быть более сложным.

1. варианты. Первые три схемы ~ возвратные то есть формально деньги придется когданибудь вернуть другие три
2. і. Просте спадкування
3. За~ды т~л~алар мен жеке к~сіпкерліктерді~ банкротты~ы туралы істерді сотта ~арау ерекшеліктері
4. возбудителя; состоянием макроорганизма его восприимчивостью к микробу; факторами внешней среды
5. Реферат- Принципы текстового анализа
6. Загальні положення Автоколивні генератори прямокутних імпульсів ГПІ мультивібратори МВ це пристрої
7. Лабораторная работа 1 по физике среды и ограждающих конструкций- Исследование распределения темпера
8. Загальна характеристика валютних опціонів
9. Конституционное судопроизводство в России
10. 2014 Средневековый город Львов всегда приятно удивляет гостей А исторический центр этого города внесен в с
11. експериментального дослідження тих особливостей особистості які найменш доступні безпосередньому спосте
12. Любое существо может исповедовать одну из трех религий а так же переходить из одной религиозной системы в
13. Принципы и задачи уголовного права
14. 200 г. Гражданин Российской Федерации паспорт серия N выдан
15. . Предварительный расчет усилителя
16. Реферат з педагогіки Інноваційні технології у педагогіці Метою державної Національної програми
17.  Определение функциональности в компенсации Функциональность ~ определение человека как себя в обществ
18. тема как структура и как субстанция Структурные и системные иерархии Параллельные автономные сист
19. Subject Clering the tble Issue Dte Revision 1
20. в отрезках Если в общем уравнении прямой Ах Ву С 0

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе