11

ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

7 и 8 семестры

7 семестр: лекции, две контрольные работы, зачет.

8 семестр: лекции, расчетное задание, лабораторные работы, две контрольные работы, зачет, экзамен (по материалу двух семестров).

Требования и оценка контрольных работ. Результаты контрольных работ - только через ОСЭП.

Зачет 7 семестра: (КР1 + КР2)/2,

Зачет 8 семестра:

[(КР1+ КР2)/2]*0.6+(ЛБ+РЗ)*0.4.

Итоговая оценка:

[(Зач.7+Зач.8)/2]*0.4+Экз.*0.6.

Сайт дисциплины находится по адресу: http://ftemk.mpei.ac.ru/ncs

либо на него можно выйти через Портал МЭИ и кафедру ФЭМАЭК.

Вам необходимо его посетить и распечатать для себя графические раздаточные материалы к нашей дисциплине. Кроме того, на сайте Вы найдете литературу по курсу, описания лабораторных работ и т. д.

Как связаться со мной:

e-mail: popovai@mpei.ru

аудитория И-303.

Особенность и сложность предмета – отсутствие однозначных представлений по многим вопросам. Сами материалы – предмет рассмотрения – были открыты сравнительно недавно: ХСП – в конце 50-х годов, a-Si:H – в 1975году, об алмазоподобных пленках аморфного углерода всерьез заговорили в последние 10 лет.

При этом встает вопрос: а нужен ли и, если да, то зачем такой курс при подготовке специалистов электронной техники?

Начну с тезиса, что проблема неупорядоченных полупроводников относится к одной из наиболее интересных и наименее изученных областей физики конденсированных сред.

Действительно, достаточно очевиден разрыв между возможностями теории конденсированного состояния и тем реальным миром, который нас окружает.

Общеизвестно, что наибольших успехов теория конденсированных сред добилась в приложении к крайне идеализированному объекту – монокристаллическому состоянию вещества.

С другой стороны очевидно, что монокристаллы встречаются несравненно реже, чем неупорядочные системы - поликристаллы, неупорядоченные сплавы, аморфные и стеклообразные материалы. Во многих случаях к перечисленным материалам оказываются неприменимы основные положения физики монокристаллов, поскольку они основаны на существовании периодической кристаллической решетки или, иначе говоря, на существовании трансляционной симметрии. В результате мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией, когда на основе ''классической'' теории мы не можем объяснить простейших и очевидных свойств некристаллических материалов.

Приведу такой пример. Известно, что спектр оптического пропускания материала определяется шириной его запрещенной зоны (материал прозрачен для излучения с энергией квантов h<E_g). С другой стороны, Вам известно, что зонная структура в целом и наличие запрещенной зоны в частности вытекает из зон Бриллюэна, которые, в свою очередь, основаны на периодичности кристаллической решетки. (Запрещенная зона является следствием Брегговского отражения электронных волн от границ зон Бриллюэна). Поскольку в некристаллических материалах нет периодической кристаллической решетки, то к ним не применимы понятия функции Блоха, зон Бриллюэна. В этом случае, с позиций физики кристаллов нельзя говорить о зонной структуре и о запрещенной зоне. Но тогда попробуйте объяснить, почему стекла в окнах нашей аудитории пропускают свет.

{Причины и следствия}.

Резюмируя, можно сказать, что в академическом плане давно стоит проблема создания теории широкого класса конденсированных веществ, которая бы, как частный случай, включала бы существующую теорию монокристаллов.

Эту мысль в достаточно интересном аспекте сформулировал президент американской компании ECD С. Овшинский:

«Знание кристаллографии и кристаллофизики мешает понять природу некристаллических материалов. В противоположность этому, легко понять природу кристаллических тел, зная общие природу и законы некристаллических материалов».

Таким образом, познавательный интерес к некристаллическим системам, на мой взгляд, достаточно очевиден. Вместе с тем, безусловно возникает вопрос о том, насколько актуальна данная проблема для специалистов в области материалов и устройств электронной техники?

Действительно, большая часть материаловедческих проблем в современной твердотельной электронике и микроэлектронике связана с разумным и целесообразным использованием монокристаллов и, прежде всего, монокристаллического кремния.

Однако если подходить к проблеме технологии электронных устройств более внимательно, то сразу обнаружится, что один монокристалл не может обеспечить функциональные возможности электронных устройств. Кроме монокристалла в любом приборе присутствуют контактные области, диэлектрические слои, представляющие собой неупорядоченные твердые растворы, сплавы, стеклообразные материалы типа диоксида кремния (SiO₂), нитрида кремния (Si₃N₄) и т. д. Естественно, что невозможно управлять свойствами подобных систем, опираясь на теорию монокристаллов.

Более того, даже в монокристаллах далеко не всегда можно опираться на классическую «кристаллическую» теорию. Рассмотрим такой пример. Известно, что электрофизические свойства полупроводниковых монокристаллов определяются примесными центрами. Однако, даже в совершенном монокристалле примесные атомы располагаются хаотически. Таким образом, проводимость (движение электронов) по примесям (которая наблюдается в сильнолегированных монокристаллах) не может быть описана классической теорией, несмотря на то, что электрон двигается в кристаллической решетке.

И последнее по порядку, но не по важности, это физика и технология приборов, активной частью которых являются некристаллические полупроводники. К таким приборам прежде всего относятся:

• Фотоэлектрические преобразователи энергии (солнечные батареи) с к. п. д. более 10 % на основе гидрогенезированного аморфного кремния (a-Si:H) и его сплавов.

• Матрицы тонкопленочных транзисторов для управления плоскими дисплеями и телевизионными экранами.

• Устройства для записи и обработки оптической и голографической информации:

- видиконы (принимающие телевизионные трубки);

• оптические диски;

• фототермопластические носители информации;

• фото-, электроно- и рентгенорезисты.

--Устройства для копирования информации и принтеры для ЭВМ (ксерокс-процесс).

ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

Трудности заключаются в том, что общий принцип определения – от общего к частному в данном случае вынужденно нарушается.

------------------------------------------------------------------

При термодинамическом подходе к классификации неупорядоченных систем анализируется энергетическое состояние системы с точки зрения её стабильности.

Равновесная (стабильная) система должна обладать минимальной свободной энергией при данных условиях (температуре, давлении). Таблица.

Любое изменение этой системы будет связано с повышением её энергии и, следовательно с переводом её в неравновесное состояние. Таблица.

К термодинамически равновесным системам относятся кристаллы (которые мы не рассматриваем), а из неупорядоченных систем – жидкости и газы. Таблица. К неравновесным системам относятся плазма и некристаллические твердые тела. Таблица.

Таким образом, для некристаллических полупроводников в твердом состоянии, наряду с потерей дальнего порядка, характерной чертой является термодинамическая неравновесность. (Кристалл может находиться и в неравновесном состоянии. Некристаллическое твердое тело не может находиться в равновесном состоянии).

При этом возникает следующий вопрос. Из самых общих соображений понятно, что любая система должна стремиться к минимуму свободной энергии, то есть к состоянию равновесия. С другой стороны также известно, что изделия из стекла сохраняются в стеклообразном состоянии в течение столетий. В связи с этим возникает необходимость разобраться с проблемой стабильности термодинамически неравновесных систем.

Термодинамические уровни стабильности

Как правило, рассматривают два уровня стабильности термодинамически неравновесных систем:

• метастабильность,

• истинная нестабильность.

В случае метастабильных веществ система, перед достижением стабильного состояния, должна пройти через промежуточное нестабильное состояние с повышенной энергией. Другими словами, существует некоторый энергетический барьер, который система может преодолеть только под влиянием активационных процессов.

Эту ситуацию можно проиллюстрировать следующей механической аналогией:

Рассмотрим прямоугольный параллелепипед на плоскости:

его равновесному состоянию будет соответствовать положение с опорой на широкую грань – минимальная высота центра масс. Положение с опорой на узкую грань будет соответствовать метастабильному состоянию (рис). Действительно, как видно из рисунка, для перевода параллелепипеда из этого состояния в равновесное (опора на широкую грань) необходимо произвести некоторую работу для преодоления энергетического барьера, связанного с промежуточным подъемом центра масс (рис).

Если же система находится в истинно нестабильном состоянии, то для перехода в равновесное состояние никаких барьеров преодолевать не требуется. Продолжив механическую аналогию, можем

изобразить нестабильное состояние,

как пирамиду, в положении на вершине.

Перевод её на любую грань происходит

только с понижением центра масс

(безактивационный переход).

Очевидно, что рассмотренные превращения в конденсированных системах связаны с перемещением атомов, то есть с изменением их пространственного положения. Поэтому подобные превращения описывают с помощью зависимости энергии системы от, так называемой, обобщенной координаты, являющейся функцией координат всех атомов системы:

Ř(Σ[r_xi, r_yi, r_zi]).

В случае метастбильного состояния эта зависимость выглядит следующим образом.

--------------------------------------------------------------------

Количественные характеристики стеклообразования

Существует достаточно много различных теорий, концепций, полуэмпирических правил и критериев стеклообразования. Они базируются на разных подходах и на разных группах свойств. Например, на термодинамических свойствах, на кинетических характеристиках материалов или структурно-химических характеристиках атомов. Часто возникают дискуссии: какая концепция более правильная, или какой критерий лучше. На мой взгляд, такие дискуссии – дело достаточно неблагодарное. (Так же как дискуссии: является ли электрон частицей или волной, в начале прошлого столетия). Все эти дискуссии описывают один и тот же процесс, но подходят к нему с разных сторон. Поэтому мы не будем рассматривать много критериев стеклообразования, а рассмотрим только один, предложенный С. А. Дембовским и основанный на структурно-химических характеристиках атомов, образующих материал.

С. Дембовский попытался найти связь стеклообразующей способности материала (минимальной скорости охлаждения расплава, при которой образуется стекло) с характеристиками внешней электронной оболочки атомов, его составляющих. В качестве таких характеристик он использовал:

• общее число электронов на внешней электронной оболочке атома – концентрация валентных электронов (ВЭК);

• число электронов, участвующих в валентных связях (число электронов на связывающих орбиталях) – координация атома (К).

Однако оказалось, что стеклообразующая способность лучше всего коррелирует не с каждой из этих характеристик в отдельности, а с их разностью: ВЭК – К.

С другой стороны, эта разность равна полному числу электронов неподеленных пар. С. Дембовский показал, что для всех стеклообразующих материалов среднее относительное число электронов неподеленных пар

Ψ (пси) = (ВЭК – К) / ВЭК

лежит в достаточно узком диапазоне:

Ψ = (ВЭК – К) / ВЭК = 0,50 – 0,66.

Рассчитаем этот критерий для различных материалов:

Se: Ψ = (6 – 2) / 6 = 0,66 – стеклообразователь;

As₂Se₃ – As₄₀Se₆₀: ВЭК = 5·0,4 (As) + 6·0,6 (Se) = 5,6

K = 3·0,4 (As) + 2·0,6 (Se) =2,4

Ψ = (5,6 – 2,4) / 5,6 = 0,57 – очень хороший стеклообразователь;

As: Ψ = (5 – 3) / 5 = 0,4 – при нормальных скоростях не стеклообразует;

Si: Ψ = (4 – 4) / 4 = 0 – вообще не стеклообразует.

Чем определяются указанные границы критерия?

При Ψ < 0,50 из-за малого количества электронов неподеленных пар образуется жесткая структурная сетка. Другими словами, нарушается условие наличия достаточного количества шарнирных связей.

При Ψ > 0,66 образуются отдельные небольшие молекулы и не создаётся непрерывной структурной сетки, то есть нарушается условие обязательного наличия высокополимерных комплексов.

Таким образом, параметр Ψ является количественным критерием стеклообразующей способности.