F_01_cr-dif (553279), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. Si O₂: а - кристаллическая структура кварца, б – аморфная структура кварцевого стекла.

При охлаждении жидкости возможно получение кристаллической (с дальним порядком) или аморфной (с ближним порядком) структуры. Результат зависит от

- вязкости жидкости вблизи температуры отверждения.

- скорости охлаждения,

- наличии центров кристаллизации.

Кристаллическая структура получается при малой вязкости, относительно медленном охлаждении, наличием центров кристаллизации. При кристаллизации происходит фазовый переход при определенной температуре, объем резко уменьшается.

В отсутствии центров кристаллизации и быстром охлаждении жидкость может быть охлаждена ниже температуры кристаллизации Т_s - стать переохлажденной (метастабильное состояние). Изменение структуры “отстает” от изменения температуры: атомы и молекулы не успевают перестроиться в упаковку, более эффективную с энергетической точки зрения. Структура перестает быть равновесной. Происходит процесс стеклования.

При переохлаждении до температуры Т₁ происходит нелинейное уменьшение объема, а ниже температуры Т₁ - линейное. Интервал температур от Т_s до Т₁ является областью отверждения - стеклования. Температура стеклования Т_ст условно определяется как точка пересечения касательных в области стыка линейной и нелинейной части зависимости V = f ( T ). (Для кристаллических структур отверждение происходит при одной и той же температуре Т_s . При большой скорости охлаждения можно получить аморфный металл.) От скорости охлаждения жидкости в интервале стеклования зависят свойства аморфного твердого тела - стекла. Так температура размягчения стекла зависит от “тепловой предыстории”.

Соблюдение лишь ближнего порядка обусловливает меньшую плотность аморфных тел, а также большое число разорванных связей, дефектов, большую величину свободной энергии Е_св. Избыток свободной энергии в неравновесном состоянии предопределяет возможность упорядочивания внутренней структуры. Процесс упорядочивания для стекла может длиться веками, для резины - годами. Тонкая пленка аморфной сурьмы может существовать долго, но при превышении некоторой критической толщины переход в кристаллическое состояние происходит взрывообразно.

Неупорядоченность внутренней структуры обусловливает изотропность свойств аморфных тел. Можно добиться анизотропности отдельных свойств при проведении стеклования в электрических или магнитных полях.

При высокой температуре в стекле могут растворяться разного рода добавки. Они изменяют температуру стеклования Т_ст. При этом меняется структура стекла (степень упорядоченности) и его свойства. Это расширяет возможности синтезировать аморфные материалы с заранее заданными свойствами. Кристаллические тела имеют фиксированное соотношение компонентов (показанные на диаграмме состояния), что ограничивает управление их свойствами.

Для подложек используют сочетание кристаллических и аморфных свойств твердых тел. Керамика большей частью содержит кристаллы (корунда, рутила, кристоболида,...) и несколько % стекла. В ситаллах стекла кристаллизуют путем введения добавок, способных образовывать зародыши кристаллитов. Аморфное стекло и в керамике и в ситаллах служат для связки кристаллитов.

Аморфные металлические сплавы получают осаждении при очень быстром охлаждении (1000ºС/с) жидкого металла на быстро вращающийся диск. Используются в качестве информационной среды при термомагнитной записи. Из-за отсутствия границ зерен уменьшаются шумы при считывании информации. Композитные пленки: Tb – Fe, Tb – Fe - Co, - используются в качестве магнито – оптического носителя для реверсивной лазерной записи.

Сравнение свойств кристаллического и аморфного вещества.

ДИФФУЗИЯ

Если имеется градиент какого-либо свойства, то происходит перенос этого свойства в область меньшей концентрации. Диффузия - это перенос массы путем перемещения частиц в направлении убывания их концентрации при тепловом движении. Чем больше градиент концентрации, тем интенсивнее диффузия. Гетеродиффузия - перемещение примесей, самодиффузия - перемещение атомов основного вещества.

Начиная с температуры Таммана ( Т_там = Т_пл / 2 ), подвижность атомов возрастает настолько, что становится возможным их перемещение по кристаллической решетке. Энергия, которую необходимо сообщить атому для единичного скачка в КР, называется энергией активации диффузии Е_диф.

На рисунке представлен переход атомов по междуузлиям и преодоление потенциального барьера: 1 - междуузельный механизм, 2 - вакансионный механизм. У последнего существенно меньше энергия активации диффузии.

Скорость перемещения частицы зависит от времени ”оседлой жизни”

 = _о ехр( Е_диф / k T ) ,

_о - постоянная, равная по порядку величины периоду собственных колебаний атомов в узлах КР ( _о = 10^-13 с ).

Энергия активации диффузии Е_диф представляет собой высоту потенциального барьера, который должна преодолеть частица, чтобы перейти из одного положения равновесия в другое. Средняя скорость перемещения частиц:

V =   ,

где  - расстояние между 2-мя ближайшими положениями равновесия (   а - межатомное расстояние ).

Ход диффузии в системе оценивается коэффициентом диффузии D.

D =  V a =  ( а² /  ) = (  а² ) / ( _o ехр ( Е_диф / k T )).

Коэффициент  зависит от геометрии элементарной ячейки:

 = 1 / 8 - при вакансионном механизме,

 = 1 /12 - для гранецентрированной решетки,

 = 1 / 24 - для объемоцентрированной.

Коэффициент диффузии D ( см² / с ) является скоростью прохождения диффузионного потока частиц, с которой система способна при заданных условиях выравнивать разность концентраций. Коэффициент диффузии зависит от

- диффузионной пары, в частности соотношения диаметров атомов (существует максимум растворимости одного вещества в другом),

- концентрации (с увеличение концентрации примесным атомам приходится проходить не только между атомами основного вещества, но и между примесными атомами, предварительно уплотнившими структуру),

- свойств материала - растворителя (например, температуры плавления - чем она меньше, тем меньше Е_диф),

- температуры процесса диффузии.

Различие величин скорости диффузии позволяет реализовать структуры с различными свойствами. Большая скорость диффузии необходима для легирования глубоких слоев или слоев с большой концентрацией примеси. Ее может обеспечить фосфор P в кремнии: коэффициент диффузии на порядок больше, чем GaAs или сурьма Sb. Последние вещества могут использоваться при необходимости малой скорости диффузии: эпитаксиальный n - слой будет слабо диффундировать в подложку p - типа при проведении изолирующей, базовой или эммиттерной диффузии.

Максимальная растворимость N_max – это максимально возможная концентрация растворимого вещества. Неограниченной взаимной растворимостью обладают компоненты, имеющие одинаковые типы химической связи и кристаллической решетки, а параметры кристаллической решетки различаются не более 15% .

Законы диффузии Фика.

1-ый закон. Плотность диффузионного потока частиц j_n пропорциональна градиенту концентрации:

j_n = - D (dN / dx) ,

где N - число частиц (концентрация), х - текущая координата оси. (Минус указывает на убывание концентрации.)

x

Рис. Распределение концентрации примеси N вглубь вещества от поверхности ( х = 0 ).

2 - ой закон диффузии определяет процессы накопления диффундирующей примеси в разных точках вещества с течением времени.

N / t = D ( ²N / x² ).

В технологических процессах оперируют параметрами: концентрация примеси у поверхности N_o, максимально растворимая концентрация N_max, температура Т, время операции t. Для формирования процесса используется:

- одноступенчатая диффузия из источника постоянной концентрации,

- двухступенчатая диффузия из источника с заданным числом атомов А.

N0 x

Рис. Распределение концентрации примеси из постоянного источника.

Концентрация примеси в точке кристалла с координатой “х” при одноступенчатой диффузии зависит от времени диффузии:

N ( x,t ) = N_o erfc ( x / ( 2 Dt )),

где erfc ( ) - дополнительная функция ошибок (табулированная).

При очень большой продолжительности диффузии (она идет при Т_там ) кристалл может оказаться равномерно легированным примесью. Ограничение времени диффузии t приводит к созданию на поверхности кристалла большей концентрации примеси, чем в глубине. Пределом является величина максимальной растворимости этой примеси в веществе кристалла при конкретной температуре. Такой профиль легирования используется, например, для создания эммиттерных областей транзисторов.

2-ой вариант - диффузия из источника с заданным числом атомов А производится в 2 приема. 1) Сначала осаждают на поверхность кристалла примесь числом А. 2) Затем источник диффузанта удаляют. 3) Выдерживают при температуре Т диффузии в течение времени t. При этом примесь диффундирует из поверхностного слоя вглубь.

Концентрация примеси в сечении “х” кристалла аппроксимируется распределением Гаусса:

N ( x,t ) = ( A /  D t ) exp ( - x² / ( 4 D t )).

Процесс предопределяет меньшую концентрацию примеси, но более равномерную вглубь кристалла.

Помимо легирования полупроводников, диффузия используется для сварки: на медные выводы электрорадиоэлемента (ЭРЭ) наносится слой индия, керамическая подложка прогревается до 400ºС, индий диффундирует в медь, образуя твердый раствор.

В датчике концентрации водорода используется открытая поверхность палладиевого затвора МДП (металл – диэлектрик - полупровожник) транзистора. Водород диффундирует через слой палладия к границе раздела металл – диэлектрик. Здесь происходит изменение контактной разности потенциалов и сдвиг вольт – амперной характеристики транзистора на величину, пропорциональную концентрации водорода.

Характеристики

Список файлов лекций