Особливості пружної деформації кристалів p-Si

Міністерство освіти і науки України

Львівський національний університет імені Івана Франка

Факультет електроніки

Курсова робота

на тему: ”Особливості пружної деформації кристалів p-Si”

Підготував

студент групи

Науковий керівник

Львів-2015

Зміст

[1] Вступ

[2] 1. Літературний огляд

[3] Висновки

Вступ

Розвиток фізики значною мірою визначається технічними можливостями, які дозволяють реалізувати дослідження в екстремальних умовах експерименту. В фізиці напівпровідників, зокрема, реалізація таких досліджень має важливе значення як з точки зору вивчення механізмів нетривіальних ефектів, які, як правило, виникають в екстремальних умовах, так і для вирішення проблем матеріалознавства, пов'язаних з визначенням граничних можливостей того чи іншого матеріалу.

В зв’язку з тим, що сильні напрямлені тиски суттєво змінюють зонну структуру напівпровідників, механічні напруги, які виникають в кристалах, структурах та приладах на їх основі, або застосовуються для досліджень, повинні приводити до значних змін їх електрофізичних характеристик. Тому дослідження ролі механічних напружень у визначенні електрофізичних характеристик напівпровідникових матеріалів, зокрема p-Si, кристали яких є модельними напівпровідниками – є  актуальним як з точки зору використання одержаних даних для підвищення стабільності функціонування напівпровідникових приладів, так - і з точки зору здобуття відповідної інформації про тензорезистивні властивості матеріалів та структур, що можуть бути використані для розробки чутливих елементів механо-електричних перетворювачів.

Незважаючи на значну кількість експериментальних і теоретичних робіт, присвячених вивченню фізичних властивостей таких напівпровідникових матеріалів як  кремній, й досі залишаються нез'ясованими механізми багатьох ефектів, що виникають в валентній зоні напівпровідника при сильних одновісних пружних деформаціях.

1. Літературний огляд

Відомо, що дія зовнішніх чинників може впливати на електрофізичні та хімічні властивості напівпровідникових кристалів, зокрема, на поведінку лінійних дефектів, які генеруються в процесі різних типів технологічних обробок та механічної деформації.

У науковій літературі проаналізовано різні аспекти цієї проблеми [1-4], однак участь локалізованих поблизу дислокацій домішок та точкових дефектів (хмарини Котрелла) в одновісно деформованих та опромінених кристалах кремнію практично не розглянуто.

У праці [2] одержано результати дослідження впливу зовнішніх чинників на характер релаксації магнітомеханічного ефекту (ММЕ) в кристалах кремнію. Наприклад, комбінована дія рентгенівської обробки (РО) і магнітної обробки (МО) засвідчила, що РО, проводена перед магнітною обробкою, впливає на кінетику релаксації ММЕ. Цей експериментальний факт пояснюють так. Якщо РО проводити перед МО, то вакансії, введені під час РО, модифікують А-подібні дефекти, тобто O-V комплекси, і утворюють стабільні дефекти типу O-V2, які заморожують процес релаксації та призводять до появи залишкового ММЕ.

Наявність у науковій літературі декількох моделей взаємодії дислокацій з кристалічною ґраткою, дефектами та домішками, неоднозначне трактування процесів перебудови структури кристала під дією деформації, опромінення та дії магнітного поля не дає змоги зробити однозначний висновок про вплив дислокацій на електрофізичні властивості кремнію.

1.1 Кремній та його властивості

Силіцій (Si) — хімічний елемент з атомним номером 14, проста речовина якого, кремній, утворює темно-сірі зі смолистим блиском крихкі кристали з гранецентрованою кубічною ґраткою типу алмазу.

Кремній — напівпровідник, електричні властивості якого сильно залежать від домішок. При низькій температурі Силіцій хімічно інертний. З багатьма металами утворює силіциди. Вміст у земній корі 27,6% за масою. Солі кремнієвих кислот поширені в природі — мінерали класу природних силікатів. При ізоморфному заміщенні в їхній структурі частини кремнію алюмінієм утворюються алюмосилікати. Відомо понад 400 мінералів, що містять Силіцій. Найважливіші мінерали Силіцію — силікати, кремнезем.

Вільний кремній може бути в аморфному і кристалічному стані. Аморфний кремній — бурий порошок, а кристалічний має сірий колір і металічний блиск. Густина — 2,33 г/см³; температура плавлення 1423°С, температура кипіння 3250 °C

Кремній є непрямозонним напівпровідником з шириною забороненої зони 1,12 еВ. Електричного струму чистий кремній майже зовсім не проводить. Електрична провідність кремнію сильно залежить від присутності домішок, які поділяють на два види: донори й акцептори. При переважанні донорів основними носіями заряду в кремнії є електрони провідності, при переважанні акцепторів — дірки. Такий кремній є напівпровідником n-типу й p-типу, відповідно.

Кремній дуже зручний з огляду на технологію виготовлення напівпровідникових пристроїв електроніки, а тому є основним її елементом. Власний, очищений від домішок, кремній використовується як підкладка, області провідності різних типів порівняно легко можна утворити вибірковим легуванням, тоді як шари діоксиду силіцію, утворені при вибірковому окисленні, відіграють роль ізоляторів між провідними областями.

1.2 Дислокації в кристалах кремнію

Дислокація - лінійний дефект у кристалі, додаткова кристалічна площина, вставлена в кристалічну ґратку. Розрізняють крайові й гвинтові дислокації, а також дислокації змішаного типу. На границях розділу матеріалів з різною кристалічною структурою можуть утворюватися дислокації невідповідності. В окремих випадках дислокації утворюють дислокаційні петлі. Кожна дислокація характеризується вектором Бюргерса. Рухом дислокацій пояснюється пластичність матеріалів.

Поняття про дислокації як специфічні дефекти атомно-кристалічної структури є одним з важливих у фізиці твердого тіла та матеріалознавстві. Ситуація в галузі фізики дислокацій доволі динамічна, про що свідчить численна бібліографія з цієї проблеми [1–5].  Теоретичні та експериментальні дослідження засвідчують вплив дислокацій на механічні, електричні та низку інших властивостей твердих тіл [5–7]. Характерною особливістю дислокацій є те, що вони створюють навколо себе в кристалічній ґратці поле напружень зі значною енергією пружної деформації. Таке поле здатне захоплювати домішки та інші дефекти ґратки, створюючи навколо дислокації так-звану хмаринку Коттрела [8].

Поле напружень і скупчення дефектів навколо дислокації знижують енергію звільнення атомів поблизу дислокації в разі травлення кристалічної поверхні селективним травником. Зокрема, у випадку розчинення деформованого матеріалу поблизу дислокації вивільняється енергія, зв’язана з деформацією [4, 6]. Тому вихід на поверхню дислокації виявляється ямкою травлення [6].

Дислокації здатні переміщатись по кристалічній ґратці у полі механічних напружень [9].  Захоплюючи домішки на своєму шляху, дислокації здатні очистити частину кристала і можуть відігравати роль гетера в разі виготовлення напівпровідникових приладів [1–3]. Завдяки тому, що в оточенні дислокації концентрація дефектів зростає, біля дислокації треба очікувати прискорення процесів взаємодії дефектів між собою (ефект каталі-

затора), що допомагає виявити закономірності, які в бездислокаційному кристалі не можуть чітко виявитись. Зі сказаного можна зробити висновок, що, залежно від концентрації дислокацій, домішки та інші дефекти ґратки можуть по-різному впливати на фізичні властивості напівпровідникового монокристала.

1.3 Вплив пружної деформації на питомий опір кристалів p-Si

Зміна електропровідності монокристалів кремнію в процесі пружної деформації обумовлена рядом факторів. Основні з них:

1. Деформація кристалічної гратки p-Si може спричинити зміну структури його енергетичних зон, що, в свою чергу, призведе до зміни співвідношення між концентраціями «важких» та «легких» дірок (з ефективними масами відповідно 0,52 та 0,16 маси електрона [4]). В кремнії основний вклад в пружні властивості вносять важкі дірки, кількість яких становить 85 % від загального числа дірок [5].

2. У пружно деформованій кристалічній гратці виникають сили, які спричиняють рух дефектів, їх коагуляцію в кластери та конденсацію на дислокаціях [6]. Механічні напруження в кремнії можуть виникати і при напиленні на ньому металічних плівок [7]. Такі напруження виникають за рахунок невідповідності параметрів граток і коефіцієнтів температурного розширення кремнію та плівки. Крім того, напилена на поверхню Si металічна плівка, служить ефективним гетером для глибоко-рівневих структурних дефектів [8]. Такими дефектами, що гетеруються в приконтактному шарі напівпровідник-метал можуть бути домішкові атоми, винесені з об’єму зразка в приповерхневу область, атоми кремнію котрі виходять з вузлів гратки у міжвузлову область та вакансії, що утворюються при такому виході [9]. Зміна дефектного фону в кристалі повинна вплинути на концентрацію та рухливість носіїв заряду, з якими пов`язана електропровідність напівпровідника.

У роботі [10] встановлено, що під дією низькотемпературної деформації при малих та середніх напруженнях (400 МПа) дислокації в кремнії зароджуються лише у тонких приповерхневих шарах і на відміну від ростових дислокацій проявляються у вигляді невеликих («плитких») ямок травлення. При таких умовах основним типом дефектів структури, що створюються при короткочасному (декілька хвилин) деформуванні є вакансії та вакансійно- домішкові кластери, а при тривалих випробуваннях (декілька годин, діб) у приповерхневих шарах кристалів зароджуються також дислокації. Деформаційні дислокації мають гетерогенне походження і виникають на неоднорідностях, які періодично розташовані в «смугах росту», а ростові дислокації не проявляють себе у якості джерел нових дислокацій. На початкових етапах деформування зразків їх мікропластична деформація відбувається за рахунок зміщення ростових дислокацій (механізм виснаження дислокацій), а вище деякого критичного напруження мікроповзучість контролюється появою нових дислокацій від гетерогенних джерел (механізм розмноження) [10]. Авторами [11, 12] виявлено, що напрямок дифузійних потокiв вакансiй і мiжвузлових атомiв в кристалi може визначатися зовнiшнiм механiчним впливом. У такому випадку роль сили, що видiляє переважний напрямок дифузiї точкових дефектiв у твердому тiлi, вiдiграє величина, яка пропорцiйна градiєнту напруження. Дiюча на вакансiю сила спрямована у напрямi градiєнта напруження, тобто у напрямi бiльш стисненої частини кристала, а дiюча на мiжвузловий атом сила спрямована у зворотньому напрямку [12]. Наприклад, при згинаннi кристалу з’являється можливiсть дифузiйного перемiщення мiжвузлових атомiв уздовж дислокацiї на поверхню, яка розтягується; у зворотному напрямку буде вiдбуватися перемiщення вакансiй.

1.4 Вплив пружної деформації зразків p-Si з різною концентрацією дислокацій на їх електропровідність

Розглянемо для порівняння дослідження залежності електропровідності від величини пружної деформації (R(P)) “бездислокаційних” промислових монокристалів p-Si марки КДБ 1÷10, застосовуваних при виготовленні електронних приладів. Вимірювався опір зразка між двома контактними площадками на грані (111) за заданої швидкості зміни навантаження протягом циклу стиску та розтиску зразка, які слідували один за одним. Використовувались три швидкості зміни навантаження: І - 0,12 кГ/хв.,

П - 0,24 кГ/хв. та Ш - 0,5 кГ/хв. Сила тиску прикладалась паралельно цій грані (в напрямку []).

Основні результати досліджень R(P) при стиску та розтиску зразка наступні:

  •  на перших стадіях експерименту при стиску опір зразка помітно зростає, при розтиску ж – він слабо змінюється. Так під час першого циклу внаслідок стиску опір зразка зріс на 2,0%, при другому – на 0,7%, а після двох наступних циклів в кінці стиску опір зріс лише на 0,1%. Всього після першої серії з чотирьох циклів стиску–розтиску опір зразка зріс на 2,8% (від 13,980 до 14,370 Ом.);
  •  кожна наступна серія циклів стиску – розтиску проводилась після перерви на 3 -5 діб. За той час опір зразка практично відновлювався (за вийнятком четвертої серії) до початкового значення 14,12 Ом. Четверта серія досліджень розпочиналась при опорі зразка 14,28 Ом;
  •  з кожною наступною серією зміна опору зразка після одного циклу зменшувалась від 0,7 %до 0,2 % (на четвертій серії, яка складалась з восьми циклів).

Описані результати досліджень свідчать про те, що у “бездислокаційному” (коли концентрація дислокацій не перевищує 100 см-2 ) монокристалічному зразку під час пружної деформації виникають дефекти, що зменшують його електропровідність, час життя яких за кімнатної температури не перевищує 40 годин. Після 10 -12 циклів стиску – розтиску виникають більш стійкі дефекти, які зберігаються в кристалі і після 100 годин витримки зразка за кімнатної температури, спричиняючи збільшення опору зразка на 1,13 %.

Цікаво було дізнатись як впливатимуть дислокації на залежність R(P) такого ж зразка. З цією метою досліджувався зразок p-Si, вирізаний поруч з дослідженим вище зразком з монокристалічного диску товщиною 4 мм з орієнтацією площин (111). Розміри зразка після механічної та на хімічної обробок [2] були близькі до попереднього і становили 7,6 х 4 х3,6 мм. У цьому зразку пластичною деформацією за 700°С (на спеціальному пристрої [3]) вздовж довшої грані в напрямку [] були створені дислокації. Селективним травленням були виявлені місця виходу дислокацій на поверхню зразка, які на грані (111) мають форму обернених трикутних пірамід. При спостереженні в розсіяному світлі граней (111) видно нерівномірний розподіл дислокацій вздовж зразка (рис. 1). Поблизу торців їх концентрація більша ніж у центральній частині (відповідно рис. 2 та 3). Спостерігаються рядки дислокацій, якими продекоровані виходи на грань (111) площин ковзання шарів монокристала під час пластичної деформації .Середня густина дислокацій в 1 мм зоні побизу торців зразка становила 8,22x104 см-2 

Рис. 1.  Дислокаційні ямки травлення поблизу торця зразка p–Si, Х 240.

Рис. 2. Дислокаційні ямки травлення біля середини досліджуваного зразка, Х240.

Для дослідження електропровідності на гранях (111) були створені три омічні контакти (рис.3). по відомій технології [4] з використанням спеціального пристрою для одночасного нанесення контактних алюмінієвих плівок на протилежні грані зразка. До алюмінієвих площадок були приварені термокомпресійним способом тонкі (Ø 20 мкм) золоті дротини за допомогою двосторонньої касети яка дозволяла проводити експрес-контроль якості зварки.

Рис. 3. Розміщення електричних контактів на експериментальному зразку.

Стискання і розтискання зразків теж здійснювалось з трьома швидкостями. Криві залежності R(P) мали форму, показану на рис. 5 та рис. 6, які відповідають ІІ та ІІІ швидкостям відповідно. Всі криві R(P), що відповідають різним швидкостям стиску подібні між собою: криві 1 зменшення опору при збільшенні тиску йдуть нижче від кривих 2, які відповідають збільшенню опору зразка при зменшенні тиску на нього (рис. 5 та 6) і обидві сходяться при відсутності тиску на зразок. При переході з режиму стиску до режиму розтиску (права сторона рисунків) спостерігається різкий скачок опору (показано пунктиром на рис. 5.). З метою детальнішого вивчення цього явища було проведено в цьому районі два додаткові короткі цикли стиску – розтиску зразка (на правій частині рис. 6 – дві додаткові петлі). Кожна наступна петля проходить вище від попередньої, що обумовило хід кривої  2  дещо вище над кривою 1, ніж це  спостеріг

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Курсова робота Факультет електроніки. Кремній та його властивості. Дислокації в кристалах кремнію. Вплив пружної деформації на питомий опір кристалів p-Si. Вплив пружної деформації зразків p-Si з різною концентрацією дислокацій на їх електропровідність

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Аннотация на произведение «На севере диком»

Специальность «Дирижирование». Общие сведения о произведении и его авторах

Газопаровые установки

Бінарні цикли . Ефект Пельтье. Абсолютна термо-ЕРС. Зміна температури по довжині термоелемента . МГД установки замкнутого циклу

Концепции Потебни и Гумбольдта

Создателя научной лингвистики В. Гумбольдта, которому принадлежит идея определения речи как речевой деятельности и понимание языка как связующего звена между социумом («общественностью») и человеком, можно считать одним из предшественников психолингвистики.

Перечень экзаменационных билетов По дисциплине Философия

Особенности организации и проведения рекреационно-оздоровительных мероприятий

Выпускная квалификационная работа. Рекреация и спортивно-оздоровительный туризм. Характеристика различных видов рекреационной деятельности. Цель, задачи, методы и организация исследования. Состояние и перспективы развития парковых зон в Москве. Особенности организации и проведения рекреационно-оздоровительных мероприятий.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok