Дефе́кты - в кристаллах, нарушения строгой периодичности расположения частиц в кристаллической решётке. Различают точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы), одномерные (дислокации) и двумерные (поверхности, границы кристаллических зёрен и двойников). Дефекты возникают как в процессе кристаллизации, так и в результате внешних воздействий на кристалл. С дефектами связаны многие свойства кристаллов.

* * *

ДЕФЕКТЫ - ДЕФЕ́КТЫ в кристаллах (см. КРИСТАЛЛЫ), нарушения строгой периодичности расположения частиц в кристаллической решетке.

В идеальном кристалле при термодинамическом равновесии расположение атомов характеризуется строгой трехмерной периодичностью. Атомы (ионы) совершают гармонические колебания (см. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ) около своих положений равновесия, причем амплитуды колебаний зависят лишь от температуры и давления, а соотношения между атомами соответствует стехиометрической (см. СТЕХИОМЕТРИЯ) формуле вещества. Такие физические свойства идеального кристалла, как температура плавления, диэлектрическая проницаемость, парамагнитные и диамагнитные характеристики, определяются его химическим составом, силами связи между частицами и симметрией кристалла. Эти свойства структурно нечувствительны.

В реальных кристаллах всегда присутствуют структурные дефекты, которые оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел (см. ТВЕРДОЕ ТЕЛО). К этим свойствам, именуемым структурно-чувствительными, относятся те, которые связаны с движением атомов или электронов. Это механические свойства (прочность (см. ПРОЧНОСТЬ) и пластичность (см. ПЛАСТИЧНОСТЬ)), ионная и полупроводниковая электропроводность (см. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ), люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ), фотопроводимость (см. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ), теплопроводность (см. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ), скорость диффузии (см. ДИФФУЗИЯ) и фазовых превращений, и ряд других.

Дефекты - любые отклонения от периодической структуры кристалла - классифицируют по их размерам и протяженности областей решетки, на которое распространяется их действие. Выделяют следующие типы дефектов кристаллической решетки:

1) Точечные или нульмерные дефекты (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) - нарушения в периодичности в изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких междуатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты - это вакансии, междоузельные атомы, атомы примеси, внедренные или в позиции замещения.

2) Линейные дефекты - одномерные, т. е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают нескольких параметров решетки. Специфические линейные дефекты - это дислокации (см. ДИСЛОКАЦИИ). Неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных дефектов.

3) Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколько параметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников (см. ДВОЙНИКИ), границы зерен и блоков, дефекты упаковки, стенки доменов (см. ДОМЕНЫ), и сама поверхность кристалла.

4) Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.

Кроме перечисленных, можно выделить особую группу дефектов, характерную, в основном, для полупроводниковых кристаллов - микродефекты (см. МИКРОДЕФЕКТЫ). Под микродефектами понимают любые дефекты структуры субмикронных размеров.

Составить слова из слова дефекты

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ (простые полупроводники), химические элементы, простые вещества которых проявляют полупроводниковые свойства (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ).

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА). К ним относятся: элементы IVА подгруппы - углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементы VА подгруппы - фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIА подгруппы - сера, селен, теллур; элементы VIIА подгруппы - иод. Все они являются p-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами p-орбитали. В простых веществах с валентными s- и p-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО) К = (8 - N) , где N - номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVА координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VА - фосфор, мышьяк, сурьма - координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа VIА) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). У полупроводниковой модификации йода (группа VIIА) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три - кремний, германий и селен.

Элементы VII А подгруппы

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Элементы VI А подгруппы

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы - 2,4 эВ, у селена 1,7 эВ, у теллура 0,35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов VIА подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник p-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50-100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое - это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное - фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, - экспонометр. Более сложные устройства - солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

Элементы VА подгруппы

У полупроводниковых элементов VА подгруппы - фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута - химические связи реализуются за счет образования р³-орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

Элементы IVА подгруппы

К полупроводниковым элементам IVА подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 ^оC. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 ^оC), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза (см. Типы кристаллических структур (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ)). Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Ge в единице объема - 4,45^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0,72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1,8 мкм.

Одно из преимуществ технологии германия - относительно невысокая температура плавления (936 ^оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Кроме этого германий даже в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с кварцем, из которого изготавливают тигли. Монокристаллический германий получают методом Чохральского (см. Методы выращивания кристаллов (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ)), реже - методом зонной плавки (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Основной фоновой загрязняющей примесью в германии является кислород. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода. Монокристаллы германия с малым содержанием кислорода выращивают методом Чохральского на высоковакуумных установках при остаточном давлении 10^-5Па. В связи с сильным испарением германия в таких условиях процесс проводят в атмосфере высокочистого водорода или в смеси водорода с инертными газами.

Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА)). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.

Германий - один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низко- и высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла (см. ХОЛЛА ЭДС ДАТЧИК) и других магниточувствительных приборов.

В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 ^оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия (см. ГАЛЛИЯ АРСЕНИД).

Кремний полупроводниковый, монокристаллический - основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ) алмаза. Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Si в единице объема - 5,0^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны равна 1,12 эВ.

Получение монокристаллов кремния

В качестве исходного материала при производстве монокристаллов используется поликристаллический кремний высокой чистоты, полученный путем водородного восстановления прошедших глубокую очистку хлорсиланов или путем термического разложения особо чистого моносилана. Оба метода обеспечивают получение исходного кремния с суммарным содержанием остаточных примесей 10¹¹-10¹² ат.см^-3. Для получения монокристаллов используют метод (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ) Чохральского и бестигельную зонную плавку (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Процесс бестигельной зонной плавки, в котором предварительно проводится дополнительная глубокая зонная очистка исходной поликристаллической заготовки от остаточных примесей, используют для получения наиболее чистых и обладающих высоким удельным сопротивлением монокристаллов. Монокристаллы, полученные таким способом, обладают удельным сопротивлением до 100 кОм.см и большой диффузионной длиной носителей заряда, имеют низкое содержание кислорода, но однородность распределения электрофизических свойств в объеме такого материала ниже, чем в случае выращивания методом Чохральского. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов кремния. Установки для выращивания кристаллов кремния полностью автоматизированы и снабжены системами прецизионного поддержания постоянного диаметра слитка. Основным недостатком метода Чохральского при выращивании полупроводникового кремния является загрязнение выращиваемых монокристаллов кислородом и примесями, содержащимися в кварцевых тиглях, из которых обычно производится вытягивание слитка. Для управления электрофизическими свойствами (тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей заряда) широко используют процессы легирования электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов электронного типа проводимости являются P, As, Sb, а при получении монокристаллов дырочного типа проводимости - B и Al. Эти примеси образуют в кремнии твердые растворы замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (10¹⁸-10¹⁹ ат.см^-3) в широком интервале температур. Растворимость их носит ретроградный характер с максимумом при температурах 1200-1350 ^оС. Легирование может быть осуществлено как непосредственно в процессе выращивания, так и на стадиях последующих обработок. Легирование в процессе выращивания производят либо с помощью специальных лигатур сплавов кремния с легирующей примесью, либо из паровой фазы легколетучих соединений легирующей примеси. Для обеспечения равномерного распределения легирующей примеси в объеме кристалла применяют вытягивание из двойного (плавающего) тигля, эффект компенсации накопления примеси в расплаве ее испарением (для летучих примесей), а также различные варианты магнитогидродинамического (МГД) воздействия на расплав с целью управления массопотоками в расплавленной ванне.

Основными структурными дефектами в монокристаллах бездислокационного кремния являются микродефекты (см. МИКРОДЕФЕКТЫ). Именно ростовые микродефекты, содержащиеся в пластинах кремния, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики ультра сверхбыстрых интегральных схем (УСБИС). Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры. Основную роль в образовании ростовых микродефектов выращиваемых методом Чохральского монокристаллах играют собственные точечные дефекты (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) (СТД) - вакансии и междоузельные атомы, а также кислород. Наличие преципитатов, например, фазы SiO₂ в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.

Применение полупроводникового кремния

Кремний находит широкое применений в микроэлектронике (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА). На его основе осуществляется производство УСБИС с динамической памятью на 256 Мбит-1Гбит и микропроцессоры с тактовыми частотами на уровне 0,5-1,0 ГГЦ. Усложнение УСБИС сопровождается ужесточением требований к качеству пластин (общая и локальная плоскостность, снижение уровня поверхностного загрязнения, повышение структурного совершенства и однородности исходного материала) при одновременном увеличении их диаметра и снижении стоимости. Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов УСБИС обусловливает необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов. В связи с этим возрастают требования к чистоте, структурному совершенству и микронеоднородности активной области приборной композиции. Особенно высоки требования по содержанию примесей, способных образовывать электрически- и рекомбинационноактивные центры.

В силовой электронике к мощным диодам и тиристорам на основе кремния добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных «силовых» интегральных схем. Сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и электропитания. В солнечной энергетике используются солнечные батареи на основе кремния. Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень тысячи мегаватт. В оптоэлектронике кремний используется в разнообразных сенсорных устройствах, прецизионных микромеханических системах.

Кремний является непрямозонным полупроводником, эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Легирование кремния эрбием позволяет формировать в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации. Одним из направлений создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений А^IIIВ^V (GaAs, InGaAs).

Для изготовления волноводов используют структуры Si/SiO₂, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов равную 2, что обеспечивает условие надежного оптического ограничения. В таком волноводе свет распространяется по тонкому слою монокристаллического кремния, который прозрачен для излучения с длиной волны =1,3-1,55 мкм. Данная волноводная структура обеспечивает надежную связь (с минимальными оптическими потерями) с излучателем и фотоприемником.

Составить слова из слова элементарные полупроводниковые материалы

Твёрдые раство́ры - однородные твёрдые вещества, состоящие из несколько компонентов, концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре, давлении и т. п. без нарушения однородности. Многие металлические сплавы (например, сталь, бронза), минералы (полевые шпаты, слюды и др.), стёкла являются твёрдыми растворами.

* * *

ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ - ТВЕРДЫЕ РАСТВО́РЫ, однородные твердые вещества, состоящие из нескольких компонентов, концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре, давлении и т. п. без нарушения однородности. Признаком образования твердого раствора является сохранение типа решетки компонента растворителя, сопровождающееся изменением размера элементарной ячейки. Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Отсюда следует, что неограниченная растворимость возможна только в том случае, если исходные компоненты обладают решеткой одного типа (cм. изоморфизм (см. ИЗОМОРФИЗМ (в химии))).

Компоненты могут образовывать растворы неограниченной и ограниченной растворимости с разной степенью этого ограничения и разной температурной зависимостью предела насыщения раствора.

На основе растворителя - химического элемента - возможны два типа твердых растворов: растворы замещения и растворы внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворенного элемента занимают позиции атомов растворителя в узах решетки, т. е. замещают их. Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

- Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

- Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 - 15% .Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атоме. Например, металлы с ГЦК - решеткой: Ag-Au, Ni-Cu, Ni-Rd, с ОЦК - решеткой: Mo-W, V-Ti.

- Твердые растворы замещения могут образовывать изоморфные соединения. Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре. Неограниченная растворимость возможна только в растворах замещения. В ряду изоморфных твердых растворов физические свойства изменяются непрерывно в зависимости от концентрации каждого компонента. Это дает возможность подбирать и кристаллизовать материал с преимуществами каждого из исходных компонентов, создавая вещества с заданными свойствами.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного элемента занимают межузельные позиции (пустоты) в решетке растворителя, внедряясь между атомами последнего. Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик, например, в металлах атомы C, N, H. В полупроводниках часто встречаются случаи, когда растворенный элемент занимает частично позиции замещения и позиции внедрения, т. е. имеет место суперпозиция двух типов твердых растворов.

Если твердый раствор образуется на основе соединения, то возможен еще один тип твердых растворов - растворы вычитания. В твердых растворах вычитания один из элементов, образующих соединение, присутствует в количестве, превышающем формульное (как бы растворен в соединении стехиометрического состава), но при этом занимает в решетке соединения присущие ему позиции, а соответствующая часть позиций другого элемента остается незанятой (вакантной). Например, в системе Ni-Sb имеется соединение NiSb. При составе сплава 49% (ат) Ni и 51%(ат) Sb решетка соединения сохраняется, но позиции, соответствующие недостающему количеству никеля, окажутся вакантными - как бы вычтенными. В случае избытка никеля избыточные атомы занимают позиции атомов сурьмы, образуя раствор замещения. Растворы вычитания часто встречаются в полупроводниковых соединениях.

В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Si, Ni-Mn), образующих при высоких температурах растворы замещения, при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке. Такие растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов.

Составить слова из слова твёрдые растворы