Краткие сведения из теории твердого тела

Лекция 1

Введение

Материаловедение – наука о физико-химических, механических и других свойствах материалов в приложении к использованию этих свойств для решения тех или иных научных и хозяйственных задач.

Электрорадиоматериалы (ЭРМ)– самостоятельная научная отрасль, основная часть которой связана с изучением свойств электротехнических материалов и связью этих свойств с составом и структурой материала и созданием на основе полученных знаний новых типов материалов с необходимыми свойствами.

Изначально родилась как эмпирическая наука, в последние десятилетия – бурный рост (появление новых материалов). В настоящий момент – точная научная дисциплина, смыкающаяся со многими областями знаний: физика, физическая химия, квантовая механика и т.д.

Пути развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и связанные с ними задачи, стоящие перед ЭРМ

Общие задачи:

РЭА: 1. Повышение надежности, расширение частотного рабочего диапазона

ó быстродействие

2. Снижение габаритов, веса, мощности (Р) рассеивания, Р потребления

ЭРМ: 1. Снижение расхода и стоимости материалов

2. Их доступность

3. Уменьшение энергии и затрат в технологическом цикле изготовления

Специальные задачи:

Создание материалов и технологий, позволяющих реализовывать функционально новые устройства и узлы электротехники и РЭА.

Электроника

I. Электроника статических неоднородностей*2

II. Электроника динамических неоднородностей

Традиционная схемотехническая электроника. Основа построения схемы - традиционные элементы МЭ: резис-тор, транзистор, диод, конденсатор

Функциональная микроэлектроника*1   Основа - использование динамических неоднородностей разл. физической природы.

I.

а) Аппаратура на электронных лампах^*2 – 1 поколение РЭА

б) Аппаратура на дискретных п/п приборах – 2 поколение РЭА

а и б – макроэлектронные^*3 ламповые и твердотельные п/п приборы

в) Микроэлектроника – 3 поколение РЭА

г) Функциональная электроника.- 4 поколение РЭА

Изготовление в одном кристалле необходимых приборов, элементов и соединений между ними. Повысилась степень интеграции: ИС, БИС, СБИС – сверхбольшие интегральные схемы.

В СБИС уровень интеграции более 10⁶ элементов на кристалл, линейный р-р транзистора – 2 мкм. Ширина линий зазоров – до 0,2 мкм, при этом плотность тока – свыше 10⁶ А/см².

Переход от фотолитографии^*4 к рентгено- и электронной литографии^*5.

В связи с этим резкий рост требований к чистоте кристалла (размер элементов соизмерим с размером пылинки)^*6, что обеспечивает зонная плавка: чистота до 1 атома примеси на 10⁸ …10⁹ атомов вещества (0,1 г на 100т – это 1 песчинка на 2 вагона песка).

Следствие наличия примесей: в соединяющих проводниках - резкий нагрев; наличие пор в диэлектриках (д/э)– короткое замыкание.

2) Дальнейшее уменьшение элементов – наноэлектроника.

Размеры элементов измеряются в нанометрах: 1нм = 10^-9м.

200…500нм – число их в микросхеме достигает десятков миллионов.

Требуется ещё более высокая чистота используемых ЭРМ, совершенство кристаллов, однородность д/э пленок.

Переход от кремния (Si) к арсениду галлия (GaAs) и фосфиду индия (InP).

При повышенных плотностях тока – переход к проводникам из тугоплавких металлов: особо чистые: вольфрам (W), молибден (Mo) и их соединения с кремнием (Si).

Беспредельно увеличивать уровень интеграции нельзя – тупик схемотехнического пути. Отсюда переход к II.

II.

Электроника динамических неоднородностей.

Функции схемотехники выполняют непосредственно те или иные физические процессы. Отсюда название: функциональная электроника (акусто- и магнитоэлектроника, квантовая микроэлектроника).

Характерная черта – наличие и использование для обработки и хранения информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела.

Примерами динамических неоднородностей являются ганновские электрические домены, цилиндрические магнитные домены (ЦМД), «карманы» и пакеты зарядов в (ПЗС – приборы с зарядовой связью), поверхностные и объемные волны и др.

Проблемы: поиск новых сред и новых физических процессов, взаимодействие различных материалов с различными функциональными возможностями.

Краткие сведения из теории твердого тела

Строение вещества

Теоретическая основа учения о строении вещества – квантовая механика.

Основные положения:

· Все вещества состоят из атомов

· Состав атома: основные частицы – нейтрон, протон, электрон

· Атом электрически нейтрален

· Атом или группа атомов при утрате или приеме одного или нескольких электронов образует ион, обладающий зарядом.

Теория строения атома (Н. Бор 1913г). Для водорода подтверждена экспериментально.

3 постулата:

I. Между ядром и электронами силы Кулона и центробежные силы, обусловленные движением электрона.

Динамическое равновесие:

(1)

= 9.108*10^-31 кг – масса

e = -1.602*10^-19 Кл – заряд

– диэлектрическая постоянная = 8,85*10^-12 Ф/м

II. Интеграл момента количества движения за период его обращения относительно обобщенных координат q кратен постоянной Планка:

; n=1,2,… (2)

Постоянная Планка h=6,624*10^-34 Дж*с

III. При переходе из одного устойчивого состояния в другое происходит испускание или поглощение кванта энергии.

Частота монохроматического излучения при этом: hf = E_n-E_m (3)

Из II постулата ,

откуда (4) , где

Если из (1) выразить и подставить в (4), то получим радиус орбиты электрона

(5)

или 0,529А⁰ для n=1

Энергия электрона представляет собой разность кинетической энергии электрона и потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром

E_k= ; где r из (5) преобр. 2 часть выражения (6)

(кинетическая) (потенциальная)

тогда:

при n=1 => Е₁=-13,6 эВ;

n=2 => E₂=-3,4 эВ

………

n= => =0

Из уравнения движения электрона следует, что – кинетическая энергия равна потенциальной.

Для атома водорода (6)

Из (5) и (6) видно, что дискретный ряд энергий и жестко с ним связанный ряд уровней (радиусов орбит), на котором могут располагаться (т.е. ряд разрешенных радиусов). Или, иначе, разрешенными уровнями являются только те, на длине которых (2 ) укладывается целое число длин волн Де Бройля:

;

Орбита и энергетическое состояние электрона, находящегося на орбите характеризуется 4 числами:^*7

· n – главное квантовое число

· e – азимутальное (орбитальное) квантовое число

· m – магнитное квантовое число

· s – спиновое квантовое число

Если атом возбужден, то переходит на другую разрешенные орбиту.

Виды химических связей.

Атомы в твердых телах удерживаются силами химических связей. При объединении атомов в молекулы происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов. Энергия всей системы (молекула, кристалл) стремится к минимуму. Тип химической связи определяет св-ва вещества. В образовании хим. связей участвуют валентные электроны с внешних энергетических уровней.

Бывают нейтральные молекулы, (+) или (-) заряженные ионы, нестабильные обладающие валентностью радикалы. Если атом отдал e, то => отрицательных зарядов убавилось и получается (+) ион, если принял, то => (-) ион. Отдельно существующие атомы нестабильны. Они объединяются в молекулы, при этом образуются различные виды связей.

1. Металлическая связь характерна для всех металлов.

В металле связь возникает не между соседними атомами, а является свойством всего кристалла. Валентные электроны принадлежат не одному–двум атомам, а всему кристаллу в целом. Каждый атом вкладывает свой электрон в общий запас электронов, и положительные атомные ионы как бы плавают в океане отрицательных электронов. Однако металлы – это еще кристаллические тела, потому что полная энергия принимает наименьшее значение, когда ионы образуют упорядоченную систему.

Т.О. основа металлической связи - взаимодействие проводимости и ионной оболочки. Электроны внешней оболочки (электроны проводимости), свободно перемещаясь, образуют электронное облако. Притяжение между положительным остовом и отрицательным электронным облаком обусловливает целостность вещества. Обладают высокой электропроводимостью. Хорошая теплопроводность, ковкость.

Энергия связи Fe 395 кДж/моль, Na – 110 кДж/моль

2. Ковалентная связь.

Объединение атомов происходит за счет , которые становятся общими (например у бинарных п/п).

Другие примеры: молекулы алмаза (энергия связи алмаза 770,0 кДж/моль), кремния, Ge. Во внешней оболочке 8 – по 4 от одного из элементов (атомов). Высокая механическая твердость, при низкой t⁰ – д/э.

Если центры отрицательного заряда и положительного заряда совпадают, то молекула неполярная (H₂). Если не совпадают и находятся на некотором расстоянии, то такие молекулы называются полярными или диполями (дипольными).

3. Донорно-акцепторная (ионная) связь.

Один атом (донор) отдает другому (акцептору), после чего образуют химическое соединение (взаимодействие двух противоположно заряженных ионов)

. Например: AlS, GaCr и др. элементы III и V групп таблицы Менделеева.

4. Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса)

Этот вид межмолекулярной связи существует у ряда веществ между молекулами, каждая из которых с ковалентным характером внутримолекулярных связей, за счет существования электростатических сил взаимодействия между поляризованными молекулами (диполями) – сил Ван-дер-Ваальса.

I молекула

II молекула

Связь очень слабая. Энергия связи (Ar-аргон)-7,5кДж/моль.

Примеры: сахар, парафин, твердый аргон.

Для материалов с этим видом связи характерны: низкие t⁰ плавления (парафин) и кипения, легкая сжимаемость. Связь типична для газов, поляризованных молекул.

Зонная теория

Электрические свойства веществ хорошо объясняются с помощью зонной теории. Зонная теория применима к веществам с ковалентной и металлической связями.

Электроны в атоме расположены на строго определенных энергетических уровнях, что соответствует линейчатому энергетическому спектру.

отдельный атом Е=0 сжатое вещество

Зона проводимости

Запрещенная зона

Валентная (заполненная) зона

Уровни возбужденного атома

Уровни не возбужд. атома

Уединенный атом

При уменьшении межатомных расстояний, например при конденсации газа и затем переходе в твердое состояние, атомы взаимодействуют между собой и энергетические уровни расщепляются и смещаются, образуя уже различные энергетические зоны.

С изменением межатомных расстояний распределение искажается. Чем меньше расстояние, тем больше ширина зоны 1.

Чем меньше расстояние, тем ширина 1 зоны больше

1 и 3 зоны – разрешенные. При 0⁰ К – 3 зона энергетически заполнена.

1 зона – свободная или зона проводимости. Её ширина в большей степени определяется r, т.к. расположены на внешних орбитах и соседние атомы воздействуют на них с наибольшей силой.

Для самых низких зон 3, т.е. для наиболее глубинных электронных оболочек влияния почти нет.

Ширина запрещенной зоны 2 меняется с изменением t⁰ из-за:

А) изменение амплитуды теплового колебания атомов решетки

Б) из-за изменения межатомных расстояний

Если внешней энергии достаточно для преодоления запрещенной зоны - , вышедшие в зону проводимости участвуют в создании электрического тока. Энергию может дать тепло, свет, излучение, механическое воздействие, электрическое и магнитное поля.

Классификация ЭРМ

Принципы классификации

1) По ,

2) и др.

Наиболее общая – по ширине запрещенной зоны => по электрическим свойствам.

Для проводников свободная энергетическая зона примыкает или даже перекрывается заполненной, поэтому могут свободно переходить из зоны в зону.

Ширина = 10^-22эВ < 10^-4 10^-7 эВ- тепловое движение

Классификация по запрещенной зоне

ЭРМ

Проводники

П/проводники

Диэлектрики

Проводники (лучший Ag = 1,6*10^-8 ом*м):

Полупроводники: 0 < < (3.5 4) эВ = 10^-6 10^-8 ом*М

Диэлектрики(лучший фторопласт4 (тефлон) = 10¹⁸ ом*м): (3.5 4) > > 8 эВ

= 10⁸ 10¹⁸ ом*М

Далее классифицируется по функциональному назначению и химическому составу

Полупроводники

По химическому составу

По типу проводимости

Собственные     II

Примесные

n – типа (электронная)

p – типа (дырочная)

Простые химические элементы (собственные)

Неорганические

Органические

Сложные (хим. соединения)

Высокой проводимости

Проводники

Классические

Криопроводники

Сверхпроводники

Высокого эл. сопротивления

Специального назначения

Биметалл. пластины

Проводники памятью формы и др.

Диэлектрики

Активные

Пассивные

/ \

сегнетоэектрики изоляторные конденсаторные

пьезоэлектрики

пироэектрики

электреты

Деление ЭРМ по магнитным свойствам

Магнитными свойствами обладают в разной степени все материалы: пм, п/п и д/э.

По магнитной проницаемости:

ЭРМ

Диамагнетики

Парамагнетики

Магнетики

Водород, инертные газы, медь, серебро, золото, графит, сурьма

Кислород, соли Co, Ni; щелочные металлы: Al, Pt

Fe, Ni, Co, сплавы Cr, Mn; ферриты,

В электронике применения не находят

Ферромагнетики

Ферримагнетики

Магнитомягкие

Магнитотвердые (жесткие)

Дополнения к лекции 1

Аппаратура на электронных лампах – I поколения РЭА

Аппаратура на дискретных п/п приборах – II поколения

Аппаратура на интегральных микросхемах – III поколения

Использование свойств, распределенных по объему кристаллов, т.е. переход от интеграции электронных приборов с функциями, сосредоточенными в каком-либо объеме к интеграции функций, распределенных по всему объему кристалла - IV поколение.

*1 Функциональная электроника охватывает вопросы получения континуальных (непрерывных) комбинированных сред с наперед заданными свойствами и создание различных электронных устройств методом физической интеграции, т.е. использование таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получать компоненты со сложными схемотехническими или системотехническими функциональным назначением (в отличие от технологической интеграции – конструирование ИС на основе простых элементов типа тр-ров, диодов, резисторов и т.д.).

В микроэлектронике предполагается интеграция электронных приборов (резисторов R, C, диодов, тр-ров) => синоним МЭ – понятие «интегральная электроника».

Физические процессы в развитии приборов и устройств схемотехники МЭ близки к достижению критических значений. предел значений общей интеграции. От плоских структур переход к вертикальным структурам (трехмерная ИС). Проблемы: взаимные помехи элементов, паразитная наводки между слоями, большие потребляемые P => необходимость охлаждения. Надежность уменьшается.

*2 Статическая неоднородность

Традиционная схемотехн. ячейка (логическая или ячейка памяти) состоит из большого числа статических неоднородностей.

Под статической неоднородностью понимают локальную область на поверхности или в объеме среды с отличными от ее окружения свойствами, создаваемую в результате строго определенных технологических процессов. Совокупность, состоящая из таких статических неоднородностей, позволяет генерировать, управлять или хранить информацию. Деградация статических неоднородностей немедленно приводит к потерям или сбоям в процессе обработки информации. Это и есть схемотехническая микроэлектроника или электроника статических неоднородностей.

В этом случае устройства обработки и хранения информации реализуются на определенных схемотехнических решениях.

70^е-годы XX века.

Возникла идея использовать динамические неоднородности в процессах обработки и хранения информации, а также принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых МЭ приборами.

Изучение свойства и характеристик динамических неоднородностей как носителей информационного сигнала, основных физических процессов и принципов обработки и хранения информационных массивов с помощью динамических неоднородностей, разработка приборов и устройств являются основополагающими в процессе формирования нового направления в микроэлектронике – *1 функциональной электроники (ФЭ).

Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы:

· ансамбли заряженных частиц и квази частиц (зарядовые пакеты, флуксоны)

· Домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены)

· Динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны)

Идея использования динамических неоднородностей (ДН) в приборах обработки информации является основополагающей. Её развитие привело к становлению функциональной электроники.

В зависимости от типа используемой ДН, континуальной (непрерывной) среды, комбинации физич. полей или явлений различают направления в ФЭ.

· Функциональная акустоэлектроника

· Функциональная магнитоэлектроника

· Функциональная оптоэлектроника

· Функциональная диэлектрическая электроника

(Малинкис Б.М., Щука А.А. ИНФОРМОСТ «Радиоэлектроника и телекоммуникация»)

*3 Твердотельная электроника, тверд. приборы. Подчеркивается отличие этих приборов от электровакуумных газоразрядных, жидкоэлектролитных. В них движение эл. зарядов, обуславливающих электрический ток, происходит в объеме твердого тела.

*4 Фотолитография – метод получения рисунка на тонкой пленке материала. Для получения рисунка используется свет определенной длины волны. Минимальный размер деталей рисунка – ½ .

Фоторезист – специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом.

Фотошаблон – пластина с рисунком, который сформирует необходимое изображение на фоторезисте (обычно прозрачный шаблон с непрозрачным рисунком).

Процесс фотолитографии происходит так:

1. На толстую подложку ( в МЭ – обычно Si) наносят тонкий слой материала, из которого надо сформировать рисунок. На этот слой наносят фоторезист.

2. Производится экспонирование через фотошаблон

3. Облучаемые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их необходимо удалить химическим способом (травление). Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются

4. Заключительная стадия – удаление остатков фоторезиста.

*5 Электронная литография

Остросфокусированный энергетический пучок, отклоненный магнитной системой, прорисовывает нужные конфигурации на поверхности чувствительного к электронному облучению резисте, нанесенного на подложку. Засвеченные участки резиста полимеризуются, становясь нерастворимыми. Далее незасвеченные участки смываются растворителем. Далее полученные окна заполняются подходящим наполнителем (например нитридом титана) методом воздушного напыления. Полимеризованный резист смывается др. растворителем. После удаления подложки окончательно формируется маска для последующей фотолитографии.

*6 Зонная плавка (зонная перекристаллизация) – метод очистки твердых веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах (движение расплавленной зоны по образцу) (см. германий)

Ангстрем 1А⁰=10^-10м: это примерно диаметр орбиты электрона в невозбуждённом атоме водорода. Тот же порядок имеет шаг атомной решетки в большинстве кристаллов.

*7 Квантовые числа

1. Главное квантовое число и определяет общую энергию и степень его удаления от ядра. Оно принимает целочисленные значения от 1,…, n

2. Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число определяет форму атомной отбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n-1 ( =0,1,2,…,n-1). Каждому значению соответствует орбиталь особой формы.

Орбитали Ac =0 называются s-орбиталями. =1 – p орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m). =2 – d орбиталь (5 типов). =3 – f орбиталь (7 типов).

3. Магнитное квантовое число m определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Его значение находятся от + до – , включая 0.

4. Спиновое кантовое число S может принимать лишь 2 возможных значения +1/2 и -1/2. Они соответствуют 2-м возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента эл-на, называемого спином (англ. веретено). Для обозначения электронов с разными спинами используются символы .

Дополнения к лекции 2

*8 Наклеп (нагартовка) –упрочнение металла в результате холодной пластической деформации.

Наклеп снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает предел пропорциональность, предел текучести и твердость. Наклеп снижает сопротивление материала деформации противоположного знака. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

*9 Фононы. Ф – квазичастица (И. Тамм). Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Концепция фонона позволила заменить колебания атома кристалла распространением в веществе системы звуковых волн, квантами которых являются фононы.

Модель кристалла металла можно представить как совокупность гармонических взаимодействующих осцилляторов, причем наибольший вклад в их среднюю энергию дают колебание низких частот, соответствующие упругим волнам, квантами которых являются фононы.

Дополнения к лекции 3

*10 Халькогены (халкос – медь, руда; генос – рождающий) – химический элементы 16 группы периодической таблицы Менделеева

Кислород О, сера S, селен Se, теллур Te, полоний Po и искусственно полученный ливерморий Lv. Бинарные соединения этих элементов с металлами – халькогениды.