Направления повышения прочности материалов

Прочность реального материала может быть повышена за счет увеличения плотности дислокаций или уменьшения числа дефектов.

Повышение плотности дислокаций тормозит их продвижение под воздействием приложенной нагрузки, что приводит к повышению физико-механических свойств материала. Традиционные способы упрочнения материалов основаны на повышении плотности дислокаций разнообразными технологическими приемами (правая ветвь кривой).

Левая ветвь кривой отображает повышение прочности материала в результате уменьшения числа дефектов. Основным технологическим приемом снижения дефектности материала является уменьшение геометрических размеров дискретных элементов структуры материала. Предел повышения прочности материалов в данном случае ограничен лишь его теоретической прочностью.

Итак, одним из направлений реализации перспективного направления повышения прочности материалов является рассмотренная

технология нитевидных кристаллов.

Другое направление уменьшения дефектности материала – получение дискретных элементов структуры материала размерами менее 100 нм, которые называют наноструктурами.

 

 

Элементарные полупроводники

В группу элементарных полупроводников входят элементы, расположенные в В-подгруппах следующих групп Периодической системы: III (В), IV (Si, Ge), V (Р, As), VI (S, Se, Те).

Элементарные полупроводники IV группы (кремний и германий) являются основными материалами полупроводникового приборостроения.

Имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой атомы соединены ковалентной связью. Период решетки у кремния меньше, чем у германия, что определяет более прочную ковалентную связь из-за более сильного перекрытия электронных облаков, и следовательно, большую ширину запрещенной зоны.

Характеристика Кремния.

Атомный номер 14, атомная масса 28,1. Базовый материал для создания ИМС и дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т. д.). При комнатной температуре химически инертен, в расплавленном – химически активен. Широкое применение в технике получил после создания метода бестигельной зонной очистки. Кремний наиболее подходящий материал для изготовления фотоэлектрических преобразователей, трансформирующих световую энергию в электрическую.

По распространению в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе не встречается. Процесс получения кремния в целом аналогичен получению германия. Сырьем для его производства служит кремнезем, содержащий до 99,9 % SiO2. Из SiO2 восстановлением получают технический кремний, содержащий менее 3% посторонних примесей. Из такого кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который подвергают химической очистке. Далее, уже из тетрахлорида кремния выделяют очищенный кремний по реакции:

SiCl4 + 2Zn  Si + 2ZnCl2 или SiCl4 +2Н2  Si + 4НСl

Характеристика Германия

Атомный номер 32, атомная масса 72,6. Отличается твердостью и хрупкостью. Не растворяется в воде и кислотах, за исключением царской водки (HF + HNO3). Незначительно окисляется на воздухе при комнатной температуре. Активное окисление заметно начиная с 500 °С и приводит к образованию GeO2.

В земной коре германий находится в рассеянном виде. Добывается как побочный продукт медно-свинцово-цинкового производства и коксования каменного угля. Высокая стоимость германия объясняется трудностью получения исходного сырья.

Маркировка. Первая буква обозначает название материала, вторая – тип электропроводности, третья – название легирующего элемента; числитель дроби показывает значение удельного электросопротивления (Ом  м), знаменатель – диффузионную длину неосновных носителей заряда (м). Например, ГДГ1,0/0,6 – германий с дырочной проводимостью, легированный галлием;  = 1  10–2 Ом  м, L = 0,6  10–3 м.

Монокристаллы германия применяют для создания дискретных приборов: разного рода диодов, выпрямителей, транзисторов, датчиков Холла, фотоэлементов, оптических фильтров и т. д.

66)67)68) Основные требования к полупроводниковым материалам.Сравнительная характеристика основных методов получения монокристаллов.Методы кристаллизации из расплава. Коэффициент сегрегации.

Параметры полупроводниковых материалов, а следовательно, и характеристики приборов, изготовленных из них, очень чувствительны к наличию примесей и других дефектов кристаллического строения. Поэтому к полупроводниковым материалам предъявляются жесткие требования по степени чистоты (предельно допустимому содержанию примесей), однородности и совершенства структуры.

При изготовлении большинства полупроводниковых приборов используют монокристаллические материалы, для получения которых существует много методов. Наиболее распространены методы направленной кристаллизации из расплава и газовой фазы.

Методы кристаллизации из расплава позволяют осуществлять:

• выращивание монокристалла полупроводника в заданном кристаллографическом направлении;

• очистку монокристалла от вредных примесей;

• введение в монокристалл легирующих примесей в требуемой концентрации для получения нужного типа проводимости;

• контроль распределения примеси по объему материала;

• минимизацию плотности дислокаций.

Важным обстоятельством использования методов кристаллизации из расплава является неодинаковая растворимость примесей в твердой и жидкой фазах. Интенсивность очистки или легирования определяется коэффициентом сегрегации:

К0 = СтвСж,

где Ств, Сж – концентрация примеси в твердой и жидкой фазах.

Эффективная очистка происходит, когда К0 < 1, при этом концентрация примеси в твердой фазе ниже, чем в расплаве.

Если К0 > 1, имеет место легирование; твердая фаза обогащается примесью.

Если К0 ~ 1, то не происходит ни очистки, ни легирования.

Методы кристаллизации из расплава подразделяются на две группы:

• методы выращивания из собственно расплава;

• методы зонной плавки (очистка, перекристаллизация).

Метод Чохральского.

Методом Чохральского называется метод вытягивания из расплава.

В тигель 7 с расплавом 2 опускают монокристаллическую затравку 4 (кусочек монокристалла, вырезанного в требуемом кристаллографическом направлении), выдерживают ее в расплаве, пока не оплавится. После этого, вращая шток 5, затравку медленно поднимают. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область более низкой температуры над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя целое с затравкой, и кристаллизуется, повторяя кристаллическую структуру затравки, в растущий монокристалл 6. Плавка полупроводника осуществляется в индукционной печи 8, температура контролируется термопарой 7. Для визуального контроля за процессом используют технологическое окно 3. Для обеспечения более равномерного роста слитка в процессе его выращивания тигель и затравку вращают с помощью штоков 9 и 5 в противоположных направлениях.

 

70) Метод зонной плавки.

В методе зонной плавки процесс проводится в реакторе 1, где в специальном кварцевом тигле 2 (в форме лодочки) помещен слиток 3. Через реактор непрерывно прокачивается защитный газ. Нагревателем 4 в слитке создается узкая расплавленная зона 5. Перемещение расплавленной зоны происходит в результате движения каретки 6, на которой установлен нагреватель. Расплавленная зона перемещается вдоль кристалла, захватывает примеси и уносит их в хвостовую часть слитка.

Метод основан на неодинаковой растворимости примесей, находящихся в жидкой и твердой фазах.