Розподіл електричного поля і контактні явища в широкозонних напівпровідниках і вузькозонних діелектриках

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра мікрота наноелектроніки

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни

«Електронна техніка. Матеріали»

на тему: «Розподіл електричного поля і контактні явища в широкозонних напівпровідниках і вузькозонних діелектриках»

Студентки I курсу групи РТ-413

Напряму підготовки 6.50 801 Мікрота

наноелектроніка

спеціальності 7.18 010 010 Якість,

стандартизація та сертифікація

Шагіданової Д. А

Керівник Сніжной Г. В.

канд. фіз.-мат. наук,

доцент кафедри мікрота наноелектроніки

м.Запоріжжя

2013 рік

Реферат

Пояснювальна записка до курсового проекту має 45 сторінок, 7рисунків, 7 таблиць, 6 джерел.

Об'єкт дослідження — Bi₁₂SiO₂₀

Метод проектування — розрахунково — графічний.

Курсовий проект складається з двох розділів.

В першому розділі надано історичний огляд історії та походження кремнію. Отримання промислового кремнія. Розгляд властивостей кремнія. Застосування кремнія.

У другому розділі розраховано розподіл поля та заряду в об'ємі Bi₁₂SiO₂₀. Також розраховано: залежність розподілу поля від координат; залежність розподілу заряду від координат. Представлено нормовані значення розподілу потенціалу, поля, заряду від координат. Розраховано кількість заряду в залежності від площі та густини заряду.

КОНСТАНТА МАДЕЛУНГА, ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИЙ ВОЛЬТМЕТР, ПОТЕНЦІАЛ, НОРМУВАННЯ, ЗАРЯДОГРАМА

ЗМІСТ

1. Історія виникнення та властивості кремнію (Si)

1.1 Історія та походження назви кремнію (Si)

1.2 Поширення в природі кремнію (Si)

1.3 Хімічні та фізичні властивості кремнію (Si)

1.4 Одержання кремнію (Si)

1.5 Застосування кремнію (Si)

2. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ І КОНТАКТНИХ ЯВИЩ В ОБ’ЕКТІ ДОСЛІДЖЕННЯ Bi₁₂SiO₂₀

2.1 Об’ект дослідження Bi₁₂SiO₂₀

2.2 Експерементальна установка для методу потенційного зонду

2.3 Обчислення розподілу поля та заряду в об'ємі Bi₁₂SiO₂₀

2.4 Нормований графік

2.5 Розрахунок накопичуваного заряду в досліджуваному матеріалі

ВИСНОВКИ ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

Додаток, А Додаток B

Додаток C

Додаток D

Додаток E

Додаток F

Додаток G

Додаток H

Додаток I

Додаток J

ВСТУП Даний курсовий проект розроблено на тему напівпровідникового матеріалу — креміня. В теоретичній частині проекту, якомога широко представлений матеріал як елемент безпосередньо важливий для планети, життєдіяльності людини та науки.

Кремній, перекладається c др. грецького «стрімчак, гора «(ксзмньт) — цей хімічний елемент, розташований під 14 номером в Періодичній системі елементів і граючий найважливішу роль в житті організмів. Незважаючи на те, що в нашому організмі кремнію знаходиться відносно невелика кількість, він використовується в процесах життєзабезпечення багаторазово.

Великий російський вчений В. Вернадський писав, що жоден живий організм не може нормально розвиватися при дефіциті кремнію. Адже сполуки кремнію присутні в тканинах практично всіх наших внутрішніх органів. Дефіцит кремнію є однією з причин патологічного зміни судин: інсульту, інфаркту, дисбактеріозу, гепатиту, ревматизму, поліартриту та інших захворювань.

Важливу роль кремній відіграє у виробництві сплавів для додання міцності алюмінію, міді та магнію і для отримання ферросиліцидів, що мають важливе значення у виробництві сталей і напівпровідникової техніки. Кристали кремнію застосовують в сонячних батареях і напівпровідникових пристроях — транзисторах і діодах. Кремній служить також сировиною для виробництва кремнійорганічних сполук, або сілоксанів, одержуваних у вигляді масел, мастил, пластмас і синтетичних каучуків. Неорганічні сполуки кремнію використовують в технології кераміки та скла, як ізоляційний матеріал і пьезокристали.

1. Історія виникнення та властивості кремнію (Si)

1.1 Історія та походження назви кремнію (Si)

Природні сполуки кремнію або силіцію (англ. Silicon, франц. Silicium) — двоокис кремнію (кремнезему) — відомі дуже давно. Стародавні добре знали гірський кришталь, або кварц, а також дорогоцінні камені, що представляють собою пофарбований у різні кольори кварц (аметист, димчастий кварц, халцедон, хризопраз, топаз, онікс і інші). Сполуки кремнію, широко поширені на землі, були відомі людині з кам’яного століття. Використання кам’яних знарядь для праці і полювання тривало кілька тисячоліть. Застосування з'єднань кремнію, пов’язане з їх переробкою, — виготовлення скла — почалося близько 3000 років до н. е. (у Древньому Єгипті). Раніше інших відоме з'єднання кремнію — двоокис SiO2 (кремнезем). У 18 в. кремнезем вважали простим тілом і відносили до «земельних» (що й відображено в його назві). Елементарний кремній був отриманий лише в XIX в., хоча спроби розкласти кремнезем робилися ще Шеєле і Лавуазьє, Дзві (за допомогою Вольтова стовпа), Люссаком і Тенаром (хімічним шляхом). Верцеліусом, прагнучи розкласти кремнезем, нагрівав його в суміші з залізним порошком і вугіллям до 1500 ° С і отримав при цьому феросиліцій. Лише в 1823 р. при дослідженнях сполук плавикової кислоти, в тому числі SiF4, він отримав вільний аморфний кремній («радикал кремнезему ») взаємодією парів фтористого кремнію і калію. Сент КлерДевілль в 1855 р. отримав кристалічний кремній.

Назва силіцій або Кизель (Kiesel, кремінь) було запропоновано Берцелиусом. Ще раніше Томсон запропонував назву силікон (Silicon), прийняте в Англії та США, за аналогією з борін (Boron) і карбон (Carbon). Слово силіцій (Silicium) походить від силака (кремнезем), закінчення «а «було прийнято в XVIII і XIX ст. для позначення земель (Silica, Aluminia, Thoria, Terbia, Glucina, Cadmia та ін.) У свою чергу слово силака пов’язано з лат. Silex (міцний, кремінь) .

Російська назва кремній походить від давньослов’янських слів кремінь (назва каменя), кремик, міцний, кресмень, крисаті (ударяти залізом про ремінь для отримання іскор) та інші. У російській хімічної літературі початку XIX в. зустрічаються назви кремнезем (Захаров, 1810), силіцій (Соловйов, Двигубский, 1824), кремінь (Страхов, 1825), кременистих (Іовська, 1827), кремнезему і кремній (Гесс, 1831).

1.2 Поширення в природі кремнію (Si)

Кремній — другий за поширеністю (після кисню) елемент земної кори. У верхніх осадових шарах він міститься у вигляді глин, кварцу та інших сполук і становить 27,6% складу земної кори. Під осадовим знаходиться шар базальтів і гранітів, до складу яких також входить кремній. Ці шари утворюють земну кору і знаходяться на глибині до 35 км. У верхніх шарах мантії (до 900 км) переважають силікати заліза і магнію. Ядро і нижня мантія, за припущеннями вчених, також складаються в основному з силікатів.

У чистому вигляді кремній у природі не зустрічається. Найбільш поширений оксид кремнію і силікати. Перший зустрічається у вигляді мінералу кварцу (кремнезем, кремінь). У природі з цього з'єднання складені цілі гори. Трапляються дуже великі, до 40 т кристали кварцу. Звичайний пісок складається з дрібного кварцу з різними домішками. Гірський кришталь — абсолютно прозорі кристали кварцу. Залежно від домішок він може набувати різного забарвлення. Так, оксиди марганцю і заліза дають фіолетовий відтінок. Це аметист. Жовтуватий кришталь — цитрин, димчастий — раухтопаз. У ньому можуть знаходиться і різні включення. Котяче око включає в себе волокнисті матеріали, «стріли Амура «- включення оксиду титану.

Аналіз місячного ґрунту показав присутність оксиду кремнію (IV) в кількості більше 40%. У складі кам’яних метеоритів вміст кремнію досягає 20%.

Оксид кремнію — кремінь — зіграв важливу роль в історії розвитку людства. Саме з крем’яних наконечників списів, ножів і топірців починається історії більшості народів. Пізніше кремінь став джерелом вогню — мандрівники нікуди не відправлялися без кресала. А глиняні хати, посуд, предмети побуту! Важко сказати, як би розвивався світ без скла.

У наші дні все більше необхідний стає чистий кремній, як напівпровідник. Так звані «дев'ять дев’яток чистоти» — 99,9 999 999% чистого кремнію — перша вимога до напівпровідника. Жоден із сучасних комп’ютерів не існував би без кремнію. Теж можна сказати і про ряд інших технічних засобів. Велике значення різних речовин, основою яких є сполуки кремнію таких як: бетон, кераміки, скло.

У мистецтві кремній теж відігравав велику роль. Більшість дорогоцінних і напівкоштовних каменів — сполуки того ж кремнію. І знову ж згадуються скляні, кришталеві та глиняні вироби.

Багато що в з'єднаннях кремнію залишається не до кінця зрозумілим. Тривають дослідження, висуваються нові гіпотези. Але багато чого вже відомо.

Кремній в організмі знаходиться у вигляді різних сполук, що беруть участь головним чином в утворенні твердих скелетних частин і тканин. Особливо багато кремнію можуть накопичувати деякі морські рослини (наприклад, діатомові водорості) і тварини (наприклад, кремніерогові губки, радіолярії), що утворюють при відмиранні на дні океану потужні відкладення двоокису кремнію. У холодних морях і озерах переважають біогенні мули, збагачені кремнієм, в тропічних морях — вапняні мули з низьким вмістом креміня. Серед наземних рослин багато кремнію накопичують злаки, осоки, пальми, хвощі. У хребетних тварин вміст двоокису кремнію в зольних речовинах 0,1−0,5%. У найбільших кількостях кремній виявлений в щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. У добовому раціоні людини міститься до 1 г кремнію. При високому вмісті в повітрі пилу двоокису кремнію вона потрапляє в легені людини і викликає захворювання — Силікоз (від лат. Silex — кремінь), захворювання людини, що викликається тривалим вдиханням пилу, що містить вільний двоокис кремнію, відноситься до професійних хвороб. Зустрічається у робітників гірничорудної, фарфоро-фаянсової, металургійної, машинобудівної промисловості.

1.3 Хімічні та фізичні властивості кремнію (Si)

Кремній — другий елемент в IV групі Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва. Він знаходиться прямо під вуглецем, отже має подібні з ним властивості. На зовнішньому електронному шарі у нього чотири електрона, з яких у звичайному стані два не спарених. У кремнію існують відповідні цьому стану двовалентні з'єднання, наприклад SiO. Але набагато більш природним при звичайних температурах для кремнію є чотиривалений стан, при якому один з електронів «перестрибує «з s — підрівня на p — підрівень.

Відповідно до положення кремнію в періодичній системі Менделєєва 14 електронів атома кремнію розподілені за трьома оболонкам: у першій (від ядра) 2 електрона, в другій 8, у третій (валентної) 4, конфігурація електронної оболонки 1s22s22p63s23p2. Послідовні потенціали іонізації (еВ): 8,149; 16,34; 33,46 і 45,13. Атомний радіус 1,33 Е, ковалентний радіус 1,17 Е, іонні радіуси Si4 + 0,39 Е, Si4−1,98 Е.

Зовнішній електронний шар у кремнію знаходиться далі від ядра, ніж у вуглецю, сила тяжіння валентних електронів до нього менше, тому властивості кремнію ближче до металевих. Кристалічний кремній володіє металевим блиском, є напівпровідником. Остання його властивість пояснюється малою міцністю ковалентних зв’язків, що існують між атомами кремнію. Вони починають руйнуватися вже при кімнатній температурі. При подальшому її підвищенні вивільняється велика кількість вільних електронів. Вважають, що при абсолютному нулі ідеально чистий і правильний кремній повинен бути ідеальним електроізолятором. Але ідеальна чистота і абсолютний нуль недосяжні, тому ми володіємо хорошим напівпровідником.

У природі існує три ізотопи кремнію з масовими числами 28, 29 і 30. Переважає (92,27%) легкий ізотоп — кремній -28. Відомі також кілька радіоактивних ізотопів.

Кремній — активний елемент. У природі він не зустрічається у вільному вигляді, і більшість його сполук дуже стійкі.

Кремній, як і вуглець, утворює різні аллотропні модифікації. Кристалічний кремній так само мало схожий на аморфний, як алмаз на графіт. Це тверда речовина сіро-сталевого кольору з металевим блиском і гранецентрированою кристалічною решіткою того ж типу, що й у алмазу.

У з'єднаннях кремній (аналогічно вуглецю) 4 — валентний. Однак, на відміну від вуглецю, кремній поряд з координаційним числом 4 проявляє координаційне число 6, що пояснюється великим обсягом його атома (прикладом таких сполук є кремнефторіди, містять групу [ SiF6 ] 2 -).

Хімічний зв’язок атома кремнію з іншими атомами здійснюється зазвичай за рахунок гібридних sp3 — орбіталей, але можливо також залучення двох з його п’яти (вакантних) 3dорбіталей, особливо коли кремній є шестикоординаційній. Володіючи малою величиною електронегативності, рівної 1,8 (проти 2,5 у вуглецю; 3,0 у азоту і т. д.), кремній у з'єднаннях з неметалами електропозитивний, і ці сполуки носять полярний характер. Велика енергія зв’язку з киснем SiO, рівна 464 кДж / моль (111 ккал / моль), обумовлює стійкість його кисневих сполук (SiO2 і силікатів). Енергія зв’язку SiSi мала, 176 кдж / моль (42 ккал / моль); на відміну від вуглецю, для креміня не характерне утворення довгих ланцюгів і подвійного зв’язку між атомами Si. На повітрі кремній завдяки створенню захисної окисної плівки стійкий навіть при підвищених температурах. У кисні окислюється починаючи з 400 ° С, утворюючи кремнію двоокис SiO2. Відома також моноокись SiO, стійка при високих температурах у вигляді газу, в результаті різкого охолодження може бути отриманий твердий продукт, що легко розкладається на тонку суміш Si і SiO2. Кремній стійкий до кислот і розчиняється тільки в суміші азотної і фтористоводневих кислот, легко розчиняється в гарячих розчинах лугів з виділенням водню. Кремній реагує з рештою галогенами — при нагріванні з утворенням сполук загальної формули SiX4. Водень безпосередньо не реагує з кремнієм, і кремневоднями (силани) отримують розкладанням силіцидів. Відомі кремніеводні від SiH4 до Si8H18 (за складом аналогічні граничним вуглецям). Кремній утворює 2 групи кисневмісних силанів — силоксани і сілоксени. Важливе практичне значення має нітрид Si3N4, не окислюється на повітрі навіть при 1200 ° С, стійкий по відношенню до кислот (крім азотної) і лугів, а також до розплавленим металам і шлакам, що робить його цінним матеріалом для хімічної промисловості, для виробництва вогнетривів і інших. Високої твердістю, а також термічною і хімічною стійкістю відрізняються з'єднання креміня з вуглецем (кремнію карбід SiC) і з бором (SiB3, SiB6, SiB12). При нагріванні кремній реагує (у присутності металевих каталізаторів, наприклад міді) з хлорорганічними сполуками (наприклад, з CH3Cl) з утворенням органогалосіланів (наприклад, Si (CH3) 3CI), службовців для синтезу численних кремнійорганічних сполук.

Кремній утворює темно — сірі з металевим блиском кристали, що мають кубічну гранецентровані грати типу алмазу з періодом, а = 5,431 Е, щільністю 2,33 г/см3. При дуже високих тисках отримана нова (мабуть, гексагональна) модифікація з щільністю 2,55 г/см3. Кремній плавиться при 1417 ° С, кипить при 2600 ° С. Питома теплоємність (при 20−100 ° С) 800 Дж / (кг Ч К), або 0,191 кал / (г Ч град), теплопровідність навіть для самих чистих зразків не постійна і знаходиться в межах (25 ° С) 84−126 вт / (м Ч К), або 0,20−0,30 кал / (см Ч сік Ч град). Температурний коефіцієнт лінійного розширення 2,33 Ч 10−6 К- 1, нижче 120K стає негативним. Кремній прозорий для довгохвильових ІЧпроменів, показник заломлення (для l = 6 мкм) 3,42, діелектрична проникність 11,7. Кремній діамагнетик, атомна магнітна сприйнятливість -0,13 Ч 10−6. Твердість креміня по Моосу 7,0, по Бринеллю 2,4 Гн/м2 (240 кгс/мм2), модуль пружності 109 Гн/м2 (10 890 кгс/мм2), коефіцієнт стисливості 0,325 Ч 10−6 см2/кг. Кремній крихкий матеріал, помітна пластична деформація починається при температурі вище 800 ° С.

Кремній — напівпровідник, що знаходить все більше застосування. Електричні властивості кремнію дуже сильно залежать від домішок. Власне питомий об'ємний електроопір креміня при кімнатній температурі приймається рівним 2,3 Ч 103 ом Ч м (2,3 Ч 105 ом Ч см).

Напівпровідниковий кремній з провідністю ртипу (добавки В, Al, In або Ga) і n — типу (добавки Р, Bi, As або Sb) має значно менший опір. Ширина забороненої зони по електричним вимірюванням становить 1,21 еВ при 0 К і знижується до 1,119 еВ при 300 К.

1.4 Одержання кремнію (Si)

Отримання кремнію засноване на відновленні магнієм, алюмінієм або вугіллям діоксиду кремнію або галогенідів кремнію при нагріванні. Лужні метали менш придатні для цього відновлення, хоча вперше кремній був отриманий за допомогою калію. Залежно від умов досвіду отримують продукти, досить різні за зовнішнім виглядом і за властивостями. Раніше розглядали їх як різні модифікації кремнію. Насправді їх кристалічні решітки однакові. Однак вони розрізняються величиною частинок, розвитком поверхонь і вмістом домішок (головним чином SiO2). Щодо чистим і у вигляді красивих кристалічних пластинок кремній отримують алюмотермічним відновленням кремнефторного калію К2 [ SiF6 ] :

3К2 [ SiF6 ] + 4Al > 3Si + 2K [ AlF4 ] + 2K2 [ AlF5 ]

Метод Велера полягає в наступному: суміш 125 г алюмінієвих стружок з 40 г К2 [ SiF6 ] енергійно нагрівають близько півгодини до яскраво — червоного розжарювання і потім повільно охолоджують. Відокремлений від шлаку і грубо стовчений корольок, що складається зі сплаву алюмінію з кремнієм, обробляють (спочатку розведеної, потім концентрованої) соляною кислотою. В результаті кремній залишається нерозчинену. Слід брати надлишок алюмінію, так як він в розплавленому стані діє на кремній як розчинник, з якого при охолодженні викристалізовується кремній. Так званий «аморфний «кремній можна парокришталювати шляхом сплаву з алюмінієм.

SiO2 при відповідних умовах також можна відновити алюмінієм. Відповідно до патенту Кюна, змішують 400 г алюмінієвих стружок, 500 г порошку сірки і 360 г кварцового піску, отриману суміш покривають зверху сумішшю порошку алюмінію і сірки або іншої підходящої запалюючої сумішшю і підпалюють розпеченій до червоного залізної паличкою.

Дуже реакціездібну форму кремнію отримують за способом Гаттермана — Вінклера відновленням діоксину кремнію магнієм:

SiO2 + 2Мg = Si + 2МgO .

Для запобігання бурхливої реакції до обчисленого за рівнянням кількістю суміші додають четверту частину оксиду магнію. Слід уникати надлишку металевого магнію, так як в цьому випадку відбувається утворення силіцида. Дуже важливо, щоб речовини були чистими і абсолютно сухими. Глиняний або шамотна тигель з реакційною сумішшю поміщають в заздалегідь нагріту до червоного розжарювання піч (піч Росслер або інша підходяща). Реакція починається через кілька хвилин при сильному розігріванні маси. Таким способом одержують коричневий порошок, який раніше був названий «аморфним кремнієм «. Однак за структурою він не відрізняється від кристалічного кремнію, лише завжди забруднене в значній мірі діоксином кремнію SiO2. Дійсно, аморфний кремній, як показав Шварц, можна отримати термічним розкладанням монохлорида кремнію.

У техніці кремній отримують відновленням кварцу в електричній печі вугіллям у присутності заліза. Так як кремній з залізом дає сплав феросиліцій, освіта карбіду обмежене, однак цим способом отримують не чистий кремній, а сплави заліза з кремнієм. Продукт, званий в техніці чистим кремнієм або металевим кремнієм, містить щонайменше 2, а зазвичай 3−5% заліза. Найчастіше отримують феросиліцій, що містить 25% і більше заліза. Феросиліцій з вмістом кремнію менше 20% можна розплавити у звичайній полум’яній печі.

Для отримання кремнію електротермічним способом використовують звичайні печі, так само як і для отримання карбіду і карборунда. Іноді до реакційної суміші додають ще СuО. У цьому випадку утворюється проміжний продукт СаС2, який є прекрасним відновником і значно полегшує отримання кремнію.

Технічно чистий кремній (95−98%) зараз отримують головним чином відновленням кремнезему в електричній дузі між графітовими електродами. Використовується також спосіб відновлення кремнезему коксом в електричних печах. Такий кремній використовують в металургії як раскиснювач, зв’язуючи і видаляє з металу кисень, і як добавку легуючих, що підвищує міцність і корозійну стійкість сталей і багатьох сплавів на основі кольорових металів. У сплави його додають в невеликих кількостях, надлишок кремнію призводить до крихкості.

Один із способів отримання високочистого напівпровідникового кремнію був розроблений у другій половині XIX століття російським хіміком М. М. Бекетовим і був одним з перших способів отримання кремнію в промисловості. Він заснований на реакції між парами цинку і тетрахлориду кремнію. Для реакції беруть високочисті реагенти і проводять її при 950 ° С в трубчастих реакторі, виготовленому з плавленого кварцу. Елементарний кремній утворюється у вигляді голчастих кристалів, які потім подрібнюють і промивають соляною кислотою, теж вельми чистою. Потім слід ще один щабель очистки — зонна плавка, і лише після неї полікристалічну кремнієву масу перетворюють на монокристали.

Є й інші реакції, в яких отримують Високочистий напівпровідниковий кремній. Це відновлення воднем трихлорсилану SiHCl3 або чотири хлористого кремнію SiCl4 і термічне розкладання моносілана, гідриду кремнію SiH4 або тетраіодіда SiI4. В останньому випадку розкладання сполуки відбувається на розігрітій до 1000 ° С танталовій стрічці. Додаткове очищення зонної плавкою слід після кожної з цих реакцій.

1.5 Застосування кремнію (Si)

Спеціально легований кремній широко застосовується як матеріал для виготовлення напівпровідникових приладів (транзистори, термістори, силові випрямлячі струму, керовані діоди — тиристори, сонячні фотоелементи, використовувані в космічних кораблях, і т. д.). Оскільки кремній прозорий для променів з довжиною хвилі від 1 до 9 мкм, його застосовують в інфрачервоній оптиці.

Кремній має різноманітні і все розширюючись області застосування. У металургії кремній використовується для видалення розчиненого в розплавлених металах кисню (розкислення). Кремній є складовою частиною великого числа сплавів заліза і кольорових металів. Зазвичай кремній надає сплавам підвищену стійкість до корозії, покращує їх ливарні властивості і підвищує механічну міцність, однак при більшому його змісті кремній може викликати крихкість. Найбільше значення мають залізні, мідні та алюмінієві сплави, що містять кремній. Все більша кількість кремнію йде на синтез кремнійорганічних з'єднань і силіцидів. Кремнезем і багато силікатів (глини, польові шпати, слюди, тальки і т. д.) переробляються скляної, цементної, керамічної, електротехнічної та іншими галузями промисловості.

Силіціювання, поверхневе або об'ємне насичення матеріалу кремнієм. Виробляється обробкою матеріалу в парах кремнію, що утворюються при високій температурі над кремнієвої засипанням, або в газовому середовищі, що містить Хлорсилани, що відновлюються воднем (наприклад, по реакції SiCI4 + 2H2 = Si + 4HC1). Застосовується переважно як засіб захисту тугоплавких металів (W, Mo, Ta, Ti та ін) від окислення. Стійкість до окислення обумовлюється утворенням при С. щільних дифузійних «самозагоючихся «силіцидних покриттів (WSi2, MoSi2 та ін.) Широке застосування знаходить силіційований графіт.

2. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ І КОНТАКТНИХ ЯВИЩ В ОБ’ЕКТІ ДОСЛІДЖЕННЯ Bi₁₂SiO₂₀

2.1 Об’ект дослідження Bi₁₂SiO₂₀

Об'єкт дослідження — широкозонний напівпровідник або вузькозонний діелектрик. Ширина забороненої зони 3 еВ. Заборонена зона насичена локальними енергетичними рівнями. Це: донори, акцептори, пастки (енергетичні ями).

Головною відмінністю металів, напівпровідників і діелектриків є величина (ширина) забороненої зони. У металах відсутня або перекривається. Тому основною властивістю металів є провідність.

Вид зв’язку металевий. Металева зв’язок — зв’язок між позитивними іонами в кристалах металів, здійснювана за рахунок тяжіння електронів, що вільно переміщаються по кристалу. У відповідності з положенням в періодичній системі атоми металів мають невелике число валентних електронів. Ці електрони досить слабко пов’язані зі своїми ядрами і можуть легко відриватися від них. У результаті в кристалічній решітці металу з’являються позитивно заряджені іони і вільні електрони. Тому в кристалічній решітці металів існує велика свобода переміщення електронів: одні з атомів будуть втрачати свої електрони, а які утворюються іони можуть приймати ці електрони з «електронного газу». Як наслідок, метал являє собою ряд позитивних іонів, локалізованих в певних положеннях кристалічної решітки, і велика кількість електронів, порівняно вільно переміщаються в полі позитивних центрів. У цьому полягає важлива відмінність металевих зв’язків від ковалентних, які мають строгу спрямованість у просторі. Металева зв’язок відрізняється від ковалентного також і по міцності: її енергія в 3−4 рази менше енергії ковалентного зв’язку.

Основними властивостями діелектрика є ізоляція і опір пробою. Пробій діелектрика — різке зростання електропровідності діелектрика в електричному полі, напруженість якого перевищує електричну міцність та утворення провідного каналу в діелектрику. Пробій діелектриків може супроводжуватися їх руйнуванням.

Мінімальна прикладена до діелектрика напруга, що приводить до його пробою, називають пробивним напругою U_пр. Предпробойное стан діелектрика характеризується різким зростанням струму, відступом від закону Ома в бік збільшення провідності. Ширина забороненої зони діелектрика від 3еВ і вище. В н/п ширина забороненої зони 1−2 еВ. Структура забороненої зони в н/п і діелектриках може бути складною. Тобто включати донорні, акцепторні та інші енергетично-активні дефекти. Домішкові рівні - енергетичних станів напівпровідника, розташовані в забороненій зоні і обумовлені присутністю в ньому домішок і структурних дефектів.

Існує досить великий клас матеріалів, які можна віднести до широкозонних напівпровідників або вузькозонних діелектрікам. Ширина забороненої зони 2,5−3 еВ.

Приклад Bi₁₂SiO₂₀ — ширина забороненої зони 3еВ.

Завдяки порушенню отіхіометріі в забороненій зоні знаходяться акцепторні, донорні, ловушечного, рекомбінаційні центри. Велика ймовірність утворення квазі-диполів. Різні матеріали при додатку до них ел. поля ведуть себе по різному. Важливою характеристикою є розподіл поля (потенціалу) на поверхні і в глибині об'єкта. Примітивним розподілом є лінійне. Існують більш складні функції: падіння напруги на приелектродного областях та (або) в обсязі матеріалу. Тому становить інтерес досліджувати опір потенціалу та заряду в матеріалі Bi₁₂SiO₂₀.

Вперше монокристали Bi₁₂SiO₂₀ отримані шведським вченим Silen в 1937 р. Тому альтернативним назвою є термін селеніт, або селікато селеніт. Існують модифікації: Bi₁₂ТiO₂₀ Bi₁₂GeO₂₀

2.2 Експерементальна установка для методу потенційного зонду Дослідження виконаємо за допомогою методу потенційного зонда, який представлений на рисунку 2.2.1.

1. Зразок; 6. Поляризована напруга;

2. Pt електрод; 7. Джерело живлення;

3. Потенціальний зонд; 8. Поляризовані фільтри;

4. Електричний вольтметр; 9. Спостерігач;

5. Піч;

Рисунок 2.2.1 — Дослідження методом потенціального зонду.

Використання електростатичного вольтметра дозволяє уникнути падіння напруги, яка має місце в інших приладах. Унікальність електростатичного вольтметра — нескінченне внутрішній опір.

Розглянемо пристрій електростатичного вольтметра. Це класичний зразок функціональної електроніки. Схема якого представлена на рисунку 2.2.2

Принцип роботи наступний: вимірюється напруга прикладається (потрапляє) на поверхню зразка 1. Спостерігається зворотний п'єзо-ефект, зміна геометричних розмірів кристала. Нитка скручується, розкручується, дзеркальце обертається. Відображає зайчик переміщується по шкалі. Його відхилення свідчать про зміну напруги.

1. П’езо матеріал (п'єзоелектрик); 4. Підсвічування;

2. Дзеркало; 5. Око експерементатора;

3. Вита нитка;

Рисунок 2.2.2 — Схема електростатичного вольтметра.

2.3 Обчислення розподілу поля та заряду в об'ємі Bi₁₂SiO₂₀

В результаті експерименту отримана залежність потенціалу ц від відстані від анода х. Отриманні дані наведені в таблиці 2.3.1 .

Таблиця 2.3.1 — Залежність розподілу потенціалу від координат.

Залежність розподілу потенціалу від координат зображена на рисунку. 2.3.1.

Рисунок 2.3.1 — Залежність розподілу потенціалу від координат.

На основі даних таблиці 2.3.1 розрахована залежність розподілу поля від координат. Отримані дані наведені в таблиці 2.3.2.

Приклад розрахунків :

Таблиця 2.3.2 — Залежність розподілу поля від координат.

кремній напівпровідниковий заряд діелектрик Залежність розподілу поля від координат зображена на рис. 2.3.2

Рисунок 2.3.2 — Залежність розподілу поля від координат.

На основі даних таблиці 2.3.2 розрахована залежність розподілу заряду від координат, яка зображена на рис. 2.3.3 Отримані дані наведені в таблиці 2.3.3 :

Приклад розрахунків:

Таблиця 2.3.3 — Залежність розподілу заряду від координат

Залежність розподілу заряду від координат зображена на рис. 2.3.3

Рисунок 2.3.3 — Залежність розподілу заряду від координат.

2.4 Нормований графік У разі якщо дані за масштабом сильно розкидані, тобто при побудова графіків на одному аркуші. При цьому графіки масштабуються з різницею в 2 порядку і вище використовується науковий прийом — норміровка. Норміровка полягає у визначенні максимального значення (з масиву) і подальшого поділу всіх значень масиву на максимум. Норміровка здійснюється як по осі У, як і по осі Х. Дані норміровки потенціалу, поля і заряду наведені в таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 — Нормовані значення розподілу потенціалу, поля, заряду від координат

Рисунок 2.4.1 — Нормовані значення розподілу потенціалу, поля, заряду від координат

2.5 Розрахунок накопичуваного заряду в досліджуваному матеріалі

У процесі поляризації під дією поля та інших зовнішніх факторів, освітлення, температура, відбувається розподіл заряду в матеріалі.Перерозподіл заряду обумовлено:

1) Наявністю дефектів (розрив зв’язку) на поверхні.

2) Наявність квазі-диполів в об'ємі зразка.

3) Нелінійне розподіл захоплених електронів на пастки в процесі руху носіїв заряду від катода до анода (Електрон) та від анода до катода (дірки).

4) Важливу роль відіграють контактні явища. Основними видами контактів є: омічний і бар'єрний контакт.

· Омічний — відсутність бар'єру для руху носіїв заряду.

· Бар'єрний — наявність бар'єру.

При бар'єрному типі контакту можуть спостерігатися:

· Інжекція — впорскування основних носіїв заряду.

· Ексклюзив — впорскування неосновних носіїв заряду.

Значення заряду можна отримати з розподілу с (х). Для цього використовуємо метод чисельного диференціювання (метод трапеції).Отримані значення представлені у вигляді таблиці 2.5.

Приклад розрахунків:

Таблиця 2.5.1 — Значення заряду

Оскільки сумарний заряд більший за 0 можна зробити висновок, що зразок став позитивно заряженим.

Представляє інтерес питомий розподіл заряду. Площа від мого зразка (10×5×1). Для розрахунку концентрації носіїв заряду (пасток, електроактивних дефектів) скористаємося формулою.

Результати представлені в таблиці 2.5.2.:

Приклади розрахунків:

Таблиця 2.5.2 — Розрахунок питомого розподілу заряду та концентрації носіїв заряду

На підставі даних Q_v(x) побудуємо кольорову зарядограму, на якій позитивні області будуть позначені червоним кольором, негативні синім відповідно. Ступінь насиченості повинна відповідати величині заряду, тобто чим більше заряд, — тим яскравіше і насиченіший колір. Також побудуємо таблицю містить значення заряду [Кл/м3] для прианодної, прикатодної, об'ємної областях. Полога що пріанодна область 0? х? 3; прікатодном 0,7<�х?1. Відповідно внутрішньо об'ємна 0,3

Таблиця 2.5.3 — Густина заряду

Рисунок 2.5.1 — Зарядограма Проаналізувавши отриману зарядограму можна зробити висновок, що в анодній зоні діє механізм ексклюзія (вприск неосновних носіїв заряду), а в катодній інжекція (вприск основних носіїв заряду). Спостерігається гомогенний заряд. Присутня система «сендвіч» (коли знак заряду змінюється 5 і більше разів.

ВИСНОВКИ Результати, отриманні при виконанні дипломного проекту дозволяють зробити наступні висновки:

? об'єкт дослідження — широкозонний напівпровідник або вузькозонний діелектрик;

? вид зв’язку металевий. Металева зв’язок? зв’язок між позитивними іонами в кристалах металів, здійснювана за рахунок тяжіння електронів, що вільно переміщаються по кристалу;

? використання електростатичного вольтметра дозволяє уникнути падіння напруги;

? норміровка полягає у визначенні максимального значення (з масиву) і подальшого поділу всіх значень масиву на максимум;

? у процесі поляризації під дією поля та інших зовнішніх факторів, освітлення, температура, відбувається розподіл заряду в матеріалі;

— на підставі даних побудовано кольорову зарядограму. На ній ми можемо спостерігати, що в анодній зоні діе механізм ексклюзії, а в катодній інжекція.

— Отримано значеня сумарного заряду, та сумарного накопиченого заряду .

Перелік посилань

1. Пасынков В. В., Материалы электронной техники: учеб. для студ. вузов по спец. Электронной технике, [текст], Пасынков В. В, Сорокин В. С., изд. Лань 2001 г.

2. Гершунский Б. С., Основы электроники и микроэлектроники. Электронной технике, [текст] Гершунский Б. С. К.: Висшая школа, 1987.

3. Миклашевский С. П. Промышленная электроника. Изд. 2-е, перар. и доп., [текст], Миклашевский С. П, М.: Висшая школа, 1973.

4. Жеребцов И. П. Основы электроники. 5-е изд., перераб. и доп., [текст], Жеребцов И.П.Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1989.

5. Застосування кремнію. http://bisercity.ru/?p=86 (Електронний ресурс)

6. Кремінь. Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%F0%E5%EC%ED%E8%E9 (Електронний ресурс) Додаток A

Зонна схема власного та домішкового рівнів напівпровідників Рисунок A.1. — Енергетична діаграма власного напівпровідника Рисунок A.2. — Енергетична діаграма n-напівпровідника Рисунок A.3. — Енергетична діаграма p-напівпровідника Додаток B

Рисунок B.1. — Структура і нещільна упаковка іонів хлористого цезію Розрахунок константи Маделунга для хлористого цезію.

1) Е_пр =2[-Е²/4 ре₀d + Е²/8 ре₀d — Е²/12 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1−½+1/3-…]

Е_пр=-Е²/4 ре₀d * 2ln2

а= 2Ln2

2) Е_пр =2[Е²/8 ре₀d — Е²/12 ре₀d + Е²/16 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-½+1/3−¼+…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-½+1/3−¼+…]

а= 2[-½+1/3−¼+…] .

3) Е_пр =2[-Е²/12 ре₀d + Е²/16 ре₀d — Е²/20 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/3−¼+1/5-…]

E_np= - Е²/4 ре₀d * 2[1/3−¼+1/5-…]

а= 2[1/3−¼+1/5-…]

4) Е_пр =2[Е²/16 ре₀d — Е²/20 ре₀d + Е²/24 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [¼+1/5−1/6+…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-¼+1/5−1/6+…]

а= 2[-¼+1/5−1/6+…]

5) Е_пр =2[-Е²/20 ре₀d + Е²/24 ре₀d — Е²/28 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/5−1/6+1/7-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[1/5−1/6+1/7-…]

а= 2[1/5−1/6+1/7-…]

6) Е_пр =2[Е²/24 ре₀d — Е²/28 ре₀d + Е²/32 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-1/6+1/7−1/8+…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-1/6+1/7−1/8+…]

а= 2[-1/6+1/7−1/8+…]

7) Е_пр =2[-Е²/28 ре₀d + Е²/32 ре₀d — Е²/36 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/7−1/8+1/9-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[1/7−1/8+1/9-…]

а= 2[1/7−1/8+1/9-…]

8) Е_пр =2[Е²/32 ре₀d — Е²/36 ре₀d + Е²/40 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-1/8+1/9−1/10+…]

Е_пр = - Е²/4 ре₀d * 2[-1/8+1/9−1/10+…]

а= 2[-1/8+1/9−1/10+…]

9) E_np =2[-Е²/36 ре₀d + Е²/40 ре₀d — Е²/44 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/9−1/10+1/11-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[1/9−1/10+1/11-…]

а= 2[1/9−1/10+1/11-…]

10) E_np =2[Е²/40 ре₀d — Е²/44 ре₀d + Е²/48 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-1/10+1/11−1/12+…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-1/10+1/11−1/12+…]

а= 2[-1/10+1/11−1/12+…]

11) E_np =2[-Е²/44 ре₀d + Е²/48 ре₀d — Е²/52 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/11−1/12+ 1/13-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[1/11−1/12+1/13-…]

а= 2[1/11−1/12+1/13-…]

12) E_np =2[Е²/48 ре₀d — Е²/52 ре₀d + Е²/5б ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-1/12+1/13 — 1/14-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-1/12+1/13−1/14+…]

а= 2[-1/12+1/13−1/14+…]

13) E_np =2[-Е²/52 ре₀d + Е²/56 ре₀d — Е²/60 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/13−1/14+ 1/15-…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[1/13−1/14+1/15-…]

а= 2[1/13−1/14+1/15-…]

14) Е_пр =2[Е²/56 ре₀d — Е²/60 ре₀d + Е²/64 ре₀d -…]=-2 Е²/4 ре₀d [-1/14+1/15−1/16+…]

Е_пр= - Е²/4 ре₀d * 2[-1/14+1/15−1/16+…]

а= 2[-1/14+1/15−1/16+…]

15) E_np =2[-Е²60 ре₀d + Е²/64 ре₀d — Е²/68 ре₀d +…]=-2 Е²/4 ре₀d [1/15−1/16+1/17-…]

E_np= - Е²/4 ре₀d * 2[1/15−1/16+1/17-…]

а= 2[1/15−1/16+1/17-…]

Додаток C

ПВМС ПРОМ ТИТУС Просторово — часові модулятори світла (ПВМС) виготовляються у вигляді електрично (ЕУТ) або оптично (ОУТ) керованих оптичних транспарантів (ОТ) і характеризуються наступними параметрами:

— Розміри лінійної апертури, мм,

— Число елементарних комірок,

— Роздільна здатність, ліній / мм,

— Робітники і керуючі (для ОУТ) довжини хвиль, нм,

— Величина керуючого напруги (для ЕУТ), В,

— Коефіцієнт контрасту (дорівнює відношенню різниці максимального і мінімального пропускання транспаранта до їх суми),

— Швидкодія (час релаксації ПВМС),

— Нелінійність передавальної характеристики,

— Шуми.

В основі дії сучасних ПВМС лежать різні температурні, електрооптичні, магнітооптичні, акустооптичні та ін ефекти явища Поккельса, Керра, Фарадея, дифракція Брегга та інші. Типові розміри лінійної апертури ПВМС 20−30 мм.

Мембранний ЕУТ виконаний у вигляді двовимірної решітки елементарних відображають світло осередків.

В основі принципу дії ПВМС «Тітус «лежить лінійний електрооптичний ефект Поккельса. Пластина з електрооптичного кристала ДКДП, що знаходиться при температурі - С (для охолодження кристала застосовуються термоелементи Пельтьє), сканується електронним променем, який створює заданий рельєф електричного потенціалу (і відповідне градієнту потенціалу розподіл локального електричного поля) поблизу поверхні кристала. Під дією електричного поля, внаслідок ефекту Поккельса, величина двулучепреломления в різних ділянках кристалічної пластини прямо пропорційна величині поздовжньої складової напруженості електричного поля. «Тітус «може використовуватися як амплітудного, або фазового (за відсутності лінійного поляризатора на виході системи) просторового модулятора з роздільною здатністю близько 30 ліній / мм, часом перемикання 10 мкс, коефіцієнтом контрасту 1:100.

Додаток D

Класифікація матеріалів електронної техніки

Додаток E

Класифікація провідникових матеріалів

Додаток F

Класифікація напівпровідників Додаток G

Класифікація діелектриків

Додаток H

Термопара Матеріали для термопар :

— Платина

— Залізо

— Мідь

— Хром ель

— Алюмель Рисунок H.1 Термопара: 1- провідник 1; 2- провідник 2; 3- спай .

Рисунок H.2 Диференційна термопара: 1- термопара 1; 2- термопара 2; 3- сосуд Дюара; 4- піч; 5- лід; 6- зона контроля .

Таблиця H.1? Хімічний склад термоелектродного матеріалу

Таблиця H.2? Градуювання (градуювальні таблиця). Термопари ТПП: платина-13% родій/платина .

Додаток I

Вуглецеві нанотрубки — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох мікрон складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин і

закінчуються зазвичай півсферичною головкою.

За значенням параметрів (n, m) розрізняють:

? прямі (ахіральні) нанотрубки;

? «крісло» (armchair) n=m;

? зигзагоподібні (zigzag) m=0 або n=0;

? спіральні (хіральні) нанотрубки.

Рисунок І.1 — Структура типу «крісло»

Рисунок І.2 — Зигзагоподібна структура Рисунок І.3 — Хіральна структура За структурою можна розрізняти як одношарові та багатошарові вуглецеві нанотрубки.

Методи одержання вуглецевих нанотрубок:

? розрядно-дуговий метод;

? метод хімічного осадження з пари;

? нанотрубки зі спирту;

? метод лазерної абляції;

? довгі нитки з нанотрубки;

? заточка багатошарових нанотрубок.

Застосування нанотрубок:

? пам’ять для електронно-обчислювальних машин;

? польовий транзистор;

? формування гетеро структур;

? як прототип плоских дисплеїв;

? контейнери для персування хімічних розчинів;

? використання у наномедицині.

Додаток J

Гідрогенова установка

1)Електролізер; 8) Датчик температури ;

2)Форболон; 9) Кристали ;

3)Осушувач; 10) Тепловідхід ;

4)Генератор високих частот; 11) Електронасос ;

5)Кран; 12) Вакуумний насос ;

6)Магнітна пастка; 13) Вакуумна лампа;

7)Датчик концентрації атомарного гідрогену ;