Диффузия в кристалле: различия между версиями
[непроверенная версия] | [отпатрулированная версия] |
Нет описания правки |
MBHbot (обсуждение | вклад) м →Литература: Project talk:Викификатор#Шаблон:Rq, replaced: {{rq|sources}} → {{подст:нет источников}} |
||
(не показано 38 промежуточных версий 18 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
'''Диффузия''' — это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные [[дефекты кристалла|дефекты структуры кристалла]] — междоузельные атомы и вакансии. |
|||
'''Диффузия в [[кристалл]]е''' может происходить и происходит по различным механизмам. Возможны вакансионный, межатомный(интерстициальный), и прыжковый механизмы. |
|||
Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n-переходов в настоящее время используются три метода введения примеси: термическая диффузия, [[Легирование (полупроводники)|нейтронно-трансмутационное легирование]] и [[ионная имплантация]] ([[Ионная имплантация|ионное легирование]]). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии. |
|||
== Вакансионный механизм == |
|||
⚫ | Вакансионный механизм заключается в миграции [[атом]]ов по кристаллической решётке при помощи вакансий. В любом кристалле существуют вакансии — места в решетке без атомов (их иногда называют атомами пустоты). Атомы вокруг вакансии колеблются и получив определенную энергию один из этих атомов может перескочить на место вакансии и занять её место в решетке, в свою очередь оставив за собой вакансию. Так происходит перемещение по решетке атомов и вакансий, а значит и массоперенос. |
||
Энергия необходимая для перемещения вакансии или атома по решетке называется энергией активации. |
|||
== Основные характеристики диффузионных слоев == |
|||
== Межузельный механизм == |
|||
* поверхностное сопротивление, или [[поверхностная концентрация]] примеси; |
|||
⚫ | Межузельный механизм диффузии заключается в переносе вещества межузельными атомами. Диффузия по такому механизму происходит интенсивно если в кристалле по каким-то причинам присутствует большое количество межузельных атомов и они легко перемещаются по решетке. Такой механизм диффузии предполагается, например, для азота в алмазе. |
||
* глубина залегания -перехода или легированного слоя; |
|||
* распределение примеси в легированном слое. |
|||
До настоящего времени нет достаточно полной общей теории, позволяющей сделать точный расчет этих характеристик. Существующие теории описывают реальные процессы либо для частных случаев и определенных условий проведения процесса, либо для создания диффузионных слоев при относительно низких концентрациях и достаточно больших глубинах введения примеси. Причиной этого является многообразие процессов, протекающих в твердом теле при диффузии, таких как взаимодействие атомов различных примесей друг с другом и с атомами полупроводника, механические напряжения и деформации в решетке кристалла, влияние окружающей среды и других условий проведения процесса. |
|||
== Прыжковый механизм == |
|||
⚫ | |||
== Механизмы диффузии примесей == |
|||
== Влияние на диффузию температуры == |
|||
[[Файл:diffuzion.gif|frame|Схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах]] |
|||
⚫ | |||
Основными механизмами перемещения атомов по кристаллу могут быть: прямой обмен атомов местами — а; кольцевой обмен — б; перемещение по междоузлиям — в; эстафетная диффузия (краудион) — г; перемещение по вакансиям — д; диссоциативное перемещение — е; миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен). |
|||
⚫ | * '''Вакансионный механизм диффузии''' — заключается в миграции [[атом]]ов по кристаллической решётке при помощи вакансий. В любом кристалле существуют [[вакансии в молекулярных структурах|вакансии]] — места в решетке без атомов (их иногда называют атомами пустоты). Атомы вокруг вакансии колеблются и, получив определенную энергию, один из этих атомов может перескочить на место вакансии и занять её место в [[молекулярная решетка|решетке]], в свою очередь оставив за собой вакансию. Так происходит перемещение по решетке атомов и вакансий, а значит и массоперенос. ''Энергия, необходимая для перемещения вакансии или атома по решетке, называется '''[[энергия активации|энергией активации]]'''.'' |
||
== Влияние давления на диффузию == |
|||
⚫ | * '''Межузельный механизм диффузии''' — заключается в переносе [[вещество|вещества]] межузельными атомами. Диффузия по такому механизму происходит интенсивно, если в кристалле по каким-то причинам присутствует большое количество межузельных атомов и они легко перемещаются по решетке. Такой механизм диффузии предполагается, например, для азота в алмазе. |
||
Увеличение температуры всегда ускоряет диффузию, а давление оказывает более сложное влияние. Оно зависит от механизма диффузии. |
|||
⚫ | |||
В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. При гетеродиффузии, по крайней мере, один из атомов является примесным. Однако вероятность протекания этих процессов в кристалле различна. Прямой обмен атомов требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным, как и кольцевой обмен. |
|||
⚫ | Если диффузия происходит по вакансионному механизму, то увеличение давления уменьшает содержание вакансий. Происходит это потому, что увеличение содержания вакансий увеличивает |
||
== Зависимость диффузии от условий == |
|||
Если диффузия происходит по межузельному механизму, то с одной стороны увеличение давления повышает содержание межузельных атомов, с другой же стороны, атомы в кристалле сближаются и перемещение между узлами затрудняется. |
|||
⚫ | |||
⚫ | * '''[[Давление]].''' Увеличение [[температура|температуры]] всегда ускоряет диффузию, а [[давление]] оказывает более сложное влияние. Оно зависит от механизма диффузии. Если диффузия происходит по вакансионному механизму, то увеличение давления уменьшает содержание вакансий. Происходит это потому, что увеличение содержания вакансий увеличивает объём кристалла, давление стремится уменьшить объём кристалла и поэтому понижает содержание вакансий, соответственно уменьшая скорость диффузии. ''Если диффузия происходит по межузельному механизму, то с одной стороны увеличение давления повышает содержание межузельных атомов, с другой же стороны, атомы в кристалле сближаются и перемещение между узлами затрудняется.'' |
||
== Литература == |
|||
⚫ | |||
* {{книга |автор = Бокштейн Б. С.|часть = |заглавие = Диффузия в металлах|оригинал = |ссылка = |издание = |место = М.|издательство = Металлургия|год = 1978|том = |страницы = |страниц = 248|isbn = }} |
|||
[[Category:Явления на атомном уровне]] |
|||
{{Нет источников |дата=2024-10-19}} |
|||
⚫ | |||
[[Категория:Диффузия]] |
Текущая версия от 19:27, 19 октября 2024
Диффузия — это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла — междоузельные атомы и вакансии.
Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n-переходов в настоящее время используются три метода введения примеси: термическая диффузия, нейтронно-трансмутационное легирование и ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.
Основные характеристики диффузионных слоев
[править | править код]- поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;
- глубина залегания -перехода или легированного слоя;
- распределение примеси в легированном слое.
До настоящего времени нет достаточно полной общей теории, позволяющей сделать точный расчет этих характеристик. Существующие теории описывают реальные процессы либо для частных случаев и определенных условий проведения процесса, либо для создания диффузионных слоев при относительно низких концентрациях и достаточно больших глубинах введения примеси. Причиной этого является многообразие процессов, протекающих в твердом теле при диффузии, таких как взаимодействие атомов различных примесей друг с другом и с атомами полупроводника, механические напряжения и деформации в решетке кристалла, влияние окружающей среды и других условий проведения процесса.
Механизмы диффузии примесей
[править | править код]Основными механизмами перемещения атомов по кристаллу могут быть: прямой обмен атомов местами — а; кольцевой обмен — б; перемещение по междоузлиям — в; эстафетная диффузия (краудион) — г; перемещение по вакансиям — д; диссоциативное перемещение — е; миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен).
- Вакансионный механизм диффузии — заключается в миграции атомов по кристаллической решётке при помощи вакансий. В любом кристалле существуют вакансии — места в решетке без атомов (их иногда называют атомами пустоты). Атомы вокруг вакансии колеблются и, получив определенную энергию, один из этих атомов может перескочить на место вакансии и занять её место в решетке, в свою очередь оставив за собой вакансию. Так происходит перемещение по решетке атомов и вакансий, а значит и массоперенос. Энергия, необходимая для перемещения вакансии или атома по решетке, называется энергией активации.
- Межузельный механизм диффузии — заключается в переносе вещества межузельными атомами. Диффузия по такому механизму происходит интенсивно, если в кристалле по каким-то причинам присутствует большое количество межузельных атомов и они легко перемещаются по решетке. Такой механизм диффузии предполагается, например, для азота в алмазе.
- Прямой обмен атомов местами — заключается в том, что два соседних атома одним прыжком обмениваются местами в решетке кристалла.
В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. При гетеродиффузии, по крайней мере, один из атомов является примесным. Однако вероятность протекания этих процессов в кристалле различна. Прямой обмен атомов требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным, как и кольцевой обмен.
Зависимость диффузии от условий
[править | править код]- Температура. В одном и том же кристалле при различных условиях и для различных атомов диффузия может происходить по различным механизмам с различными энергиями активации. Диффузия может быть сложным, многоступенчатым процессом, каждый из которых имеет свою температурную зависимость.
- Давление. Увеличение температуры всегда ускоряет диффузию, а давление оказывает более сложное влияние. Оно зависит от механизма диффузии. Если диффузия происходит по вакансионному механизму, то увеличение давления уменьшает содержание вакансий. Происходит это потому, что увеличение содержания вакансий увеличивает объём кристалла, давление стремится уменьшить объём кристалла и поэтому понижает содержание вакансий, соответственно уменьшая скорость диффузии. Если диффузия происходит по межузельному механизму, то с одной стороны увеличение давления повышает содержание межузельных атомов, с другой же стороны, атомы в кристалле сближаются и перемещение между узлами затрудняется.
Литература
[править | править код]- Бокштейн Б. С. Диффузия в металлах. — М.: Металлургия, 1978. — 248 с.
В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |