Программа курса "Физика реального кристалла"

1. Введение.

Основные свойства и основные группы полупроводниковых материалов.

2. Основы теории химической связи и закономерности образования полупроводников.

Типы химической связи в твердых телах (ковалентная, ионная, металлическая, молекулярная, водородная) и их связь с электронной структурой составляющих кристалл атомов. Особенности ковалентной связи, определяющей полупроводниковые свойства материала. Образование гибридных связей.
Элементарные полупроводники: элементы IVA, VA, VIA, VIIA, IIIA подгрупп. Полупроводниковые соединения.
Электроотрицательность элементов, степень ионности связи. Химическая связь в полупроводниковых соединениях A^NB^8-N. Эмпирические закономерности образования полупроводниковых фаз. Соединения и твердые растворы. Химическая связь в полупроводниках, производных от A^NB^8-N. Соединения с резонансными и дефектными связями. Химическая связь в полупроводниковых соединениях A^IVB^VI и A^V₂B^VI₃.

3. Дефекты в полупроводниковых материалах.

Собственные дефекты.
Точечные дефекты: междоузельные атомы, вакансии, дефекты Шоттки, пары Френкеля, антиструктурные и стехиометрические дефекты. Основные механизмы образования точечных дефектов.
Дислокации (краевые, винтовые и представление о смешанных дислокациях). Свойства дислокаций. Влияние дислокаций на некоторые физические свойства полупроводников. Основные методы наблюдения дислокаций.
Двумерные дефекты: малоугловые границы, границы кручения, граница зерен, двойники, дефекты упаковки.
Макроскопические дефекты: объемные нарушения, поры, включения второй фазы.
Примеси: замещения и внедрения; электрически активные и электрически неактивные. Доноры, акцепторы, амфотерные и изоэлектронные примеси.
Примеси в элементарных полупроводниках.
Примеси в полупроводниковых соединениях.

4. Фазовые равновесия в полупроводниковых системах. Элементы теории образования фаз.

Диаграммы фазового равновесия.
T-X диаграммы состояния бинарных систем. Диаграммы состояния с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге. Типы диаграмм с неограниченной растворимостью компонентов. Диаграммы состояния c ограниченной растворимостью компонентов: эвтектические, перитектические. Диаграммы состояния с химическими соединениями. Химические соединения: конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся. Неравновесные диаграммы состояния.
Элементы общей теории образования фаз. Образование центров новой фазы: гомогенное и гетерогенное (условия, необходимые для возникновения центров новой фазы в исходном материале; размер критического зародыша; вероятность образования критического зародыша; скорость образования центров новой фазы в зависимости от условий роста).
Рост центров новой фазы. Механизмы роста центров новой фазы: послойный, слоисто-спиральный, нормальный.

5. Получение чистых полупроводниковых материалов.

Кристаллизационные методы очистки. Коэффициент разделения примесей: равновесный и эффективный. Метод определения равновесного коэффициента разделения.
Методы получения чистых полупроводниковых материалов и принципиальные возможности очистки. Вертикальная бестигельная зонная плавка - способ получения материала с высокой степенью чистоты. Метод контроля чистоты материала (оценка содержания в нем примесей).

6. Выращивание объемных полупроводниковых кристаллов.

Получение кристаллов из жидкой фазы.
Выращивание кристаллов из расплава. Метод нормальной направленной кристаллизации. Метод вытягивания из расплава (метод Чохральского). Выращивание кристаллов методом зонной плавки.
Выращивание кристаллов из растворов. Метод движущегося растворителя.
Условия выращивания и дефектность монокристаллов. Неравновесные собственные дефекты (причины их появления и методы борьбы с ними).
Выращивание полупроводниковых монокристаллов из газовой фазы.
Основные этапы и стадии роста. Метод сублимации-конденсации. Метод химических реакций. Метод химического транспорта.

7. Растворимость и диффузия примесей в кристаллах.

Растворимость примесей: предельная растворимость и предельная растворимость электрически активной примеси. Взаимное влияние на предельную растворимость нескольких электрически активных примесей при их одновременном введении в полупроводник.
Диффузия примесей. Уравнения диффузии. Механизмы диффузии примесей: междоузельный, вакансионный, обменный, диссоциативный. Диффузионная длина. Основные параметры диффузии. Распределение диффундирующих атомов по глубине кристалла: диффузия из бесконечно тонкого слоя и диффузия из постоянного источника.
Диффузия различных примесей в Ge и Si.
Определение зарядовых состояний диффундирующих примесных атомов. Диссоциативный механизм диффузии.
Влияние структурных несовершенств, состава, природы полупроводника и диффузанта на скорость и параметры диффузии: самодиффузия и гетеродиффузия в полупроводниках.
Температурная зависимость растворимости примесей в элементарных полупроводниках. Ретроградная растворимость и эффекты, связанные с ней.
Связь между предельной растворимостью, коэффициентом разделения, коэффициентом диффузии примеси в одном полупроводнике и электронными конфигурациями примесного атома и атомов матрицы.

Основная литература

И.А. Случинская. Основы материаловедения и технологии полупроводников. М.: МИФИ, 2002.

Дополнительная литература

1. В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. Изд. 2-е, М., Наука, 1990.
2. М.П. Шаскольская. Кристаллография. М., Высшая школа, 1976.
3. П. Ю, М. Кардона. Основы физики полупроводников: Пер. с англ. М.: Физматлит, 2002.
4. С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М., Металлургия, 1988.
5. Б.И. Болтакс. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Л., Наука, 1972.