Физическая химия материалов и процессов электронной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Учебно-методический комплекс по дисциплине
"ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ"
Направление подготовк
210100 «Электроника и микроэлектроника»
Специальность
210104 Микроэлектроника и твердотельная
электроника
Квалификация (степень) Бакалавр, инженер
Форма обучения
Составитель:
очная
д.х.н., профессор В.В. Рыбкин
Иваново, 2011
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине "ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ"
Курс 3.
Семестр 6. Экзамен - 6 семестр, зачет - 6 семестр.
трудоемкость дисциплины
- 150 часов
аудиторные занятия
- 75 часов
Лекции
- 30 час.
Лабораторно-практические занятия
- 45 час
Самостоятельная работа
- 75 час.
1.ВВЕДЕНИЕ.
1.1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.
Предметом изучения являются твердые кристаллические материалы, применяемые в
электронике и их основные физико-химические свойства. В системе подготовки инженера
электронной промышленности дисциплина является одной из фундаментальных, поскольку на
свойствах кристаллических тел базируется технология изготовления твердотельных
электронных приборов и микросхем. Дисциплина завершает цикл по изучению физических и
химических свойств твердых тел, начатый курсами "Физика твердого тела", "Материалы и
элементы электронной техники".
1.2. Требования по дисциплине.
Студент должен:
иметь представление о:
- анализе гетерогенных систем с использованием аппарата термодинамических функций;
- квазихимическом методе описания равновесий дефектов, включая ионизованные дефекты
и подвижные носители зарядов;
- способах управления дефектообразованием и создания материалов нужного типа
проводимости;
- процессах диффузии в твердых телах;
знать и уметь использовать:
- методы расчетов и анализа фазовых диаграмм;
- методы анализа и прогнозирования электрофизических свойств полупроводниковых
материалов с целью получения материалов с заданными параметрами;
- методы описания кинетики диффузионных процессов;
иметь опыт (владеть):
- использования справочной литературы и способов количественных расчетов гетерогенных
систем на основе термодинамических и кинетических подходов.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (УЧЕБНЫЕ МОДУЛИ)
2.1. Модуль 1. Термодинамика фазовых равновесий.
2.1.1. Лекционный материал (14):
Термодинамическая характеристика фазы и фазовых равновесий: термодинамические
потенциалы и характеристические функции; уравнение состояния систем; критерии
направления процесса и условия равновесия в системах; фазовые переходы первого и второго
рода; диаграммы состояния полупроводниковых систем и методы их получения; Р-Т-Х
диаграммы; термодинамика растворов: классификация , теория активности и теория
избыточных функций, прогнозирование типа диаграмм состояния с помощью изотерм
концентрационной зависимости свободной энергии Гиббса.
2.1.2. Лабораторные занятия.
По данному модулю не планируются.
2.1.3. Практические занятия – 10 часов.
Решение задач по термодинамике и фазовым равновесиям.
2.1.4. Самостоятельная работа (20 часов). Решение задач по термодинамике и фазовым
равновесиям.
Выполнение индивидуального домашнего задания по модулю. Подготовка к коллоквиуму,
практическим занятиям, промежуточному контролю.
2
2.2. Модуль 2. Дефекты кристаллических структур.
2.2.1.Лекционный материал (8 часов).
Общая классификация дефектов.
Точечные дефекты. Дефекты по Шоттки и Френкелю, равновесие дефектов, дефекты
нестeхиометрии. Влияние дефектов на зонную структуру.
Физикохимическое управление типом и концентрацией дефектов в полупроводниках;
квазихимический метод расчета концентрации дефектов и носителей заряда; р-т-х диаграммы
для многофазных систем переменного состава.
2.2.2. Лабораторные работы (18 часов).
Определение плотностей дислокаций методом селективного травления.
Исследование температурной зависимости электропроводности ионных кристаллов.
Исследование температурной зависимости проводимости нестехиометрического оксида
цинка при его взаимодействии с различными газами.
2.2.3.Практические занятия.
2.2.4. Самостоятельная работа (35 часов). Решение задач по определению термодинамических
функций и определению концентрации дефектов.
Выполнение индивидуального домашнего задания по модулю. Подготовка к коллоквиуму,
практическим занятиям, промежуточному контролю. Оформление отчетов по лабораторным
работам.
2.3.Диффузия в твердом теле.
2.3.1.Лекционный материал (8 часов).
Описание процесса диффузии в рамках локального термодинамического равновесия.
Виды диффузии. Соотношение Эйнштейна.
Химическая и диффузионная кинетика; энергетика кристаллической решетки атомных и
ионных кристаллов. Кинетическое рассмотрение процесса. Механизмы диффузии.
Коэффициент диффузии и факторы его определяющие. Гетеродиффузия, эффект КиркендаляФренкеля. Элементы диффузионной кинетики.
2.3.2.Лабораторные работы (17 часов).
Легирование полупроводников методом термической диффузии
Исследование параметров процессов легирования окиси цинка марганцем, серебром, медью
на его люминесцентные свойства.
2.3.3.Практические занятия.
2.3.4. Самостоятельная работа (20 часов). Решение задач по расчету диффузионных процессов.
Выполнение индивидуального домашнего задания по модулю. Подготовка к коллоквиуму,
практическим занятиям, промежуточному контролю.
ПРИМЕЧАНИЕ.
Лабораторные работы по исследованию проводимости ионных кристаллов и поверхностной
проводимости полупроводников по заданию преподавателя могут осуществляться как
исследовательские работы.
3. ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ:
3.1. Коллоквиумы - один по каждому лабораторному модулю, всего 3 коллоквиума на 2, 6,
10 неделях.
3.2. Контрольные работы - письменные экзамены или тестирование по каждому модулю,
всего 3, на 5, 9, 13 неделях.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Основная литература
№ Описание
Антипов, Б. Л. Материалы электронной техни-ки: Задачи и
вопросы. СПб.:Лань, 2001.— 208 с.
Титов,, В. А., Рыбкин, В. В., Соколов, В. Ф. Электронное
2
материаловедение .— Иваново, 2003 .— 107 с.
1
Число
Число
ККО
экземпляров студентов
39
—
—
77
—
—
3
Рембеза, С.И., Синельников, Б.М., Рембеза, Е.С., Каргин,
Н.И. Физические методы исследования материалов
3
твердотельной электроники .— Ставрополь: [Северокавказ. гос. техн. ун-т], 2002 .— 429 с.
Синельников Б.М. Физическая химия кристаллов с
4
дефектами.— М.: Высш. шк., 2005 .— 136 с.
Кнотько, А. В., Пресняков,, И. А., Третьяков,, Ю. Д.
5
Химия твердого тела .— М.: Академия, 2006 .— 303 с.
Дополнительная литература
№ Описание
Ормонт, Б.Ф. Введение в физическую химию и
1 кристаллохимию полупроводников .— М.: Высш.шк.,
1982 .— 528с.
Ковтуненко, П. В. Физическая химия твердого тела.
2 Кристаллы с дефектами .— М.: Высш. шк., 1993 .—
352 с.
30
—
—
40
—
—
25
—
—
Число
Число
ККО
экземпляров студентов
6
—
—
39
—
—
Материально-техническое и информационное обеспечение дисциплины
Перечень лабораторного оборудования и оргтехники, используемых при проведении
лабораторного практикума
При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10
ПЭВМ типа Pentium), а так же стенды и установки для исследования
- кристаллографической ориентации полупроводниковых пластин и выявления
структурных дефектов
- удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления
проводников
- термоэлектрических явлений в проводниках
- типа проводимости полупроводников по знаку термоЭДС
- удельного сопротивления полупроводников четырехзондовым методом
- температурной зависимости электропроводности полупроводников
- времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках
- фотопроводимости полупроводников
- эффекта Холла в полупроводниках
- диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в
диэлектриках
Перечень оборудования на каждой установке приводится в описаниях к лабораторным работам
[4].
Информационное обеспечение дисциплины
Информационное обеспечение дисциплины включает в себя типовые программные
средства, доступ студентов к сети Интернет из дисплейного класса.
Специализированное программное обеспечение состоит из расчетных программ, перечень
которых приведен ниже, обучающее - контролирующих материалов (тренировочные и
контрольные тесты по каждому модулю; текст лекций с контрольными вопросами для
самопроверки) и базы данных по вакуумным и газоразрядным приборам.
Перечень расчетных программ:
- программа «MNK» для обработки результатов, полученных при выполнении лабораторных
работ
- программа «Origin» для построения графиков и обработки результатов измерений.
4
Тестовые задания
1. Гетерогенная система должна состоять минимум из
А) трех фаз Б) двух фаз (*) В) четырех фаз
2. Для системы СаСО3(Т), СаО(Т), СО2(Г), где имеет место реакция СаСО3(Т)↔ СаО(Т)+ СО2(Г)
количество независимых компонентов равно
А) два (*) Б) три В) один
3. Гетерогенная система при постоянной температуре и давлении находится в равновесии,
если
А) химические потенциалы ее компонентов во всех фазах разные Б) энтальпия системы
постоянна В) химические потенциалы ее компонентов во всех фазах одинаковы (*)
4.Для трехкомпонентной системы, содержащей две фазы в равновесии число степеней
свободы равно
А) две Б) три (*) В) одна
5. Вариантность системы это
А) число переменных, изменение которых не приводит к изменению количества и
природы фаз
Б) минимальное число переменных, изменение которых не приводит к изменению
количества и природы фаз (*)
6. При фазовом переходе 1-го рода скачкообразно изменяется
А) энтропия и объем сосуществующих фаз (*) Б) теплоемкость производная энергии
Гиббса по температуре (*)
7. При фазовом переходе 2-го рода скачкообразно не меняются скачкообразно
А) теплоемкость Б) энтропия и объем сосуществующих фаз (*)
8. Процесс плавления относится к фазовым переходам
А) 1-го рода (*) Б) 2-го рода
9) Фазовый переход ферромагнетика в парамегнетик относится к фазовым переходам
А) 1-го рода Б) 2-го рода (*)
10. Известно, что при плавлении вещества мольный обем жидкости больше мольного
объема твердой фазы. Для этого вещества с ростом давления температура плавления
будет
А) увеличиваться (*) Б) уменьшаться В) не меняться
11. Для однокомпонентной системы число фаз в равновесии не может быть больше
А) трех (*) Б) двух В) одной
12. При постоянном давлении число фаз в равновесии для бинарной системы не может
быть больше
А) трех (*) Б) двух В) одной
13. Число степеней свободы в точке эвтектики для бинарной системы при постоянном
давлении равно
А) три Б) два В) нуль
14. Явление ликвации связано с различиями в
А) плотности жидкой и твердой фаз (*) Б) электропроводности жидкой и твердой фаз В)
магнитной проницаемости жидкой и твердой фаз
15. Различие точек эвтектики и перитектики заключается в том, что
А) число степеней свобода равно нулю Б) кристаллизуются два твердых компонента В) в
точке перитектики один из твердых компонентов расходуется на образование другого (*)
16. Парциальная величина характеризует
А) компонент фазы (*) Б) свойства фазы как целого
17. При постоянном давлении и температуре и концентрациях других компонентов
химический потенциал компонента есть
А) производная от изобарно-изотермического потенциала по концентрации компонента(*)
Б) производная от изохорно-изотермического потенциала по концентрации компонента
В) производная от энтропии по температуре
3
18. Стандартное состояние
А) всегда физически существует Б) может физически не существовать (*)
19. В уравнения Гиббса-Дюгема входят
А) только интегральные величины Б) только парциальные величины В) интегральные и
парциальные величины (*)
20. В уравнения Гиббса-Дюгема для фазы, содержащей N компонентов входят всего
А) 2N+2 переменных (*) Б) N переменных В) 2N+1 переменная
21. При записи уравнений квазихимических равновесий химическими компонентами
считаются
А) все структурные элементы и дефекты решетки(*) Б) только электроны и дырки В)
только дефекты Шоттки и Френкеля
22. Принцип постоянства отношения количества разносортных узлов не принимает во
внимание
А) структуру поверхности кристалла (*) Б) структуру объема кристалла
23. Вакансии кристалла А+В- , образованные в катионной подрешетке , будут являться
А) донорами Б) акцепторами (*) В) и донорами и акцепторами
24. Вакансии кристалла А+В- , образованные в анионной подрешетке , будут являться
А) донорами (*) Б) акцепторами В) и донорами и акцепторами
25. При прокалке кристалла А+В- в парах компонента А кристалл будет приобретать
проводимость
А)n-типа (*) Б) р-типа В) не будет менять свою проводимость
27. Поток вещества, пропорциональный градиенту температуры называется
А) бародиффузионным Б) термодиффузионным (*) В) электрическим током
28. Для кубической примитивной решетки коэффициент диффузии одинаков для
направлений
А) [100], [001],[010] (*) Б) [100], [001],[111] В) [100], [001],[011]
29. Какой из механизмов диффузии наиболее вероятен для примитивной
плотноупакованной решетки
А) вакансионный (*) Б) по междуузлиям В) по междуузлиям путем вытеснения
30. Для описания кинетики чисто диффузионных процессов надо пользоваться
уравнением
А) первого закона Фика Б) второго закона Фика (*) В) уравнением непрерывности
плотности потока
31. В ионном кристалле АВ концентрация электронов зависит от давления компонента А
как РА1/2 . Это значит, что при ионизации вакансии образуется
А) две заряженных частицы (*) В) три заряженных частицы В) одна заряженная частица
32. Для химического соединения АВ растворимость компонента А в твердой фазе выше,
чем В. В этом случае положение дистектической точки будет
А) соответствовать стехиометрии АВ Б) смещена от стехиометрического состава в
сторону большего содержания компонента А (*) В) смещена от стехиометрического
состава в сторону большего содержания компонента В
33. На пластину, толщиной 400 мкм, с одной стороны нанесли тонкий слой примеси.
Достигнет ли примесь обратной стороны пластины за 1 час, если коэффициент диффузии
примеси равен10-8 см2/с
А) да Б) нет (*)
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
Физическая химия материалов электронной техники
1. Фазовые равновесия. Основные термины. Правило фаз.
2. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода.
3. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах.
4. Моно и энантиотропные фазовые превращения.
5. Методы физико-химического анализа фазовых равновесий.
4
6. Диаграммы состояния 2-х компонентных систем с эвтектикой. Ход кристаллизации.
7. Диаграммы состояния 2-х компонентных систем с неограниченной растворимостью.
Ход кристаллизации.
8. Твердые растворы с ограниченной растворимостью и эвтектикой. Ход кристаллизации.
9. Твердые растворы с ограниченной растворимостью и перитектикой. Ход
кристаллизации.
10. Системы, образующие одно соединение, плавящееся без разложения. Ход
кристаллизации.
11. Конгруэнтное плавление с образованием твердых растворов. Ход кристаллизации.
12. Инконгруэнтное плавление соединений. Ход кристаллизации.
13. Влияние давления на фазовые равновесия. Р-Т-Х диаграммы.
14. Термодинамические функции, используемые для анализа фазовых равновесий.
15. Уравнения состояния гетерогенной системы. Термодинамический подход к расчету
диаграмм состояния.
16. Дефекты нестехиометрии. Их влияние на зонную структуру.
17. Дефекты нестехиометрии на Т-Х диаграммах. Дальтониды и бертоллиды.
18. Влияние дефектов нестехиометрии на положение дистектической точки.
19. Квазихимический метод описания равновесия дефектов.
20. Равновесная концентрация дефектов нестехиометрии. Зависимость концентрации
дефектов от давления собственного пара на конкретном примере.
21. Дефекты идеальной поверхности.
22. Сильные и слабые формы хемосорбции.
23. Равновесие различных форм хемосорбции. Равновесная концентрация.
24. Заряжение поверхности при хемосорбции и ее влияние на поверхностный изгиб зон.
25. Термодинамика диффузии. Виды диффузии.
26. Механизмы диффузии.
27. Коэффициент диффузии и факторы его определяющие.
28. Диффузия из бесконечно тонкого слоя.
29. Диффузия из источника неограниченной мощности.
30. Применение метода Фурье для решения диффузионных задач.
5