Для студентов 3,4 курса кафедры физики полупроводников

доцент Олег Евгеньевич Терещенко

 

 

Цель дисциплины – изучение физико-химических свойств и электронной структуры кристаллов в контексте наличия пространственной симметрии, знакомство с современными методами исследования структуры и электронных свойств твердых тел, выработка умений и навыков решения соответствующих задач.

 

В данную программу включены основные направления кристаллофизики и кристаллохимии полупроводников, знакомство с которыми необходимы для формирования целостной системы знаний в области физики твердого тела.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

- строение атомов и молекул, механизм образования и типы химических связей;

- теорию кристаллических решеток и методов их классификации;

- теорию обратной решетки;

- методы экспериментального определения кристаллических структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов;

- рост объёмных кристаллов и тонких пленок;

- основы атомных процессов на поверхности;

- строение поверхности полупроводников.

Преподавание настоящего курса базируется на знаниях, полученных студентами при изучении следующих дисциплин: “Термодинамика”, “Статистическая физика”, “Квантовая механика”, “Физика твердого тела”.

 

 

ПРОГРАММА

 

№	Тема	Содержание
	Введение
	Структура электронных оболочек атомов	2.1 Атом водорода. Квантовые числа. Радиальные и угловые функции. Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки. Электронная конфигурация атомов. Вырождение. Правило Хунда. Корреляционное взаимодействие. Периодическая система Д.И. Менделеева. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Атомные радиусы
	Природа химической связи.	3.1 Феноменологическое описание. Свойства химической связи в молекуле водорода. Метод валентных связей. Спиновая валентность атомов. Приближение молекулярных орбиталей. Молекула водорода. Связывающие и разрыхляющие орбитали. Двухатомные молекулы с одинаковыми атомами. Запреты, обусловленные симметрией. - и - связи. Гетерополярные двухатомные молекулы. Пространственная структура сложных молекул и гибридизация атомных орбиталей.
	Химическая связь, структура кристаллов и физико-химические свойства полупроводников	4.1 Общая характеристика элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений. Кремний, германий, арсенид галлия, теллурид кадмия, теллурид ртути. 4.2 Химическая связь в полупроводниковых соединениях ANB8-N. Степень ионности связи. Описание возникновения ионности в приближении молекулярных орбиталей. Понятие электроотрицательно-сти. Шкала электроотрицательности по Полингу. Металлическая составляющая связи, ионная составляющая связи и ширина запрещенной зоны в полупроводниках. Связь между физическими параметрами полупроводниковых материалов (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, теплопроводность) и их кристаллохимическими характеристиками (длина связи, эффективными зарядами q*, разностью электроотрицательностей DХ). Влияние ионной составляющей на ширину запрещенной зоны в изоэлектронных рядах полупроводниковых соединений. Химические связи в полупроводниках, производных от АNB8-N. Правило Музера-Пирсона (заполнение оболочек). Правило нормальной валентности. Полупроводниковые твердые растворы.
	Идеальный кристалл	5.1 Симметрия кристаллов. Кристаллографические характеристики полупроводников: решетки, кристаллографические плоскости, индексы Миллера, связь межплоскостных расстояний с индексами Миллера семейства плоскостей. Анизотропия. Структура алмаза, сфалерита, вюрцита. Сингонии. Решетки Браве. 5.2 Методы структурного анализа кристаллических полупроводников. Рентгеновский и электронографический анализ. Кинематическая теория дифракции рентгеновских волн. Интерференционная функция Лауэ. Обратная решетка. Атомный фактор. Структурный фактор. Фактор Дебая -Уоллера.
	Рост кристаллов	6.1. Гомогенное и гетерогенное зародышеобразование, феноменологический подход. Термодинамика и кинетика зародышеобразования. Микроскопические механизмы роста. 6.2. Возникновение точечных дефектов при росте кристаллов. Термодинамика и кинетика дефектообразования. Энтальпия и энтропия образования и миграции дефектов. Равновесная концентрация дефектов. Ионизационное равновесие. Энтропия ионизации. Электростатическое и упругое взаимодействие дефектов. Нестехиометрия. Область гомогенности. 6.3. Методы выращивания объемных кристаллов. Метод Чохральского, метод Бриджмена, зонная плавка. Генерация дислокаций в растущем кристалле. Получение бездислокационных кристаллов. 6.4. Модификация свойств кристаллов легированием. Термодинамика и кинетика легирования. Коэффициент распределения, растворимость примесей в полупроводниках. Введение примесей в процессе роста. Диффузионное легирование. Механизмы диффузии. Коэффициент диффузии. Трансмутационное легирование и ионная имплантация.
	Рост тонких слоев	7.1. Эпитаксия, основные понятия: гомо- и гетероэпитаксия, псевдоморфизм, дислокации несоответствия, изопериодные гетерокомпозиции. Общая характеристика методов эпитаксии: газофазная, жидкофазная и твердофазная эпитаксия, эпитаксия из молекулярных пучков. 7.2. Жидкофазная эпитаксия. Фазовые равновесия и кинетика роста. Точечные дефекты, дислокации и примеси в ЖФЭ. 7.3. Газофазная эпитаксия. Фазовые равновесия и кинетика роста. Точечные дефекты, дислокации и примеси в ГФЭ. 7.4. Эпитаксия из молекулярных пучков. Взаимодействие атомных и молекулярных пучков с поверхностью кристалла. Коэффициент прилипания. Фазовые равновесия в поверхностном слое. Кинетика роста. Точечные дефекты, дислокации и примеси в молекулярно-лучевой эпитаксии. 7.5. Эпитаксия и квантово-размерная электроника.
	Физико-химические основы атомных процессов на поверхности полупроводников	8.1. Физико-химические основы атомных процессов на поверхности полупроводников: физическая адсорбция, химическая адсорбция поверхностная диффузия собственных и примесных атомов, поверхностная сегрегация, испарение моноатомных полупроводников и полупроводниковых соединений. 8.2. Атомные процессы на поверхности полупроводников при молекулярно-лучевой эпитаксии: МЛЭ кремния и германия с использованием электронно-лучевых испарителей и газовых источников. МЛЭ GaAs и AlGaAs. Активация процессов эпитаксии и легирования: электроны, ионы, фотоны. Напряженные гетероструктуры и сверхрешетки. Сурфактанты.
	Кристаллофизика поверхности полупроводников	9.1 Идеальная и реальная структура сингулярных и вицинальных граней. Методы создания атомарно-чистых поверхностей. Поверхностные сверхструктуры на гранях Si: (111), (100), GaAs: (110), (100), (111). 9.2 Методы изучения состава и структуры поверхности: дифракция быстрых и медленных электронов, эллипсометрия, сканирующая туннельная микроскопия, отражательная электронная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, электронная оже-спектроскопия.
	Электронные состояния и химическая связь в алмазоподобных полупроводниках Структура электронных зон	10.1 Трансляционная симметрия зон Бриллюэна. Молекулярные орбитали и параметры перекрытия. Зонная структура элементов группы IV по методу сильной связи. Параметры перекрытия и расстояния между ближайшими соседями. Полуэмпирические методы решения задачи об энергетическом спектре электронов. Изменение структуры энергетических зон при переходе от одноатомных кристаллов к двойным и тройным соединениям. Энергетические зоны почти свободных электронов в кристаллах алмаза.