XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Алмаз в электронике

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Козина Е.В. 1

---

1МОАУ "Гимназия №2"

Козина Н.В. 1

---

1МОАУ "Гимназия №2"

Работа в формате PDF

112.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Попросите людей подумать об алмазах, и ответ подавляющего большинства – сверкающее обручальное или свадебное кольцо или браслет, ожерелье, серьги с прекрасными драгоценными камнями. А попросите производственника представить алмаз, и ответ будет совсем другим.

Алмазы, обычно ассоциируемые с роскошью и ювелирными украшениями, также имеют значительное значение в инженерии и промышленности. Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам алмазы применяются в различных областях, где требуется высокая степень твердости, теплопроводности и износостойкости. В новом веке алмазы остаются не только символом роскоши, но и источником удивительных инноваций. Их уникальные свойства стимулируют разработку новых технологий и открывают перед наукой и промышленностью захватывающие перспективы.

Электронная техника развивается в основном по следующим направлениям:

- расширение функциональных возможностей;

- снижение энергопотребления и материалоемкости;

- повышение быстродействия обработки сигналов;

- повышение надежности, долговечности, устойчивости функционирования при воздействии неблагоприятных внешних факторов - высоких и низких температур, ударных и статических механических нагрузок, химических и радиационных воздействий.

Во всем мире для решения этих задач ведется непрерывный поиск новых материалов для электронной техники, в частности новых полупроводниковых материалов, металлических сплавов, диэлектриков, ферромагнетиков, пьезоэлектриков и т.д.

Вот уже много лет кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых устройств. Удивляться здесь нечему: на сегодняшний день не существует другого материала, обладающего столь подходящим для этих целей комплексным набором свойств. Кремний является одним из самых распространённых в мире минералов. Поскольку в своей естественной форме он содержится в кварцевом песке, в мире он встречается практически повсеместно.

Проблема дальнейшего использования кремния в качестве основного полупроводникового материала имеет ряд ограничений. Размеры и скорости передовых микрочипов практически уже достигли того максимума, который кремний в принципе способен обеспечить. Вторая существенная проблема кремния — недостаточная термическая стабильность в ряде случаев, например при использовании в силовой электронике. Это требует использования сложных методов охлаждения. Данные обстоятельства толкают учёных на поиск новых, более эффективных материалов, и самым «красивым» из этих материалов является алмаз.

В связи с этим актуальной является задача углубленного исследования физических и электронных характеристик алмазных полупроводников, а также оценки их потенциала для различных приложений.

Научная новизна исследования заключается в комплексном анализе свойств алмазных полупроводников с использованием современных методов.

Цель проекта — изучить возможности и перспективы применения алмазных полупроводников в современной электронике.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

-провести обзор литературы по алмазным полупроводникам,

-исследовать их физические и электронные свойства,

-оценить потенциал для различных областей применения.

Реализация поставленных задач позволит мне расширить и углубить знания в области физики алмазов.

1. «Материал XXI века»

В последние десятилетия в мире идёт интенсивный поиск новых современных материалов для электронных и полупроводниковых приборов. Особый интерес для специалистов вызывает такой материал как алмаз, который обладает уникальными свойствами и характеризуется как «материал XXI века».[4]

Алмаз относится к обширному семейству углеродных материалов. Углерод – основа всей органической химии и самой жизни. В настоящее время постоянно обнаруживаются новые удивительные формы углерода.

Это многообразие объясняется в значительной мере тем, что углерод может образовывать межатомные связи. Вид связей настолько сильно определяет свойства вещества, что трудно найти материалы так полярно отличающихся по механическим, химическим, оптическим, электрическим свойствам, как алмаз и графит.

2. Механические свойства

Алмаз – кристалл с сильными межатомными связями. Поэтому он обладает во многом рекордными или выдающимися механическими свойствами.

Таблица 1 – Механические свойства алмаза

Коэффициент трения алмаза на воздухе составляет 0,05–0,1 в зависимости от адсорбированных газов и кристаллического направления. В любых тестах алмаз демонстрирует рекордно низкую истираемость. Хрупкость алмаза составляет один из его недостатков, особенно в инструментальных приложениях. Пластическая деформация наблюдается только при температурах выше 1000 °С.[2,5]

3. Химические свойства

Алмаз считается чрезвычайно химически инертным. При комнатных температурах на него не действует ни одна из сильных кислот или щелочей. Химическая инертность, а также углеродный состав составляют важное для биологических и медицинских применений свойство алмаза – тканеэквивалентность. Химическая инертность алмаза составляет трудность его обработки, травления, нанесения разных покрытий, в том числе электрических контактов. При температурах выше 600°С алмаз начинает гореть на воздухе и взаимодействовать с другими кислородсодержащими веществами.

4. Термические свойства

Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 °С. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000 °С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800 °С, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000 °С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Минерал алмаза обладает исключительно высокой теплопроводностью, что обусловливает быстрый отвод тепла, возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.[1]

Такие выдающиеся свойства алмаза, как высокая теплопроводность, большая ширина запрещенной зоны (порядка 5,5 эВ), способность выдерживать до пробоя электрические поля более 107 В/см, высокие скорости движения носителей заряда (около 1,8∙ 103 см²/В∙с, в графене 1,5∙ 104 см²/В∙с) позволяют использовать его микроэлектронике. Уже сейчас тончайшие диэлектрические алмазные подложки используются в качестве теплостоков для чипов. Алмазные пленки являются материалом для создания ультрафиолетовых светоизлучающих диодов на длине волны 235 нм. На основе алмазов получены диоды Шоттки (переход металл – полупроводник). Выращиваются высококачественные кристаллические полупроводниковые гомоэпитаксиальные пленки с алмазной структурой с регулируемым содержанием легирующих элементов B, Ti, Ga, P, W, Au и других.[4]

5. Оптические свойства

Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным.

Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать - светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы.[1]

6. Электрические свойства

Электрические свойства алмаза в значительной степени зависят от наличия примесей и дефектов в кристаллической решетке. В чистом виде алмаз является изолятором с очень высоким электрическим сопротивлением, что обусловлено широкой запрещенной зоной, составляющей около 5,5 электронвольт. Удельное сопротивление у всех реальных азотсодержащих кристаллов алмаза типа I равно 10¹²-10¹⁴ Ом•м. Среди безазотных алмазов типа II иногда встречаются кристаллы, у которых сопротивление ниже 10⁶ Ом•м, но известны и образцы с сопротивлением 10-10^-2 Ом•м.

Однако при введении примесей, таких как бор или другие акцепторные и донорные атомы, алмаз может приобретать полупроводниковые свойства. Например, бородерные алмазы проявляют p-тип проводимости, а наличие донорных примесей — n-тип. Эти свойства позволяют создавать диоды, транзисторы и другие электронные компоненты на базе алмазных полупроводников.

При прохождении заряженной частицы через кристалл алмаза происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения и счётчиков быстрых частиц.

7. Происхождение алмазов и алмазных материалов

Все существующие алмазы и алмазные материалы по их происхождению можно разделить на четыре большие группы:

- природные алмазы, добываемые из коренных и рассыпных месторождений;

- синтетические алмазы, получаемые при сверхвысоких давлениях и высоких температурах;

- детонационные (взрывные) порошки алмаза, синтезируемые при импульсных сверхвысоких давлениях и высоких температурах;

- алмазные кристаллы и пленки, получаемые методами «химического синтеза» в неравновесных условиях (при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600 ^оС).

Практическая часть

Примеры расчетов важных параметров полупроводниковых материалов

1. Расчет ширины запрещенной зоны для алмаза

Ширина запрещённой зоны (Eg) — важный параметр любого полупроводника, определяющий его основные электрические свойства. Алмаз относится к широкозонным полупроводникам, что означает наличие большой энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости.

Теоретические основы

Ширину запрещённой зоны можно определить несколькими способами:

1. Экспериментальные методы: Измерение оптического поглощения, фотоэлектрический эффект, термостимулированная люминесценция и др.

2. Теоретическое моделирование: Использование методов квантовой механики и теории твёрдого тела, такие как метод функционала плотности (DFT), теория возмущений и т.п.

Формула определения ширины запрещённой зоны

Ширина запрещённой зоны — это разница энергий между нижним краем зоны проводимости и верхним краем валентной зоны:

Eg=Ec−Ev

где:

• Ec — энергия дна зоны проводимости,

• Ev — энергия верха валентной зоны.

При нормальных условиях ширина запрещённой зоны для чистого алмаза принимается равной ~5.47 эВ при комнатной температуре.

Факторы влияющие на ширину запрещённой зоны

Факторы, влияющие на величину Eg:

• Температура окружающей среды: Обычно с ростом температуры ширина запрещённой зоны уменьшается.

• Наличие примесей и дефектов: Добавление примесных атомов влияет на структуру энергетических уровней и соответственно на величину Eg.

• Напряжение внешних полей: Внешние поля также могут влиять на изменение положения зон относительно друг друга.

Пример приближённого расчёта изменения ширины запрещённой зоны при изменении температуры.

Пусть известно, что ширина запрещённой зоны Eg(T=0K)=5.47 эВ.

Если принять коэффициент уменьшения энергии шириной запрещённой зоны около −0.0035 эВ/K, то при повышении температуры до T=300K  получаем уменьшение на:

ΔEg=−0.0035×300=−1.05 эВ

Тогда новая ширина запрещённой зоны составит:

Eg(T=300K)=5.47+(−1.05)=4.42 эВ

Это грубое упрощённое предположение, которое требует дополнительной проверки более сложными моделями и экспериментальным измерением.

Вывод

Рассчитанная ширина запрещённой зоны алмаза показывает большие возможности материала в области электроники высоких частот и мощности благодаря своим широким спектральным свойствам. Точные измерения требуют комплексных подходов и специальных приборов, однако базовые оценки позволяют проводить предварительные исследования характеристик устройств на основе алмаза.

Теоретически хорошая теплопроводность алмаза объясняется его кристаллической структурой и связями между атомами:

1. Кристаллическая решетка: алмаз имеет кубическую решетку с тетраэдрическими связями между атомами углерода, что обеспечивает сильные ковалентные связи.

2. Высокая жесткость и прочность: сильные ковалентные связи делают кристалл очень жестким, что способствует эффективной передаче тепловой энергии.

3. Малое рассеяние фононов: в алмазе низкий уровень дефектов и примесей, что уменьшает рассеяние фононов (квантов тепловых колебаний), ответственных за теплопередачу.

4. Высокая скорость распространения фононов: благодаря упорядоченной структуре и сильным связям, фононы могут быстро перемещаться по кристаллу, эффективно переносить тепло.

В совокупности эти факторы обеспечивают исключительную теплопроводность алмаза, которая превышает показатели большинства других материалов.

2. Расчет подвижности носителей заряда для алмазного полупроводника

Подвижность носителей заряда (μ) является важным параметром полупроводниковых материалов, определяющим эффективность транспортировки электрического тока. Для расчета подвижности носителей заряда в материалах, включая алмаз, часто используют формулу Друде:

μ=eτ\m

где:

• μ— подвижность носителей заряда,

• e— заряд электрона (1.6×10⁻¹⁹ Кл),

• τ— среднее время свободного пробега электронов между столкновениями,

• m∗— эффективная масса носителя заряда.

Шаги расчета подвижности носителей заряда

1. Определение эффективной массы носителей заряда

Эффективная масса электронов и дырок в кристаллических структурах отличается от истинной массы свободных частиц. Она зависит от структуры материала и учитывается в формуле:

Для алмаза значения эффективных масс приблизительно равны:

• Электроны: m_e∗≈0.8m₀

• Дырки: m_h∗≈0.7m₀, где m₀ — масса покоя электрона (~ 9.1×10⁻³¹ кг).

2. Оценка среднего времени свободного пробега

Среднее время свободного пробега (τ) определяется количеством рассеиваний носителей заряда при движении. Оно связано с длиной свободного пробега (l), скоростью носителей (v) и температурой среды. Например, классическая формула связи длины свободного пробега и средней скорости имеет вид:

τ=l\v

Однако точное значение τвычисляется либо экспериментально либо теоретически методами квантовой механики, поскольку оно сильно зависит от температуры, примесей и дефектов решетки. Типичные значения для различных температур и условий приведены в научной литературе.

Например, при комнатной температуре (∼300K) среднее время свободного пробега для электронов в алмазе порядка нескольких фемтосекунд (10⁻¹⁵−10⁻¹⁴ секунд), что делает расчет довольно чувствительным к выбору точного значения.

3. Расчёт подвижности

Используя указанные величины, мы можем подставить числа в формулу и рассчитать подвижность. Пример расчёта для типичных значений при комнатной температуре:

Допустим, эффективное время свободного пробега составляет примерно 10⁻¹⁴ секунды. Тогда расчёт для электронов выглядит следующим образом:

μ_electrons=(1.6×10⁻¹⁹)⋅(10⁻¹⁴)0.8⋅(9.1×10⁻³¹)≈2.2×10³ м2/(В⋅сек)

Аналогично для дырок:

μ_holes=(1.6×10⁻¹⁹)⋅(10⁻¹⁴)0.7⋅(9.1×10⁻³¹)≈2.5×10³ м2/(В⋅сек)

Таким образом, мы получили примерное значение подвижности электронов и дырок в алмазе.

Вывод: 

Подвижность носителей заряда играет ключевую роль в характеристиках полупроводникового устройства, основанного на алмазе. Значение подвижности позволяет оценить проводимость материала и потенциал применения в высокочастотных устройствах и приборах экстремальных условий эксплуатации.

Что такое диэлектрическая стойкость алмаза?

Диэлектрическая стойкость (или электрическая прочность) материала характеризует способность вещества выдерживать приложенное электрическое поле без возникновения электрического пробоя, то есть без перехода из изоляционного состояния в состояние проводящего ток.

Алмаз обладает чрезвычайно высокой электрической прочностью, что делает его идеальным материалом для использования в электроизоляционных элементах электронных компонентов и системах, работающих при больших напряжениях.

Основные характеристики диэлектрической стойкости алмаза:

• Диэлектрическая прочность (electric breakdown strength): Это максимальное напряжение, которое материал способен выдержать без разрушения своей изолирующей способности. У алмаза эта величина достигает порядка 10⁷−10⁸ Вольт/см (это намного больше, чем у традиционных полимерных и керамических изоляционных материалов). Высокая диэлектрическая прочность обусловлена широкой запрещённой зоной алмаза (около 5.47 эВ), что обеспечивает отличную устойчивость к разрушению под действием сильных электрических полей.

• Низкая электропроводность: Чистый алмаз практически не проводит электрический ток при нормальной температуре вследствие отсутствия свободных носителей заряда в зоне проводимости. Поэтому алмаз используется в качестве высокоэффективного изолятора.

• Высокое сопротивление тепловому воздействию: Алмаз выдерживает высокие температуры, сохраняя свою изоляционную способность даже при нагревании до сотен градусов Цельсия.

Эти уникальные качества делают алмаз перспективным материалом для изготовления элементов микросхем, применяемых в жёстких условиях эксплуатации (например, в космосе, авиации, электронике военного назначения).

Заключение

Алмаз обладает высокой теплопроводностью, твердостью и химической стабильностью, что делает его идеальным материалом для создания электронных устройств, работающих в экстремальных условиях. Такие устройства могут использоваться в космической технике, авиации, медицине и других областях, где требуется высокая надежность и долговечность. Проект по разработке алмазных полупроводников в электронике имеет большой потенциал для применения в современных технологиях и может привести к созданию новых, более эффективных устройств.

Проведенная мною работа подтвердила актуальность и перспективность развития алмазных полупроводников, а также их потенциал стать важнейшим компонентом будущих высокотехнологичных систем. В ходе исследования были достигнуты все поставленные задачи, получены новые знания о свойствах и возможностях этих материалов.

В дальнейшем хотелось бы провести проверки более сложными моделями и экспериментальным измерением на лабораторном оборудовании.

Список литературы

1. https://studyport.ru/referaty/estestvennye-nauki/3449-almaz-unikalnyj-kamen-i-unikalnye-svojstva

2. https://www.nanoindustry.su/files/article_pdf/6/article_6609_626.pdf

3. https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1751325318&tld=ru&lang=ru&name=Diamond.pdf

4. Хмельницкий Р.А., Талипов Н.Х., Чучева Г.В. Синтетический алмаз для электроники и оптики, издательство Икар, 2017.

5. В.А. Ступников, Б.М. БулычевВЫСОКИЕ ДАВЛЕНИЯ В ХИМИИ. АЛМАЗ И АЛМАЗОПОДОБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, технические и синтетические аспекты.пособие для студентов МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА, Москва, 2012