Магистерская программа

«Физическое материаловедение и технология материалов

электронной техники»

Вступительные испытания

Программа экзамена для поступления в магистратуру

по направлению «Материаловедение и технологии материалов»,

по магистерской программе «Физическое материаловедение и технология

материалов электронной техники».

Раздел I. Физико-химический анализ и термодинамика гетерогенных равновесий 1. Диаграммы состояния однокомпонентных систем.

2. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем.

Применение правила фаз Гиббса к двухкомпонентным системам.

Диаграммы фазовых равновесий при полной взаимной растворимости компонентов в твердой и жидкой фазах. Факторы, определяющие вероятность образования твердых растворов. Диаграммы фазовых равновесий бинарных систем в случае образования ограниченных твердых растворов (случай эвтектики и случай перитектики). Диаграмма фазовых равновесий двухкомпонентной системы с образованием конгруэнтно плавящегося соединения. Понятие о дальтонидах и бертоллидах. Диаграмма состав-свойство в случае образования дальтонидов и бертоллидов. Диаграмма фазовых равновесий бинарной системы в случае образования инконгруэнтно плавящегося соединения.

3. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем.

Применение правила фаз Гиббса к трехкомпонентным системам. Основные типы диаграмм конденсированного состояния тройных систем. Изотермические и политермические разрезы. Диаграмма конденсированного состояния тройной системы с эвтектикой. Кривые охлаждения.

4. Методы исследования гетерогенных равновесий. Метод ДТА. Построение диаграмм состояния по данным ДТА. Микроструктурный анализ.

Раздел II. Физико-химические основы создания полупроводниковых материалов 1. Взаимосвязь «состав – структура – свойство» в твердых телах. Корреляции:

тип межатомной связи - кристаллическая структура - свойство, тип межатомной связи - зонная структура - свойство. Анализ установленных закономерностей на примере гомологических рядов полупроводниковых веществ: простые вещества, образованные элементами IV A подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb), двухкомпонентные соединения. Общие свойства всех кристаллов.

2. Основные свойства полупроводников: физико-химические, электрические, электрооптические, акустические, тепловые, механические. Специфика различий в свойствах полупроводников и материалов других групп: отличия в свойствах полупроводников и металлов, полупроводников и диэлектриков.

Современные принципы классификации полупроводников. Закономерности образования и принципы отбора двойных фаз с полупроводниковыми свойствами. Общая характеристика алмазоподобных полупроводников – бинарных аналогов элементарных полупроводников. Изоядерные и изоэлектронные ряды (на примере двойных соединений). Закономерности образования и принципы отбора тройных полупроводниковых фаз.

3. Дефекты кристаллической структуры и их влияние на свойства полупроводниковых материалов. Структура реальных кристаллов, расчет теоретической прочности кристалла. Классификация дефектов кристаллической структуры.

Общие свойства атомных дефектов (вакансий, дивакансий и вакансий более высокой кратности, межузельных атомов, атомных конфигураций межузельных атомов, антиструктурных дефектов). Термодинамика собственных точечных дефектов (СТД). Расчет равновесных концентраций вакансий, дивакансий, межузельных атомов. Поведение заряженных СТД. Особенности образования СТД в элементарных полупроводниках и полупроводниковых соединениях. Расчет энергии образования собственных точечных дефектов.

Движение точечных дефектов, энергия миграции точечных дефектов. Способы образования неравновесных точечных дефектов в кристаллах. Примесные дефекты ( внедрения, замещения) в элементарных полупроводниках и соединениях. Описание поведения примесных дефектов в квазихимическом приближении. Ассоциированные дефекты на основе СТД и примесных дефектов.

Виды дислокаций. Краевая, винтовая и смешанная дислокации. Контур и вектор Бюргерса, характерные особенности вектора Бюргерса. Энергия краевой, винтовой и смешанной дислокаций, энергия линейного натяжения дислокаций. Динамика дислокаций. Механизмы движения, подвижность дислокаций, энергия движущейся дислокации. Взаимодействие между дислокациями.

Поверхностные дефекты (дислокационные и малоугловые границы, границы зерен, дефекты упаковки). Объемные дефекты (разрывы сплошности кристалла).

Раздел III. Свойства полупроводниковых материалов основных классов.

1. Элементарные полупроводники.

Кремний: химические и физические свойства, кристаллическая и зонная структура, взаимодействие с металлами, поведение легирующих примесей.

Краткий обзор методов получения. Поликристаллический и аморфный кремний.

Твердые растворы на основе кремния: диаграммы фазовых равновесий, свойства. Аналитический контроль чистоты полупроводниковых фаз на примере кремния полупроводниковой чистоты. Области применения кремния и проблемные вопросы его материаловедения.

Германий: химические и физические свойства, кристаллическая и зонная структура, поведение легирующих примесей. Структурно-напряженный германий. Твердые растворы на основе германия: диаграммы фазовых равновесий, свойства. Области применения германия и проблемные вопросы его материаловедения.

2. Двойные полупроводниковые фазы и твердые растворы на их основе.

Полупроводниковые соединения типа А3В5. Основные свойства.

Закономерности изменения свойств в этой группе материалов. Краткий обзор методов получения. Арсенид галлия: химические и физические свойства, кристаллическая и зонная структура, взаимодействие с металлами и металлоидами (легирующие примеси). Поликристаллический и аморфный GaAs. Аналитический контроль чистоты GaAs. Области применения арсенида галлия и перспективы развития технологии.

Твердые растворы на основе соединений А3В5 (трехкомпонентные и четырехкомпонентные). Диаграммы фазовых равновесий: экспериментальные и рассчитанные на основе различных приближений. Интерполяционные уравнения для расчета параметров твердых растворов. Области применения.

Гетероструктуры на основе твердых растворов соединений А3В5.

Полупроводниковые соединения типа A2В6, A1B7, A4В6.

3. Многокомпонентные полупроводниковые фазы.

Закономерности образования и принципы отбора многокомпонентных ( 3и более ) полупроводниковых фаз. Общая характеристика трехкомпонентных алмазоподобных полупроводников - тройных аналогов элементарных полупроводников. Изоядерные и изоэлектронные ряды соединений. Соединения А2В4С5.. Свойства, методы получения, области применения. Другие тройные соединения: используемые в электронной технике.

Раздел IV. Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов и методы их получения.

1. Термодинамическое описание процесса образования и роста зародышей твердой фазы: гомогенное зарождение, гетерогенное зарождение. Кинетика роста кристаллов, выражения для скорости роста на основе различных теоретических представлений. Механизмы роста. Рост кристаллов при образовании двумерных зародышей: термодинамика процесса, механизмы роста.

2. Фазовые и структурные превращения при кристаллизации. Рост реальных кристаллов. Метастабильные равновесия, диаграммы состояния с метастабильными равновесиями. Рост кристаллов твердых растворов: явление внутрикристаллической ликвации, бездиффузионная кристаллизация.

Поведение примесей при росте кристаллов. Равновесный и эффективный коэффициенты распределения. Концентрационное переохлаждение при кристаллизации, теоретическое описания и анализ явления.

Термодинамические описание внешней поверхности кристалла, особенности реальной поверхности и их влияние на физические процессы, протекающие в кристаллах. Состояние поверхности кристалла после различных видов механической и химической обработки кристаллов (резка, шлифовка, механическая, химическая и химико-динамическая полировка). Модель нарушенного слоя. Методы определения глубины нарушенного слоя.

Специфика свойств наноматериалов. S-фаза и V-фаза, их влияние на процесс образования наноматериалов.

3. Диффузия и диффузионные процессы в полупроводниках.

Модель случайных блужданий. Основные типы диффузии. Первый (диффузионный поток в непрерывной среде) и второй законы диффузии, ограничения, использованные при выводе уравнений. Уравнения для свободной и вынужденной диффузии (частные случаи – 1 и 2 законы Фика), электродиффузии, термодиффузии, химической и коррелированной диффузии.

Механизмы диффузии. Выражение для коэффициента хаотической диффузии на основе статистической теории. Температурная зависимость коэффициента диффузии. Уравнение Вагнера. Соотношение НернстаЭйнштейна. Основное уравнение переноса (термодиффузия заряженных частиц). Уравнение коррелированного потока частиц одного сорта. Уравнение коэффициента диффузии в общем виде при реализации различных механизмов диффузии.

Влияние состава сплава и природы диффузанта на скорость и параметры диффузии. Параметры самодиффузии в металлах и полупроводниках.

Параметры и скорость гетеродиффузии в металлах, элементарных полупроводниках и полупроводниковых соединениях. Диффузия, сопровождаемая фазовыми превращениями. Влияние структурных несовершенств на параметры диффузии (диффузия по дислокациям и границам зерен, поверхностная диффузия). Диффузия в поликристаллических образцах (модель Фишера) Частные решения уравнения второго закона диффузии для практически важных условий проведения диффузия: диффузия из постоянного источника, диффузия из ограниченного источника.

4. Методы получения объемных монокристаллов полупроводников.

Общая классификация методов. Методы выращивания монокристаллов из жидкой и газовой фаз: кристаллизация из расплавов, растворов, паровой фазы и газовой фазы с участием летучих соединений. Методы получения профилированных кристаллов. Основные особенности, сравнительные достоинства различных методов, сферы их практического использования.

Способы легирования и выбор легирующих примесей. Принципы расчета легирующих добавок. Макро- и микронеоднородности распределения примесей в монокристаллах полупроводников. Способы повышения химической однородности кристаллов.

Управление структурным совершенством кристаллов. Способы снижения концентрации собственных точечных дефектов и плотности дислокаций при выращивании монокристаллических полупроводников. Принципы аппаратурного оформления процессов получения монокристаллов с высоким структурным совершенством.

Методы получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых материалов.

Классификация методов. Процессы газофазной, жидкофазной и твердофазной эпитаксии. Основные особенности, сравнительные достоинства различных методов, сферы их практического использования. Связь состава эпитаксиальных слоев с технологическими условиями их получения и аппаратурным оформлением процессов эпитаксии. Причины образования и способы устранения неоднородностей состава эпитаксиальных слоев.

1. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. - М.:

Металлургия, 1978. - 296 с.

2. С. С. Горелик, М. Я. Дашевский. Материаловедение полупроводников и диэлектриков.- М., Металлургия, 2000.- 385 с.

3. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. – М.: ИПЦ МИСиС, 1995.- 289 с.

Дополнительные источники информации в сети Интернет:

1. Российская государственная бибилиотека – http://www.rsl.ru/ 2. Государственная научно-техническая библиотека России - http://www.gpntb.ru / 3. Библиотека по естественнным наукам (БЕН) РАН - http://125.178.196.201/index.html/ 4. Библиотека РАН - http://ban.ru/ 5. ВИНИТИ - http://fuji.viniti.msk.su/ 6. Научная библиотека МГУ – http://uwh.lib.msu.su/ 7. Российская электронная научная библиотека - http://www.elibrary.ru/ 8. Электронная библиотека по химии - http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/bases_rus.html