Каршинский филиал ташкентского университета информационных технологий имени мухаммада аль-хоразми

ТЕМА 3 : Диффузия в твёрдых телах

План работы:

1. 
   Диффузия.
   
2. 
   Диффузия в твердых телах
   

3. Поверхностная диффузия
Диффу́зия (лат. diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — неравновесный процесс перемещения (молекул и атомов в газах, ионов в плазме, электронов в полупроводниках и тому подобное) вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, приводящий к самопроизвольному выравниванию концентраций по всему занимаемому объёму. Обычно рассматривают диффузию одного вещества в среде, но возможно и диффузия двух веществ, тогда говорят о взаимной диффузии газов. В плазме ионы и электроны имеют заряд и при взаимном проникновении одного вещества в другое вместо взаимной диффузии используют термин амбиполярная диффузия. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией (или высоким химическим потенциалом) в область с низкой концентрацией (или низким химическим потенциалом) против направления градиента концентрации.
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из материала с низкой теплопроводностью (например, стекла), тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, Роберт Бойль показал, что если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь. При этом при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.^[3] Другой пример — систематические исследования диффузии свинца в золото, проведенные Уильямом Робертсом-Остеном и опубликованные в 1896 г. Под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на один миллиметр.^[4]
Первое систематическое экспериментальное исследование диффузии было выполнено Томасом Грэмом. Он изучал диффузию в газах, и это явление (Закон Грэма) было описано им в 1831—1833 гг.
Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.
Большой вклад в теорию и практику исследования дифузионных процессов внес Я. И. Френкель, предложив и развив в 1926 году идею диффузии локальных дефектов (вакансий и межузельных атомов).


Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации.
При рассмотрении структуры твердых тел предполагалось, что любой данный атом всегда «привязан» к определенному узлу решетки. Считалось при этом, что атом не совершает никаких перемещений, кроме тепловых колебаний относительно своего среднего положения. В действительности атомы обладают большей свободой перемещения и могут переходить из одного узла решетки в другой. Диффузный процесс всегда протекает постепенно, причем длина элементарных «шагов» порядка одного атомного диаметра, т.е. несколько ангстрем. Атомы движутся отдельными прыжками из одного положения в другое, при этом в сумме эти элементарные прыжки обеспечивают перемещение атомов на большие расстояния. При диффузии в кристаллах различают перемещение примесных атомов и атомов данного твердого тела (самодиффузия), когда атомы меняются местами. Примесные атомы диффундируют двумя способами: посредством движения вакансий и движения атомов внедрения.
Диффузия примесей тесно связана с явлением предельной растворимости одного вещества в другом. Предельная растворимость в твердой фазе – это максимально возможная концентрация элемента в твердом теле при любой температуре. Растворимость в твердой фазе определяет верхний предел концентрации примеси данного типа в ПП. Требуемая максимальная концентрация диффузанта должна быть меньше твердой растворимости данного диффузанта в данном ПП материале. Существенное влияние на диффузионный процесс и особенно на распределение примесей в локализованных областях внутри диффузионных зон оказывают кристаллическая структура ПП и чистота его поверхности. Наличие на поверхности пластин посторонних частиц или нарушение структуры могут привести к неравномерному распределению примесей, образованию p-n-переходов с изменяющейся глубиной залегания, а в транзисторных структурах – к неравномерности толщины базы и изменению свойств транзистора.