О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния
Показано, что протекание электрического тока плотностью j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² через полупроводник со значительной концентрацией дефектов приводит к существенному увеличению пластической деформации в результате локального перегрева образца в области дефектов. Показано, що протікання електричного струму г...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69435 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния / А.Р. Велиханов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 87-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859795111736508416 |
|---|---|
| author | Велиханов, А.Р. |
| author_facet | Велиханов, А.Р. |
| citation_txt | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния / А.Р. Велиханов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 87-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Показано, что протекание электрического тока плотностью j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² через полупроводник со значительной концентрацией дефектов приводит к существенному увеличению пластической деформации в результате локального перегрева образца в области дефектов.
Показано, що протікання електричного струму густиною j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² через напівпровідник із значною концентрацією дефектів призводить до суттєвого збільшення пластичної деформації в результаті локального перегріву зразка в області дефектів.
It has been shown that the current of the density j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² through a semiconductor with significant defect concentration results in essential increase of plastic deformation due to local overheating of the sample within the defect area.
|
| first_indexed | 2025-12-02T13:34:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
© А.Р. Велиханов, 2011
PACS: 61.82.Fk, 62.20.–x, 81.40.Lm
А.Р. Велиханов
О ВЛИЯНИИ ТОКА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Институт физики Дагестанского научного центра РАН
ул. М. Ярагского, 94, г. Махачкала, 367003, Россия
E-mail: art677@mail.ru
Показано, что протекание электрического тока плотностью j ~ 104–105 A/cm2 че-
рез полупроводник со значительной концентрацией дефектов приводит к сущест-
венному увеличению пластической деформации в результате локального перегрева
образца в области дефектов.
Ключевые слова: пластическая деформация, монокристаллы кремния, ток высо-
кой плотности, полупроводники
Низкая пластичность кремния обусловлена направленным типом химиче-
ских связей [1]. Известны различные способы, приводящие к повышению
пластичности кремния. Методом дифракции синхротронного излучения
американскими учеными в национальной лаборатории Брукхевена (США)
изучена пластическая деформация монокристаллов кремния при всесторон-
нем гидростатическом сжатии до 5 GPa и низких относительно Тmelt темпе-
ратурах от комнатной до 425°С [2]. В условиях горячей пластической де-
формации (ПД) при одноосном сжатии до 0.3 GPa пластичность кремния,
близкая к металлической, наблюдаемая в работе [3], наступала при темпера-
туре 0.5Тmelt.
Поскольку за пластичность ответственны именно дефекты, то естествен-
но предположить, что воздействие электрического тока может эффективно
изменять характер пластического течения кристаллов. Этим объясняется
большой интерес, проявленный исследователями к проблеме электропла-
стического эффекта. Ранее установлено наличие явления резкого снижения
сопротивления металла деформированию и повышению его пластичности
при воздействии током высокой плотности ~ 105 A/cm2. В работах О.А. Тро-
ицкого с сотрудниками [4] показано, что воздействие токовых импульсов
длительностью ~ 100 μs облегчает процессы макроскопической пластиче-
ской деформации (релаксация напряжений, ползучесть, деформация).
В предложенном способе воздействия на полупроводник комбинирован-
ной ПД начало пластичности кремния проявлялось при более низких на-
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
88
грузках, чем в [2,3], и температурах 0.4Tmelt. Суть этого способа состоит в
том, что при пластическом деформировании в условиях внешнего нагрева
через образец проходит постоянный электрический ток высокой плотности.
В настоящей работе рассматриваются эффекты электропластичности, обна-
руженные на монокристаллах кремния.
Объектом исследования были выбраны образцы монокристаллов крем-
ния, легированных бором, р-типа с удельным сопротивлением ρ = 10 Ω·cm в
виде параллелепипедов размером 10 × 8 × 5 mm, ребра которых совпадали с
кристаллографическими направлениями [ 1 10], [110], [001]. Деформацию
одноосным сжатием проводили вдоль направления [110] при температурах
испытания T = 700°C в условиях одновременного воздействия комбиниро-
ванной и горячей ПД (внешний нагрев). Механическое напряжение сжатия σ
изменялось от 0 до 40 МРа. Датчиком для записи величины механического
напряжения служил динамометр давления, для линейной деформации ε –
механический микрометр (точность измерений ±1 μm).
Для электронно-микроскопического исследования образцы вначале под-
вергали химическому травлению в течение 1–2 min, а затем полученные по-
верхностные микроструктуры на широкой грани образца изучали с помо-
щью сканирующего электронного микроскопа SEM LEO 1450. Основная за-
дача данной работы – выяснение закономерностей изменения пластичности
кремния в зависимости от влияния внешнего нагрева и нагрева электриче-
ским током, а также выявление в связи с этим особенностей формирования
поверхностных микроструктур образца.
На рис. 1 приведены кривые сжатия монокристаллов кремния, получен-
ные в условиях горячей и комбинированной ПД. Видно, что способ дефор-
мирования заметным образом влияет на ход и параметры кривых сжатия.
Так, для горячей ПД (кривая 1) характерно наличие значительно большей
упругой области, которая наблюдается и при более высоких температурах
деформации. Кроме того, различие в кривых горячей и комбинированной
ПД проявляется не только в заметных изменениях упругой области, но и в
общей величине пластичности. Как видно из таблицы, общая величина де-
формации образцов, подвергнутых комбинированной ПД, в 20 раз превыша-
ет значение деформации образца, обработанного в условиях горячей ПД.
Особенностью кривых сжатия 1 и 2 является наличие нескольких ступенчатых
Рис. 1 Зависимость величины меха-
нического напряжения σ от величины
деформации ε при T = 700°C для раз-
личных способов деформирования: 1 –
горячая ПД, 2 – комбинированная;
римскими цифрами обозначены уча-
стки кривых
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
89
участков ПД с различными коэффициентами упрочнения γ (см. таблицу).
Для образцов, подвергнутых горячей ПД, постоянный коэффициент упроч-
нения на начальном участке ступенчато уменьшается на втором (рис. 1, кри-
вая 1). Для образцов, которые деформированы комбинированно, наблюдает-
ся несколько иная картина – возрастающий γ на первом участке сменяется
падающим γ на втором, а затем снова возрастающим γ на третьем участке.
Таблица
Количественные параметры деформационного процесса
№ об-
разца
Вид пласти-
ческой де-
формации
Плотность
тока j,
A/cm2
Мощ-
ность
P, W
Механиче-
ское напря-
жение σ, МРа
Коэффициент упроч-
нения по участкам
γ = dσ/dε, МРа/%
Величина
деформа-
ции ε, %
I 1781 Горячая – – II 94 1.5
I 31
II 82 80 100
40
III 11
2.1
3
Комбини-
рованная
220 210 Атмосферное
давление – 0.3
Как показывают электронно-микроскопические исследования, при пере-
ходе от одной ступени деформации к другой, выразившейся в изменении ко-
эффициента упрочнения, происходят качественные изменения структуры
ядра дислокаций. Снятие внешнего нагрева в процессе комбинированной
ПД (т.е. когда через образец течет только постоянный ток при достижении
нужной температуры деформации) приводит к возрастанию пластичности
образца, торможению в нем диффузных процессов. Это облегчает переме-
щение дислокаций, в результате чего деформация заметно растет. Возникает
вопрос, к чему приведет дальнейший рост тока в отсутствие механической
нагрузки на образец? Эксперимент дал ответ на этот вопрос. При критиче-
ском значении плотности тока и мощности, выделяемой на образце (см. таб-
лицу), когда температура достигает 1100°C, деформация кремния происхо-
дит при атмосферном давлении, достигая небольшого значения.
Особенности структурного рельефа, сформированного на поверхности
образца деформационными дефектами, отображающие закономерности
формирования волновых пластических фронтов, приведены на рис. 2. Ис-
пользование направленного потока электронов в качестве управляющего па-
раметра воздействия на дислокационную систему кристалла позволяет вли-
ять на морфологию и характер распределения деформационной структуры.
Однородно-ориентированная дислокационная структура образца, получен-
ная в условиях комбинированной ПД, характеризуется наличием геликои-
дальных дислокаций (рис. 2,а) [5]. Для поверхности же образца кремния,
полученной в условиях горячей ПД, характерно неравномерное распределе-
ние плотности дислокаций (рис. 2,б).
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
90
а б
Рис. 2. Дислокационная структура кремния при температуре испытания 700°C: а –
горячая ПД, б – комбинированная
Как показывают эксперименты, электрический ток оказывает избиратель-
ное действие на дислокации в кристалле, вызывая их смещение за счет эф-
фекта разогрева. Это действие зависит от направления тока по отношению к
дислокационным стенкам. Отличительной особенностью горячей ПД по
сравнению с комбинированной является отсутствие заметной величины де-
формации при меньших параметрах воздействия на кристалл. Новый комби-
нированный способ позволяет существенно снизить величину механическо-
го напряжения, уменьшить предел упругой области, понизить температуру
деформирования, что важно для уменьшения диффузионного вклада в фор-
мирование дислокационной структуры кристалла. Сохранение внешнего на-
грева при достигнутой температуре 700°C приводит к понижению пластич-
ности образца. В случае отсутствия внешнего нагрева, когда образец нагре-
вается только постоянным током, пластичность растет.
Работа выполнена с использованием оборудования Аналитического цен-
тра коллективного пользования ДНЦ РАН.
1. С.С. Горелик, М.Я. Дашевский, Материаловедение полупроводников и диэлек-
триков, Металлургия, Москва (1988).
2. J. Rabier, P.O. Renault, D. Eyidi, J.L. Demenet, J. Chen, H. Couvy, L. Wang, Phys.
Status Solidi C4, 3110 (2007).
3. В.Г. Говорков, Кристаллография 5, 789 (1961).
4. В.И. Спицын, О.А. Троицкий, Электропластическая деформация металлов, Нау-
ка, Москва (1985).
5. С. Амелинкс, Методы прямого наблюдения дислокаций, Мир, Москва (1968).
10 μm 10 μm
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
91
А.Р. Велиханов
ПРО ВПЛИВ СТРУМУ НА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
МОНОКРИСТАЛІЧНОГО КРЕМНІЮ
Показано, що протікання електричного струму густиною j ~ 104–105 A/cm2 через
напівпровідник із значною концентрацією дефектів призводить до суттєвого збіль-
шення пластичної деформації в результаті локального перегріву зразка в області
дефектів.
Ключові слова: пластична деформація, монокристали кремнію, струм високої гус-
тини, напівпровідники
A.P. Velikhanov
THE IMPACT OF THE CURRENT ON PHYSICAL AND MECHANICAL
PROPERTIES OF SINGLE CRYSTAL SILICON
It has been shown that the current of the density j ~ 104–105 A/cm2 through a semicon-
ductor with significant defect concentration results in essential increase of plastic defor-
mation due to local overheating of the sample within the defect area.
Keywords: plastic deformation, single crystals of silicon, high-density current, semicon-
ductors
Fig. 1. The stress-strain plots σ(ε) at T = 700°C and different methods of deformation: 1 –
heat PD, 2 – multifunction PD; curve areas are labelled with Roman numerals
Fig. 2. Dislocation structure of silicon at T = 700°C: а – heat PD, б – multifunction PD
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69435 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T13:34:53Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Велиханов, А.Р. 2014-10-13T19:49:32Z 2014-10-13T19:49:32Z 2011 О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния / А.Р. Велиханов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 87-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.82.Fk, 62.20.–x, 81.40.Lm https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69435 Показано, что протекание электрического тока плотностью j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² через полупроводник со значительной концентрацией дефектов приводит к существенному увеличению пластической деформации в результате локального перегрева образца в области дефектов. Показано, що протікання електричного струму густиною j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² через напівпровідник із значною концентрацією дефектів призводить до суттєвого збільшення пластичної деформації в результаті локального перегріву зразка в області дефектів. It has been shown that the current of the density j ~ 10⁴–10⁵ A/cm² through a semiconductor with significant defect concentration results in essential increase of plastic deformation due to local overheating of the sample within the defect area. Работа выполнена с использованием оборудования Аналитического центра коллективного пользования ДНЦ РАН. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния Про вплив струму на фізико-механічні властивості монокристалічного кремнію The impact of the current on physical and mechanical properties of single crystal silicon Article published earlier |
| spellingShingle | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния Велиханов, А.Р. |
| title | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| title_alt | Про вплив струму на фізико-механічні властивості монокристалічного кремнію The impact of the current on physical and mechanical properties of single crystal silicon |
| title_full | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| title_fullStr | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| title_full_unstemmed | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| title_short | О влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| title_sort | о влиянии тока на физико-механические свойства монокристаллического кремния |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69435 |
| work_keys_str_mv | AT velihanovar ovliâniitokanafizikomehaničeskiesvoistvamonokristalličeskogokremniâ AT velihanovar provplivstrumunafízikomehaníčnívlastivostímonokristalíčnogokremníû AT velihanovar theimpactofthecurrentonphysicalandmechanicalpropertiesofsinglecrystalsilicon |