Свободных радикалов

Выделим основные особенности диапазона СВЧ, определяющие единый подход к конструированию устройств СВЧ. Длина волны электромагнитного сигнала, как правило, соизмерима или много меньше размеров изучаемого объекта. Это является принципиальными конструктивными и технологическими особенностями СВЧ-элементов РЭА и отличает физику их работы от аналогичных радио- и низкочастотных (НЧ) устройств. Так, в СВЧ-диапазоне: 1) теряют физический смысл обычные элементы с сосредоточенными параметрами LCR, а все СВЧ-устройства являются устройствами с распределенными параметрами; 2) конструкции линий передач строго определяются физическими процессами передачи СВЧ-энергии и имеют свои особенности для каждого поддиапазона частот; 3) электрические токи протекают в очень тонком наружном слое металлических проводников, это явление поверхностного эффекта накладывает жесткие ограничения на чистоту обработки токонесущих поверхностей, на выбор защитных покрытий, появляется возможность применения технологии изготовления токонесущих проводников путем металлизации поверхности диэлектрических или керамических деталей; 4) из-за большой инерции электронов и длительной рекомбинации свободных носителей в СВЧ-диапазоне неприменимы обычные электровакуумные и полупроводниковые приборы; 5) параметры и свойства материалов: диэлектриков, магнитодиэлектриков и проводников в СВЧ-диапазоне, существенно отличаются от их номинальных значений. Все это определяет специфику конструирования и изготовления СВЧ-устройств, которая заключается в жесткой зависимости их радиотехнических характеристик от параметров самой конструкции (формы, размеров) и радиофизических свойств материалов (вида обработки токонесущих поверхностей, используемых покрытий и т. д.). В радиочастотной РЭА эти зависимости проявляются в значительно меньшей степени, а в НЧ-аппара-туре практически отсутствуют. 6

Поскольку в примесном (легированном) полупроводнике энергия ионизации атомов легирующей примеси невелика, то уже при температуре, значительно ниже комнатной, все атомы примеси ионизированы и число свободных носителей практически равно числу примесных (донорных или акцзпторных) атомов:

Внутренний фотоэффект — возбуждение электронов вещества, т. е. переход их на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается. Он присущ только полупроводникам.

шой ток, называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), т. е. дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n-перехода неосновные носители заряда п-облас-ти — дырки — переходят в р-область, а неосновные носители заряда р-области — электроны — в «-область. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-э. д. с. Предельно возможное значение фото-э. д. с. равно контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольт. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-э. д. с. достигает 0,5—0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия —• 0,87 В.

1.3. Закон распределения носителей в зонах полупроводника. Концентрация свободных носителей..............15

1.3. Закон распределения носителей в зонах полупроводника. Концентрация свободных носителей

Структура МДП применяется-для создания МДП-транзисторов, широко используемых в интегральных микросхемах. В основе работы МДП-структуры лежат поверхностные явления в полупроводнике. Свойства полупроводника на поверхности и в глубине <ри-сталла различны и зависят от технологических методов обработки поверхности полупроводников. В результате обработки полу!ро-водниковых структур возникают энергетические уровни (состояния), называемые поверхностными, на которые переходят электроны из валентной зоны. В полупроводниках из-за малой концентрации свободных носителей около поверхности возникает слой пространственного заряда достаточно большой толщины, свойства которого изменяются при приложении перпендикулярно поверхности полупроводника электрического поля.'

явление называется эффектом поля. Поверхностные состояния полупроводника в значительной степени ослабляют влияние эффекта поля, так как часть свободных носителей захватывается поверхностными уровнями и образует поверхностный заряд. Этот згфяд уменьшает воздействие внешнего электрического поля и эффект поля. Эффект поля нашел практическое применение в МДП-транзи-сторах (см. гл. 6), в которых на поверхность полупроводникового материала наносится тонкий слой диэлектрика с последующим нанесением металлического электрода. В зависимости от напряжения, подаваемого на металлический электрод, который называется затвором, изменяется проводимость приповерхностного слоя полупроводника, называемого каналом,

но принимают на себя электрон, а затем эмиттируют его в зону проводимости. Промежуточные уровни появляются вследствие наличия атомов примесей и дефектов в кристаллической решетке. Реком-бинационные ловушки способствуют как появлению, так и исчезновению свободных носителей заряда. Процессы рекомбинации и генерации при участии рекомбинационных ловушек можно проанализировать с помощью схемы, представленной на 4.1. Поясним состояния, обозначенные на схеме цифрами 1...4: 1—переход возбужденного электрона из валентной зоны в рекомбинационную ловушку, сопровождающийся появлением в валентной зоне дырки; 2 — обратный переход электрона из ловушки в валентную зону, сопровождающийся исчезновением дырки; 3 — переход электрона в зону проводимости и образование свободного электрона, сопровождающееся образованием свободного промежуточного уровня; 4 — обратный переход электрона из зоны проводимости в свободную ловушку, сопровождающийся исчезновением электрона из зоны проводимости. Таким образом, через рекомбинационные ловушки идет непрерывный обмен электронами между валентной зоной и зоной проводимости. Этот процесс является рекомбинацией электронов и дырок.

Анализатор типа ЭПА-2, предназначенный для анализа свободных радикалов, парамагнитных ионов и радиационных дефектов в твердых и жидких средах, при комнатной температуре и температуре жидкого гелия имеет порог чувствительности 10~п моль/л. Для непрерывного автоматического измерения концентрации парамагнитного вещества в жидких средах разработан анализатор типа ЭПА-3 с порогом чувствительности 5 • 10~'° моль/л. Его основная приведенная погрешность составляет ±5%.

Воздействие излучения может привести к молекулярным преобразованиям .и химическим реакциям. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация, образование поперечных связей, вулканизация. Характер и степень изменения свойств полимера ia время испытания определяются преобладающим процессом. При образовании поперечных связей могут наблюдаться различные изменения физических свойств. В результате длительного или очень интенсивного облучения может произойти разрушение любого полимера, подвергаемого облучению.

поддерживающиеся) разветвленные химические реакции, характерные возникновением в веществе активных частиц (свободных радикалов), по мере взаимодействия с веществом образующих продукт реакции и одну или несколько новых активных частиц (разветвлений). С опубликованием в 1934 г. всесторонней теории неразветвленных и разветвленных цепных химических реакций в науку вошло наглядное и плодотворное представление о лавинообразных, прогрессивно ускоряющихся химических процессах и их критических границах. Теория эта рассматривает процессы, принципиально отличающиеся от процессов деления атомного ядра. Но заложенные в ней понятия критических величин аналогичны для химических и ядерных процессов, и это послужило основой для последующей разработки физиками теории разветвленных самоподдерживающихся цепных ядерных реакций и установления общеизвестных теперь понятий критической массы ядерного горючего и критических размеров установок для осуществления самоподдерживающихся реакций деления нейтронами ядер тяжелых элементов. (В 1956 г. акад. Н. Н. Семенову за работы в области химической кинетики и цепных реакций была присуждена Нобелевская премия.)

вой стадии, может уцелеть и, вступив в реакцию, образовать органическое азотсодержащее соединение. Дополнительное количество озона может образоваться в результате того, что происходит окисление свободных радикалов типа НСО окисью азота; при этом генерируется также двуокись азота (NO2).

Если в предшествующем изложении речь шла о таких процессах взаимодействия излучения с веществом, физическая и биофизическая природа .которых относительно хорошо изучена, то при рассмотрении реакций с участием свободных радикалов приходится сталкиваться со значительно менее исследованной областью. .

Структура клеточных мембран характеризуется послойным расположением фосфолипи-дов и белковых веществ. Фосфолипиды подвергаются активному воздействию свободных радикалов ОН- и О-, а также Н2О2, которые, как известно, в больших количествах образуются в облученной ткани. Результатом этого воздействия является разрушение мебраны, приводящее к потере клеткой цитоплазмы и к прекращению ее нормального функционирования. Действие этого механизма разрушения клеток может усиливаться в присутствии больших количеств кислорода. Именно этот фактор, по-видимому, служит причиной усиления эффекта радиационной терапии раковых заболеваний в случаях, когда раковая опухоль находится в ткани с повышенным содержанием воды, например в органах пищеварительного тракта, по сравнению с теми случаями, когда опухоль находится в ткани с низким содержанием воды (легкие или костная ткань).

Распределение энергии, выделяемой в тканях организма при воздействии ионизирующего излучения, носит случайный характер. Точно так же случайным образом происходят взаимодействия ионов и свободных радикалов с окружающими молекулами. По этой причине совсем не обязательно, что выделение одного и того же количества энергии при воз-

Этот эффект можно объяснить, если принять, что главную роль в разрушении клеточной мембраны играют свободные радикалы. Свободные радикалы образуются в объеме микроскопического цилиндра, окружающего трек частицы ионизирующего излучения. Если в таком цилиндре одновременно находится большое число свободных радикалов, вероятность того, что многие из них, если не большая часть, рекомбинируют, не успев покинуть пределы цилиндра, оказывается достаточно высокой. В этом случае могут пострадать только те клетки, которые находятся внутри этого цилиндра. Если же свободных радикалов образуется немного, существует довольно большая вероятность, что они не рекомбинируют внутри цилиндра, а диффундируют вовне, в результате чего будет поражено большее число клеток. Такое объяснение, однако, еще нуждается в проверке.

В отличие от полимеризации под действием химических отвер-дителей и температуры, когда требуется наличие в молекулах ненасыщенных связей или функциональных групп для протекания реакций полимеризации на подложке, для полимеризации в плазме тлеющего разряда этого не требуется. При воздействии электронов и ионов образуется болыпое количество- активных частиц: свободных радикалов, ионов, возбужденных молекул и атомов, способных инициировать реакции полимеризации в тонком слое мономера на поверхности.' Этот метод позволяет создать плотные и тонкие (10 нм—5 мкм) полимерные пленки, обладающие хорошей адгезией к поверхности, из исходных паров стирола, метилсилоксана, гекса-хлорбутадиена и др.

Фоторельефной печатью называют образование рельефного рисунка на подложке путем нанесения сплошного слоя фотополимерной композиции ФПК или фоторезиста ФР и последующего избирательного экспонирования рисунка, его проявления и закрепления. .Под действием экспонирующего ультрафиолетового излучения (Л=0,35—0,5 мкм) происходит фотолиз — фотонное инициирование химических реакций. Фотолиз протекает как свободнорадикальная цепная реакция, идущая с нарастающей скоростью. Диффузия свободных радикалов в вязкой среде слоя ФПК настолько незначительна, что фотолиз протекает строго в освещенных участках, обеспечивается высокая разрешающая способность.

В состав ФПК входят, помимо основной органической составляющей, фотоинициатор и ингибитор. Фотоинициатор служит сенсибилизатором, который под действием УФ излучения приобретает избыточную энергию, возбуждается и обеспечивает образование свободных радикалов, необходимых для развития цепной химической реакции в основной органической составляющей. Ингибитор необходим для предотвращения спонтанных реакций, инициированных теплотой при хранении в период между введением фотоинициатора и непосредственным использованием, и для регулирования скорости фотолиза. Механизм действия ингибитора сводится к отдаче атома водорода его молекулой для насыщения свободной валентности активного радикала. Благодаря значительной вязкости ФПК обрыв органических цепей в результате взаимодействия радикалов протекает медленно. Это позволяет ингибитору оказать сдерживающее влияние [98].