Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Материалы электронной техники: Конспект лекций

Голосов: 0

В пособии приводятся основные физические явления в полупроводниках и активных диэлектриках, описываются их электрические, физико-химические и механические свойства. Методическое пособие предназначено для изучения курса "Материалы электронной техники" студентами специальностей 210200, 210600, а также может быть полезно студентам других специальностей. Пособие подготовлено на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры Таганрогского технологического института Южного федерального университета.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    621.315.4/61(075)                                       №3931-1
     М 545
                                      МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
                                                   ФЕДЕРАЦИИ
                                        ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
                                      УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬ-
                                                НОГО ОБРАЗОВАНИЯ
                                      ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИО-
                                            ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

                                     =============================================




      НАНОЭЛЕКТРОННОЙ АППРАТУРЫ
       КАФЕДРА технологии МИКРО- И
                                       МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

                                           МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
                                                 ТЕХНИКИ

                                                       ЧАСТЬ 1

                                                  Конспект лекций


                                            Для студентов специальностей 210200,
                                                       210600




                                                     Таганрог 2006


УДК 621.315.4/61:621.38(075.8)+621.38.002.3(075.8)


  Составители: О.Н. Негоденко, С. П. Мирошниченко.



  Методическое пособие «Материалы электронной техники»
Часть 1. Конспект лекций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, 66c.

   Ил. 60. Библиогр.: 14 назв.




       В пособии приводятся основные физические явления в
диэлектриках, описываются их электрические, физико-химиче-
ские и механические свойства. Методическое пособие предна-
значено для специальностей 210200, 210600, а также может
быть полезно студентам радиотехнических специальностей.




       Рецензент Е. Т. Замков, кандидат технических наук, до-
цент кафедры КЭС, ТРТУ.


                              ВВЕДЕНИЕ
    Целью курса является изучение физической сущности явлений, проте-
кающих в электрорадиоматериалах (ЭРМ), их свойств, областей использова-
ния и правил выбора. ЭРМ называются материалы и компоненты, несущие
электрическую нагрузку или электрическую совместно с механической.
Остальные материалы, несущие только механическую нагрузку, называются
конструкционными материалами и элементами конструкций. Конечно, ра-
диоинженер должен знать как ЭРМ, так и конструкционные материалы. Не-
которые ЭРМ, например, пластмассы, являются одновременно и конструк-
ционными материалами. Такие конструкционные материалы как стали,
цветные металлы и их сплавы рассмотрены в приводимой ниже литературе,
но в курсе ЭРМ не рассматриваются. Поскольку авторами и другими препо-
давателями ТРТУ ранее был издан ряд учебных пособий по отдельным раз-
делам курса, материал этих разделов не включен в курс лекций (рекоменду-
ется изучать изданные раннее пособия).
   Научно-технический прогресс в области радиоэлектротехники прежде
всего связан с разработкой и использованием новых материалов. Надеж-
ность РЭА, быстродействие, экономичность, рабочие температуры, стой-
кость к ударам, излучениям определяются не столько схемой и конструкци-
ей РЭА, сколько использованными материалами.




                                                                      3


         1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ И
           КЛАССИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

    Качественные скачки в развитии радиоэлектроники возможны лишь за
счет использования новых материалов и новых физических эффектов. Так,
внедрение в 50-х годах 20 столетия ферритов позволило резко уменьшить га-
бариты катушек индуктивности, трансформаторов, СВЧ переключателей,
матриц памяти для ЭВМ. Использование полупроводников и полупроводни-
ковой технологии в 60-е годы позволило резко уменьшить габариты и по-
требляемую мощность РЭА и ЭВА. Технология группового производства
дала толчок развитию новых направлений микроэлектроники. В 70 -е годы
начали активно внедряться сверхпроводники, появилась функциональная
электроника (устройства на поверхностных акустических волнах, акусто-
электронные устройства, хемотронные устройства, устройства на цилиндри-
ческих магнитных доменах). В настоящее время активно развиваются нано-
электроника, вакуумная микроэлектроника.
    Радиоматериалы делятся на активные и пассивные. Пассивные ЭРМ ис-
пользуются для изготовления резисторов, конденсаторов, катушек индук-
тивности и т.д., т.е. элементов, не связанных с преобразованием информа-
ции. ЭРМ, используемые для изготовления транзисторов, диодов, лазеров и
т.д., т.е. элементов, связанных с преобразованием информации, называются
активными материалами. ЭРМ работают в электрических и магнитных по-
лях. По поведению в электрическом поле ЭРМ делят на проводники, полу-
проводники, диэлектрики, по поведению в магнитном поле – магнитные и
немагнитные.
    К проводниковым материалам относятся материалы с удельным электри-
ческим сопротивлением ρ < 10-5 Ом*м, к диэлектрикам - ρ > 10 9 Ом*м , к
полупроводникам – с ρ = 10-6 – 10 9 Ом*м. Ряд материалов одновременно яв-
ляются и диэлектриками, и полупроводниками в зависимости от температу-
ры окружающей среды, агрегатного состояния. Материалы различаются и
по ширине запрещенной зоны: проводники, если ΔЕ ≈ 0, полупроводники,
если ΔЕ < (2-3)эВ, диэлектрики, если ΔЕ > (2-3)эВ. По агрегатному состоя-
нию материалы делят на твердые, жидкие, газообразные. По структуре – на
монокристаллические, поликристаллические, аморфные и смешанные.
    Монокристаллы состоят из одинаковых кристаллических ячеек, располо-
женных в правильном порядке (кубических, ромбических, тетрагональных,
тригональных, гексагональных, орторомбических и др.). Атомы или ионы
располагаются в узлах решетки, в центре, в центре грани. Монокристаллы
анизотропны, т.е. их свойства различны в разных направлениях.


4


   Поликристаллические материалы состоят из большого числа мелких кри-
сталликов, хаотически ориентированных в разных направлениях. Они изо-
тропны, т.е. их свойства одинаковы в любом направлении.
   Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением
атомов или ионов.
   Смешанные материалы – в аморфную среду вкраплены кристаллики.
   Связь между атомами бывает ионной, ковалентной (атомной), металли-
ческой, молекулярной.
   Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением противоположно
заряженных ионов. Характерна для неорганических диэлектриков (NaCl,
LiF).
   Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образова-
ния общих пар валентных электронов. Такую связь имеют Si, Ge, алмаз, со-
единения из элементов средних групп таблицы Менделеева (SiC, BN), а так-
же органические соединения (полиэтилен C2H4, политетрафторэтилен C2F4,
газы H2, O2, N2).
   Металлические связи возникают между положительно заряженными
ионами металлов и обобществленным электронным облаком.
   Молекулярные связи существуют между отдельными молекулами за счет
электростатического притяжения находящихся в молекулах зарядов проти-
воположного знака (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи очень слабы, поэтому
вещества, имеющие этот вид связи, легко размягчаются при нагревании,
имеют низкие температуры плавления.
   Особым видом связи является водородная – через ион водорода, распо-
ложенном между двумя ионами, характерна для Н2О.
   По магнитным свойствам материалы делятся на диамагнетики (магнит-
ная проницаемость μ < 1, но μ ≈ 1), парамагнитные (μ > 1, но μ ≈ 1), ферро-
магнитные (μ >> 1), ферримагнитные (μ >> 1). У ферромагнитных материа-
лов магнитные моменты соседних одинаковых решеток выстраиваются в
одном направлении (рис.1).




                                    Рис. 1
   Ферримагнитные материалы имеют две подрешетки, магнитные момен-
ты их противоположны, при этом если они одинаковы (рис. 2 а), то материа-
лы называются скомпенсированными ферримагнетиками (или антиферро-
магнетиками). Если магнитные моменты соседних подрешеток различны


                                                                         5


   (рис. 2 б), то материалы называются нескомпенсированными ферримаг-
нетиками. Именно последние имеют μ >> 1.




                       Рис. 2 а            Рис. 2 б
   Диэлектрики делятся на неполярные (нейтральные) и полярные. У непо-
лярных диэлектриков молекула симметрична и электрический момент моле-
кул равен нулю. У полярных диэлектриков молекула ассиметрична, электри-
ческий момент высок (электрический момент – произведение заряда на рас-
стояние между зарядами противоположного знака).
   Все реальные материалы имеют дефекты в своем строении. Дефекты де-
лятся на точечные, линейные, объемные.
   К точечным дефектам относят дефекты по Френкелю (рис. 3 а) – смеще-
ние атома из узла решетки в междоузлие, к дефектам по Шоттки (рис. 3 б) –
отсутствие атома в узле решетки.




                          Рис. 3 а        Рис. 3 б
   Линейные дефекты – смещение одной части решетки относительно дру-
гой (дислокации линейные, винтовые, криволинейные, угловые).
   Объемные дефекты – пустоты, скопление дислокаций.
   Дефекты существенно влияют на свойства материалов, особенно моно-
кристаллических.
     Магнитные материалы могут быть проводниками, полупроводниками,
диэлектриками. Все эти материалы имеют более обширную классификацию,
которую удобно показывать на рисунках. Классификация пассивных диэлек-
триков приведена на рис. 4.




6


                                  Диэлектрики пассивные

                  органические                 кремнийорганические           неорганические

        полярные                 неполярные              неполярные             неполярные

                   термореактивные
термопластичные
                                   термопластичные       термопластичные

f , Гц
 Полихлорвинил,
    оргстекло,
                   Фенолоформальде
                   гидные резольные
                                        Полиэтилен,
                                       полипропилен,
                                                           Полиэтилен-
                                                             силоксан,
                                                                             Слюда Стекла Керамика

  фторопласт-3,          смолы,       полиизобутилен,      полиметилен-
  полиамидные         глифталевая       полистирол,          силоксан,
      смолы,             смола,        фторопласт - 4,     полифенилен-
  полиимидные         эпоксидные        каучуковые           силоксан.
 смолы, лавсан,          смолы,          материалы
   целлюлоза,         фенопласты,
фенолоформальде      аминопласты,
    гидные и           слоистые и
   новолачные          древесные
      смолы,            пластики.
   каучуковые
   материалы
                                               Рис. 4

   Классификация активных диэлектриков представлена на рис. 5 – 14


                                      Диэлектрики активные

      сегнетоэлектрики                                                    нелинейнооптические
                                                                               материалы
              электреты
          параэлектрики                                                   электрооптические
                                                                              материалы
      жидкие кристаллы
                                                                             материалы
           люминофоры                                                        квантовой
                                                                            электроники
                   пироэлектрики       пьезоэлектрики      сегнетополупроводники

                                               Рис. 5
                                  сегнетоэлектрики

          BaTiO3            KNbO 3              KIO3              Сегнетокерамика
                                                                 (ЦТС, ЦТСЛ, НБС)
                                         Рис. 6


                                                                                                7


                                параэлектрики

              SrTiO3                  KTaO3              CdTiO 3
                                Рис. 7
                      сегнетополупроводники
                      Сегнетоэлектрики на основе
                       BaTiO3 с примесями РЗМ
                                  Рис. 8
                                  жидкие кристаллы




                                                                            ики
                                                                            езоэлектр
                                                                            ериалы
                                                                            Пьезомат
          р – метоксибензилен –           С19H33NO     Смеси МББА и
           p – n - бутилапилен             (ЭББА)          ЭББА
                 (МББА)
                                           Рис. 9

                                 Пьезоматериалы
                                 езоэлектрики



     BaTiO3        ZnO          ZnS         LiTaO3       Пьезокерамика

     Сегнетова соль       CdS           LiNbO3         Германат висмута


                                      Рис. 10

                материалы квантовой электроники
       рубин                                                 ZnO
                                                              стекло
    рутил (TiO2)
                                                        (Na2O*B2O5*2SiO2)
       этилсульфат                                     кобальт-
         тантала                                    цианид калия
            вольфрамат                          берил
               цинка                            (CaF2)
                              гранат
                            (Y3Al5 O12)
                                Рис. 11


8


                                      Электрооптические материалы




            KHPO4             кварц        LiNbO3             LiTaO3             ЦТСЛ

                                              Рис. 12

   Электреты – это вещества с большой и длительно сохраняющейся оста-
точной поляризацией, т.е. электрет является формальным аналогом постоян-
ного магнита. В настоящее время электретное состояние наблюдается, более
чем у 70 диэлектриков. Они используются для изготовления микрофонов, в
качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей атмосферного
давления и влажности, в вычислительных машинах, для измерения механи-
ческих вибраций.

                                              электреты

                оргстекло         лавсан    фторопласт -4 CaTiO3           MgTiO3
                                               Рис. 13
                         пироэлектрики                       люминофоры

                     LiNbO3     LiTaO3     другие       ZnS     CdS        другие

                                                    Рис.14


   Классификация полупроводников приведена на рис. 15

                                              Полупроводники

                       Неорганические                                  Органические

    Простые                           Химические соединения нафталин          виолантрен
полупроводники                        (бинарные; A3B5, A2B6 ;
(B, C, Si, Se, Sn,                    окислы металлов: Cu2O,   антрацен      другие
 P, As, Sb, Te, I,                      Cr2O3, Vo2, NiO, CoO,      полифенилацетилен
       Ge)                                ZnO, Mn3O4, TiO2;
  Керамические                           халькогениды: PbS,
    (SiC, B4C,       Стеклообразные    PbSe, PbTe, CdS, CdSe,
    ферриты,         (халькогениды и            CdTe;
  сегнетополу-       оксидные стекла)   многокомпонентные:
   проводники)                        A2B6C5, A1 B4C4, A1B5C6)

                                              Рис. 15


                                                                                        9


     Классификация проводников показана на рисунке 16

                                  проводники

                Металические                         Неметаллические
               Cu, Al, Au, Аs, Pt, Pd,         Графит, бороуглерод и др .
                Sn, Zn, Cd, In, Ga,
                   Na, W,Ni, Co,
               константан, нихром,
                Fe, манганин и Sn
                                         Рис. 16
     Классификация сверхпроводников приведена на рис. 17
                             Сверхпроводники

                       мягкие                          твердые
                                 другие
                   Al, Hg, Pb, Nb                  44%Nb+56%Te,
                                                   50%Nb+50%Zr,
                                                    V3Ga, Nb3Sn,
                                                     керамика
                                Рис. 17
     Классификация магнитных материалов представлена на рис. 18
                               Магнитные материалы
           Высокочастотные:                                 Специальные:
               ферриты,                                 магнитострикционные,
          магнитодиэлектрики                             с ППГ, с высокой Bs
                    Низкочастотные: Fe,
                        Низкочастотные:      Магнитотвердые: аль-
                                             Магнитотвердые:
                    сталь, пермаллой,        ниси, альнико, альни,
                            Fe, сталь,       альниси, альпеко,
                    альсифер                 ферриты
                            пермаллой,         альни, ферриты
                             альсифен
                                           Рис. 18
    На основе ЭРМ выпускаются РК, классификация которых показана на
рис. 19. При построении РК произошло развитие особых направлений в
науке, которые получили следующие названия: акустоэлектроника, магнито-
электроника, криотроника, оптоэлектроника, хемотроника, фононика, при-
боры с поверхностным переносом заряда (ППЗ), полупроводниковая и ди-
электрическая негатроника. Некоторые области знаний усиленно развивают-
ся и сегодня, другие, развившись, отошли на задний план (ПЗС, хемотрони-
ка). Со временем картина развития меняется, появляются новые области
знаний.

10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика