🗊Презентация Материалы электронной техники

Лекция 1 Материалы электронной техники

Введение с дисциплину Материалы электронной техники

Основные направления развития электроники

Этапы развития твердотельной электроники.

Этапы развития твердотельной электроники

Этапы развития твердотельной электроники

Этапы развития твердотельной электроники

Классификация элементов электронной техники Различают пассивные и активные элементы электронной техники. Пассивные элементы служат для перераспределения токов, напряжений и энергии между отдельными участками электрических цепей. К ним относятся разного рода резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а также соединительные и коммутационные элементы. Активные элементы предназначены, прежде всего, для преобразования электрических сигналов или энергии. В качестве активных элементов применяются различные электронные лампы, кинескопы, умножители тока, фотоэлементы, полупроводниковые диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы, пьезоэлементы, ячейки сегнетоэлектрической и магнитной памяти, сверхпроводящие криотроны, пироэлектрические преобразователи, электреты, жидкокристаллические индикаторы, сенсорные элементы и др.

Многие элементы твердотельной электроники могут быть изготовлены как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Дискретные элементы фактически можно рассматривать как компоненты электронной аппаратуры. Наиболее распространенными из таких компонентов являются интегральные микросхемы, относящиеся к изделиям микроэлектроники. Например, пленочные ИС содержат, как правило, только пассивные элементы и представляют собой чаще всего пленочные RC-электрические цепи, используемые в качестве фильтров и резистивных делителей напряжения. Многие элементы твердотельной электроники могут быть изготовлены как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Дискретные элементы фактически можно рассматривать как компоненты электронной аппаратуры. Наиболее распространенными из таких компонентов являются интегральные микросхемы, относящиеся к изделиям микроэлектроники. Например, пленочные ИС содержат, как правило, только пассивные элементы и представляют собой чаще всего пленочные RC-электрические цепи, используемые в качестве фильтров и резистивных делителей напряжения. В монолитных полупроводниковых ИС все активные и пассивные элементы формируют в тонком (5-10 мкм) приповерхностном слое полупроводниковой пластины. Наиболее часто в качестве активных элементов в таких ИС используются планарные биполярные транзисторы и униполярные транзисторы со структурой металл—диэлектрик—полупроводник (МДП).

Электрические и эксплуатационные параметры элементов электронной техники и аппаратуры в целом во многом определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены. Главная особенность материалов, используемых в электронике, заключается в том, что их электрические свойства очень чувствительны к природе химической связи, к атомной и электронной структурам, наличию примесей и структурных дефектов, однородности их распределения вплоть до очень локальных объемов. Роль материалов в электронике велика, как ни в какой другой области техники. Электрические и эксплуатационные параметры элементов электронной техники и аппаратуры в целом во многом определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены. Главная особенность материалов, используемых в электронике, заключается в том, что их электрические свойства очень чувствительны к природе химической связи, к атомной и электронной структурам, наличию примесей и структурных дефектов, однородности их распределения вплоть до очень локальных объемов. Роль материалов в электронике велика, как ни в какой другой области техники. Не случайно, что именно материалы часто используются в качестве классификационного признака при определении многих важных направлений электроники. В этой связи можно назвать полупроводниковую электронику, диэлектрическую электронику, магнитоэлектронику, сверхпроводящую электронику, пьезотехнику и др. Изучение физической природы свойств материалов, поиск принципиальных путей управления этими свойствами, а также оптимизация состава и структуры материалов в целях достижения наилучшего сочетания свойств составляют научную сущность любого материаловедения, в том числе и электронного.

Классификация материалов электронной техники Материалы, используемые в электронной технике (МЭТ), можно подразделить на функциональные и конструкционные. Под функциональными МЭТ следует понимать материалы, которые обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронной аппаратуры. При использовании таких материалов в приборах и устройствах электроники, в первую очередь, принимаются во внимание их электрические свойства. В качестве примеров функциональных МЭТ можно назвать резистивные, конденсаторные и электроизоляционные материалы, высокопроводящие и сверхпроводящие вещества, материалы для хранения и записи информации, материалы с нелинейными электрическими свойствами, материалы для активных элементов полупроводниковой электроники, таких как диоды, транзисторы, лазеры, фотодетекторы и др. Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления корпусов и деталей различных приборов и устройств электронной техники. Как правило, эти материалы выполняют вспомогательные функции, причем корпуса приборов и детали конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров.

Классификация материалов электронной техники

Круг конструкционных материалов, применяемых в электронике, также достаточно широк. Эти материалы можно классифицировать по разным признакам. В частности, их принято подразделять на конструкционные материалы общего назначения (универсальные) и конструкционные материалы со специальными свойствами (специализированные). Круг конструкционных материалов, применяемых в электронике, также достаточно широк. Эти материалы можно классифицировать по разным признакам. В частности, их принято подразделять на конструкционные материалы общего назначения (универсальные) и конструкционные материалы со специальными свойствами (специализированные). Основные эксплуатационные требования к конструкционным материалам сводятся к достижению высокой конструкционной прочности изготовляемых деталей и узлов, а также обеспечению устойчивого иммунитета к воздействию внешней среды. Под конструкционной прочностью понимают комплекс механических свойств, гарантирующих надежную и длительную эксплуатацию материала в заданных условиях.

По реакции на внешнее электрическое поле функциональные МЭТ принято подразделять на проводники, полупроводники и диэлектрики. Объективным критерием, по которому определяют принадлежность материала к той или иной группе, является удельное электрическое сопротивление ρ в нормальных условиях эксплуатации. По реакции на внешнее электрическое поле функциональные МЭТ принято подразделять на проводники, полупроводники и диэлектрики. Объективным критерием, по которому определяют принадлежность материала к той или иной группе, является удельное электрическое сопротивление ρ в нормальных условиях эксплуатации. Формально к проводникам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м. Диэлектрики — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом важно иметь в виду, что удельное сопротивление хороших проводников электрического тока может составлять всего лишь 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков оно превосходит значения 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в очень широких пределах — от 10−5 до 108 Ом·м.

Классификация проводниковых материалов

Контактолы – маловязкие или пастообразные композиции, применяемые в качестве токопроводящего клея или краски. Связующим веществом в них являются синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем – мелкодисперсные порошки металлов (серебро, никель, палладий). Контактолы – маловязкие или пастообразные композиции, применяемые в качестве токопроводящего клея или краски. Связующим веществом в них являются синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем – мелкодисперсные порошки металлов (серебро, никель, палладий). Керметы – металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим веществом. Они обладают высоким удельным поверхностным сопротивлением, поэтому применяются для зготовления тонкопленочных резисторов.

Классификация Сверхпроводников

Полупроводниковыми называют материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниками и диэлектриками, обладают сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также (в большинстве случаев) от внешних энергетических воздействий (температура, освещенность и др.) Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фотоэлектронные приборы и другие полупроводниковые приборы. Полупроводниковыми называют материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниками и диэлектриками, обладают сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также (в большинстве случаев) от внешних энергетических воздействий (температура, освещенность и др.) Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фотоэлектронные приборы и другие полупроводниковые приборы.

Классификация полупроводниковых материалов

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. В различных случаях применения диэлектриков используются пассивные или активные свойства этих материалов. На основе пассивных свойств диэлектрические материалы применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектриками Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. В различных случаях применения диэлектриков используются пассивные или активные свойства этих материалов. На основе пассивных свойств диэлектрические материалы применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектриками

Классификация пассивных диэлектриков

Классификация активных диэлектриков

Пьезоэлектрики – диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Пьезоэлектрики – диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Пироэлектрический эффект – изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. Параэлектрики – диэлектрики, для которых нелинейная зависимость поляризации Р от электрического поля Е проявляется уже в слабых полях и является безгистерезисной. Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно меняется под влиянием внешних воздействий. Зависимость от внешнего электрического поля гистерезисная.

Классификация активных диэлектриков

Магнитные свойства МЭТ По магнитным свойствам материалы делятся на диамагнетики (магнитная проницаемость μ < 1, но μ ≈ 1), парамагнитные (μ > 1, но μ ≈ 1), ферромагнитные (μ >> 1), ферримагнитные (μ >> 1). Диамагнетик – вещество, намагничивающееся навстречу направлению внешнего магнитного поля. У диамагнетиков атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов. Парамагнетик – вещество, способное намагничиваться в сильном магнитном поле. После снятия магнитного поля намагниченность пропадает, т.е. магнитные моменты ориентируются хаотично.

По агрегатному состоянию все материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые материалы по структуре могут быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными. По агрегатному состоянию все материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые материалы по структуре могут быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические вещества обычно изотропны. Однако если в ориентации кристаллитов создать упорядоченность (например механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурами. Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические вещества обычно изотропны. Однако если в ориентации кристаллитов создать упорядоченность (например механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурами.

Виды химической связи веществ Виды химической связи веществ Основными элементарными частицами являются протоны, нейтроны и электроны. Планетарная модель атома водорода - электрон вращается по орбите вокруг ядра показана на (рисунке,а). В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией. Заряд электрона диффузно распределен, образуя размытое облако (рисунок,б). Структура атома и молекулы водорода: а – планетарная модель атома; б – квантомеханическая модель электронной структуры двух уединенных атомов; в – квантомехани-ческая модель электронной структуры молекулы водорода.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Химические свойства атомов определяются строением внешней, не полностью заполненной электронами оболочки. Электроны, находящиеся во внешней оболочке, называют валентными.

Типы химической связи Разделение химически активных элементов на металлы и неметаллы позволяет подразделить химические связи на три основных типа: металлическую, ковалентную и ионную. Связь между сильно электроположительными атомами металлов и электроотрицательными атомами неметаллов трактуют как ионную связь. Поскольку она существует между противоположно заряженными ионами, то ее называют гетерополярной. Металлическую и ковалентную связи относят к гомополярным. Металлическая связь реализуется между металлом и неметаллом, ковалентная – между неметаллом и неметаллом. Названные типы связей являются предельными случаями химического взаимодействия.

В формировании стабильной структуры твердых тел существенную роль играет энергия отталкивания Eот., резко возрастающая при уменьшении расстояния между атомами и ионами. Энергия Eот имеет квантовомеханическую природу и обусловлена прежде всего отталкиванием ядер взаимодействующих атомов (ионов), экранированных окружающими их электронами. Эта энергия, отнесенная к паре ионов, равна В формировании стабильной структуры твердых тел существенную роль играет энергия отталкивания Eот., резко возрастающая при уменьшении расстояния между атомами и ионами. Энергия Eот имеет квантовомеханическую природу и обусловлена прежде всего отталкиванием ядер взаимодействующих атомов (ионов), экранированных окружающими их электронами. Эта энергия, отнесенная к паре ионов, равна где 6 < m < 10; β – постоянная; r – расстояние между частицами.

Ионная связь возникает при образовании вещества из разноименных атомов. При этом атом одного химического элемента (металла) отдает валентный электрон, слабо связанный с атомом, а другой (как правило, галоген) присоединяет или захватывает электрон, достраивая орбиту атома до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы кулоновского электростатического притяжения. Ионные связи взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков Ионная связь возникает при образовании вещества из разноименных атомов. При этом атом одного химического элемента (металла) отдает валентный электрон, слабо связанный с атомом, а другой (как правило, галоген) присоединяет или захватывает электрон, достраивая орбиту атома до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы кулоновского электростатического притяжения. Ионные связи взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков Донорно-акцепторная связь является разновидностью ионной связи и возникает при образовании вещества элементами различных групп таблицы Менделеева, например соединения типа АIIIBV. В таких полупроводниковых соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон атому другого элемента, называемого акцептором. В результате возникает донорноакцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образовния общих пар валентных электронов – по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образовния общих пар валентных электронов – по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. Ковалентная неполярная связь возникает при объединении одноименных атомов и молекул, например H2, O2, Cl2, N2, S, алмаз, и др. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. Центры положительно-го и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю, т. е. она неполярная или нейтральная. Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников. Электричес-кий момент, отличный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинако-вых по величине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии друг от друга l. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент равен μ = ql.

Ковалентная полярная связь возникает при объединении разноименных атомов, например H2O, CH4, CH3Cl, CCl4 и др. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент. Тем не менее молекула может быть нейтральной или полярной. Ковалентная полярная связь возникает при объединении разноименных атомов, например H2O, CH4, CH3Cl, CCl4 и др. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент. Тем не менее молекула может быть нейтральной или полярной. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер – она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Менделеева – SiC, BN. Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические материалы - полиэтилен, политетрафторэтилен) и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Обобществленные электроны слабо связаны с атомами (ионами) и с энергетической точки зрения являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов. Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Обобществленные электроны слабо связаны с атомами (ионами) и с энергетической точки зрения являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов.

Водородная связь осуществляется в результате кулоновского взаимодействия иона H+ (протона) с «дополнительным» отрицательным ионом азота, кислорода, хлора и др. Она не образуется с ионами, с кото-рыми водород вступает в ковалентную связь. Энергия водородной связи приблизительно равна 0,1 эВ, т. е. на порядок меньше энергии ковалентной связи. Водородная связь осуществляется в результате кулоновского взаимодействия иона H+ (протона) с «дополнительным» отрицательным ионом азота, кислорода, хлора и др. Она не образуется с ионами, с кото-рыми водород вступает в ковалентную связь. Энергия водородной связи приблизительно равна 0,1 эВ, т. е. на порядок меньше энергии ковалентной связи. Образование водородной связи можно объяснить следующим образом. Электроотрицательный атом, «оттягивая» электрон от ядра атома водорода, приобретает положительный заряд, равный заряду протона. Этот протон и осуществляет связь между атомами. Из-за малого размера ядра атома водорода водородная связь осуществляется только между двумя атомами.

Основные виды связи между атомами (ионами) в конденсированных телах: а – ионная связь в кристалле хлористого натрия; б – металлическая связь; в – ковалентная связь между атомами алмаза; г – силы Ван-дер-Ваальса между атомами аргона; д – водородная связь в молекуле НF2 Основные виды связи между атомами (ионами) в конденсированных телах: а – ионная связь в кристалле хлористого натрия; б – металлическая связь; в – ковалентная связь между атомами алмаза; г – силы Ван-дер-Ваальса между атомами аргона; д – водородная связь в молекуле НF2

Химические связи классифицируют так же по ряду других признаков. Важнейшим из них является энергетический. Энергию связи многоатомных молекул определяют как энергию диссоциации. Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. По энергетическому признаку связи подразделяют на сильные (≥ 500 кДж/моль), слабые (от 100 до 15 кДж/моль) и ван-дер-ваальсовые (≤ 5 кДж/моль). Параметрами связей являются: равновесные межъядерные расстояния (длины связей); валентные углы; частоты колебаний, отнесенные к паре связанных атомов; поляризуемость; электрический дипольный и магнитный моменты химической связи. Значения параметров получают экспериментально, например, оценивая распределение электронной плотности рентгенографическими методами. Химические связи классифицируют так же по ряду других признаков. Важнейшим из них является энергетический. Энергию связи многоатомных молекул определяют как энергию диссоциации. Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения. По энергетическому признаку связи подразделяют на сильные (≥ 500 кДж/моль), слабые (от 100 до 15 кДж/моль) и ван-дер-ваальсовые (≤ 5 кДж/моль). Параметрами связей являются: равновесные межъядерные расстояния (длины связей); валентные углы; частоты колебаний, отнесенные к паре связанных атомов; поляризуемость; электрический дипольный и магнитный моменты химической связи. Значения параметров получают экспериментально, например, оценивая распределение электронной плотности рентгенографическими методами.