
- •1 Физико-химические основы материаловедения 5
- •2 Проводниковые материалы 39
- •3 Полупроводниковые материалы 114
- •4 Диэлектрические материалы 136
- •5 Магнитные материалы 188
- •Введение
- •1 Физико-химические основы материаловедения
- •1 .1 Общие сведения о строении вещества
- •1.1.1 Типы химических связей
- •1.1.2 Агрегатные состояния вещества
- •1.1.3 Кристаллическое строение вещества
- •1.1.4 Анизотропия кристаллов. Индексы Миллера
- •1.1.5 Процесс кристаллизации веществ
- •1.1.6 Полиморфизм (аллотропия)
- •1.1.7 Виды дефектов в кристаллах
- •1.1.8 Влияние термической обработки на структуру свойства материалов
- •1.1.9 Влияние пластической деформации на структурные свойства материалов
- •1.2 Основные cbeдения о сплавах
- •1.2.1 Понятие о сплавах
- •1.2.2 Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.2.3 Диаграмма "состав-свойство"
- •1.2.4 Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.
- •1.3.Основные свойства и параметры материалов.
- •1.3.1 Механические и технологические свойства материалов и методы их определения
- •1.3.1.1 Определение твердости металлов и сплавов
- •1.3.2 Тепловые характеристики
- •1.3.3 Физико-химические характеристики
- •1.3.4 Электрофизические характеристики
- •1.3.5 Зонная структура твердых тел
- •2 Проводниковые материалы
- •2.1 Классификация проводниковых материалов
- •2.2 Электрические свойства проводниковых материалов
- •2.3 Материалы с высокой проводимостью
- •2.3.1 Медь и ее сплавы
- •2.3.2 Алюминий и его сплавы
- •2.3.3 Натрий
- •2.4 Материалы с высоким сопротивлением
- •2.4.1 Проволочные резистивные материалы
- •2.4.2. Пленочные резистивные материалы
- •2.4.3. Материалы для термопар
- •2.5 Проводниковые материалы и сплавы различного применения
- •2.5.1 Благородные металлы
- •2.5.2 Тугоплавкие металлы
- •2.5.3 Ртуть Hg
- •2.5.4. Легкоплавкие металлы
- •2.6 Сверхпроводники и криопроводники
- •2.6.1 Сверхпроводники
- •2.6.2 Криопроводники
- •2.7 Неметаллические проводниковые материалы
- •2.7.1 Материалы для электроугольных изделий
- •2.7.2 Проводящие и резистивные композиционные материалы
- •2.7.3 Контактолы
- •2.8 Материалы для подвижных контактов
- •2.8.1 Материалы для скользящих контактов
- •2.8.2 Материалы для разрывных контактов
- •2.9 Припои
- •2.10 Металлокерамика
- •2.11 Металлические покрытия
- •2.12 Проводниковые изделия
- •2.14 Порошковые конструкционные материалы
- •2.15 Композиционные конструкционные материалы
- •2.16 Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
- •3 Полупроводниковые материалы
- •3.1 Собственная и примесная электропроводность полупроводников
- •3.2 Примеси в полупроводниках
- •3.3 Основные параметры полупроводников
- •3.3.2 Удельное электрическое сопротивление - параметр, характеризующий способность материала проводить электрический ток:
- •3.3.6. Концентрация носителей заряда.
- •3.4 Влияние различных факторов на электропроводность полупроводников
- •3.4.1 Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •3.4.2 Зависимость электропроводности полупроводников от внешнего электрического поля.
- •3.4.3 Влияние деформации на проводимость полупроводников
- •3.4.4 Влияние света на проводимость полупроводников
- •3.5 Производство полупроводниковых материалов
- •3.5.1. Выращивание монокристаллов кремния по методу Чохральского
- •3.5.2. Зонная плавка кремния и германия
- •3.6 Свойства полупроводниковых материалов и их применение
- •3.6.1 Классификация полупроводниковых материалов
- •3.6.2 Применение полупроводниковых материалов
- •3.6.3 Германий
- •3.6.4 Кремний
- •3.6.5 Карбид кремния
- •3.6.6. Полупроводниковые соединения aiii bv
- •3.6.7. Соединения aiibvi и другие халькогенидные полупроводники
- •4 Диэлектрические материалы
- •4.1 Общие сведения о диэлектриках
- •4.2 Поляризация диэлектриков
- •4.2.1 Электронная поляризация
- •4.2.2 Ионная поляризация
- •4.2.3 Дипольно-релаксационная поляризация
- •4.2.4 Ионно-релаксационная поляризация
- •4.2.5 Самопроизвольная (спонтанная) поляризация
- •4.3 Классификация диэлектриков по виду поляризации
- •4.4 Диэлектрическая проницаемость
- •4.4.1 Зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков
- •4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков
- •4.4.3 Зависимость ε от влажности
- •4.4.4 Зависимость ε от частоты f
- •4.5 Электропроводность диэлектриков
- •4.6 Диэлектрические потери
- •4.6.1 Виды диэлектрических потерь
- •4.7 Пробой диэлектриков
- •4.7.1 Основные понятия пробоя диэлектрика
- •4.7.2 Виды пробоев в диэлектриках
- •4.8 Физико-химические свойства диэлектриков
- •4.8.1 Теплопроводность
- •4.8.2 Химические свойства диэлектриков
- •4.9 Газообразные диэлектрические материалы
- •4.10 Жидкие диэлектрические материалы
- •4.11 Активные диэлектрики
- •4.11.1 Сегнетоэлектрики
- •4.11.2 Пьезоэлектрики
- •4.11.3 Электреты
- •4.11.4 Диэлектрики для оптической генерации
- •4.11.5 Электрооптические материалы
- •4.11 Твердые органические диэлектрики
- •4.11.1 Основные понятия о высокомолекулярных соединениях (полимерах)
- •4.11.2 Пластмассы
- •4.11.3 Компаунды
- •4.11.4 Лаки
- •4.11.5 Эпоксидные смолы
- •4.11.6 Клеи
- •4.12 Твердые неорганические диэлектрики
- •4.12.1 Неорганические стёкла
- •4.12.1.1 Классификация неорганических стекол
- •4.12.1.2 Кварцевое стекло
- •4.12.2 Ситаллы
- •4.12.3 Керамика, свойства, типы, применение
- •4.13 Диэлектрические материалы в микроэлектронике.
- •5 Магнитные материалы
- •5.1 Природа магнетизма
- •5.2 Основные параметры магнитных веществ
- •5.3 Классификация магнитных материалов
- •5.3.1 Слабомагнитные вещества
- •5.3.2 Сильномагнитные вещества
- •5.4 Магнитомягкие материалы
- •5.4.1 Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)
- •5.4.2 Пермаллои
- •5.4.3 Аморфные магнитные материалы
- •5.4.4 Магнитодиэлектрики
- •5.4.5 Ферриты
- •5.5 Магнитотвёрдые материалы
- •5.5.1 Литые высококоэрцитивные сплавы
- •5.5.3 Магнитотвердые ферриты
- •5.5.4 Сплавы на основе редкоземельных металлов
- •5.5.5 Другие магнитотвердые металлы
- •5.6 Материалы специального назначения
3.6 Свойства полупроводниковых материалов и их применение
3.6.1 Классификация полупроводниковых материалов
По происхождению ПП могут быть органическими и неорганическими.
По структуре различают кристаллические (моно- и поликристаллические) и аморфные ПП.
По составу ПП делятся на простые (элементарные) и сложные.
Простые ПП состоят из атомов одного и того же химического элемента. Простыми ПП являются 12 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева. Это кремний, германий, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, мышьяк, сурьма, йод, серое олово (α-Sn).
Сложные ПП состоят из атомов различных химических элементов. Это сплавы типа твердых растворов, например, Si x Ge1-x,GaAs1-x Px, где нижним индексом х обозначена мольная доля одного из компонентов, и сплавы типа химических соединений. Сложные полупроводниковые соединения обозначают прописными буквами латинского алфавита с верхними и нижними индексами. Например, AIV BIV, AIII BV, AII BVI, где верхние индексы - номера групп Периодической системы Менделеева Д.И., в которые входят компоненты A и B сплава; нижние индексы (арабские цифры) - стехиометрические коэффициенты (число атомов компонента в соединении).
Химические соединения имеют наименование компонента B. Например, соединения, содержание углерод, называются карбидами (SiC - карбид кремния); фосфор - фосфидами (InP - фосфид индия); мышьяк - арсенидами (GaAs - арсенид галлия); сурьму - антимонидами (InSb - антимонид индия); серу - сульфидами (ZnS - сульфид цинка) и т.д.
3.6.2 Применение полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы являются основными материалами ПП, оптоэлектронных приборов, выполняющих различные функции:
- генерирование, усиление и преобразование электрических колебаний по роду тока, частоте (диоды, транзисторы, тиристоры);
- преобразование сигналов одного вида в другие (фоторезисторы, фотодиоды, оптроны, светодиоды, фототранзисторы, лазеры и др.);
- преобразование одних видов энергии в другие (термоэлементы, солнечные батареи и др.).
Особый класс ПП приборов - это ПП ИМС, представляющие собой законченные электронные устройства в виде Si или GaAs кристалла, в объеме которого методами планарной технологии образованы структуры (области), выполняющие функции диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов, изоляции, а на поверхности в виде тонких пленок сформированы контактные площадки и токоведущие дорожки (межсоединения), изолированные друг от друга пленками оксида кремния SiO2 или SiO2+Si3N4 (нитрид кремния).
3.6.3 Германий
Содержание германия в земной коре невелико и составляет 7∙10- 4 %.
Не реагирует Ge с разбавленными и концентрированными кислотами, растворяется в смесях азотной и плавиковой кислот, в царской водке (смесь НN03 и HCl). В расплавленном состоянии не активен, не реагирует с кварцем, керамикой, не смачивает графит. Ge твердый, но хрупкий материал, легко раскалывается при ударе, изгибе. Германий не прозрачен для видимого света, а для ИК-лучей прозрачен при λ>1,8 мкм.
При Т > 600°С на воздухе Ge окисляется. Двуокись германия GeO2 легко растворяется в воде и не может выполнять те функция, что SiO2 на Si , поэтому планарные транзисторы на Ge выполняют при нанесении на его поверхность SiO2 .
Легирование Ge , т.е. процесс контролируемого введения необходимой примеси, осуществляется в результате диффузии этих примесей. Температура диффузии (700-900)°С. Наибольшей скоростью диффузии обладают Au , Al, Sb , а наименьшей растворимостью - Al, Ga, P, As. Чаще всего для получения областей p-типа проводимости применяют акцепторы In , Ga , Al , а в качестве донорной примеси, т.е. для формирования областей n-типа проводимости - Sb и As.
Термообработка Ge может существенно изменять его электрические свойства. Если n-Ge нагреть до Т > 550°С, выдержать некоторое время, а затем быстро охладить (закалить), то изменится тип проводимости. Аналогичная термообработка для p-Ge приводит к снижению удельного сопротивления, без изменения типа проводимости.
Подвижность носителей заряда в слабо легированном Ge при комнатной температуре сравнительно высока (см. таблицу 3.2). Это обусловливает его использование в ВЧ-диодах и транзисторах.
Области применения: НЧ- и ВЧ-транзисторы, мощные и маломощные, туннельные диоды, варикапы, точечные ВЧ, импульсные и СВЧ-диоды, датчики Холла, фототранзисторы, фотодиоды для ИК-лучей, счетчики ядерных частиц.
Обозначение ПП приборов, изготовленных из Ge , начинается с буквы Г или цифры I, например, транзистор ГТ402, диод 1Д508.Марка монокристаллического Ge в виде слитка: ГЭС 5г1-ж/30, где Г - германий; Э - электронный; С - легированный сурьмой; 5 - номинал удельного сопротивления (5 Ом∙см); г - индекс группы по отклонению удельного сопротивления (15%); I - индекс группы по плотности дислокаций (5.104см-3); ж - индекс группы по дополнительна требованиям (ориентация слитка (100)); 30 - номинал диаметра слитка (30 мм).
Маркировка приведена по ТУ48-4-283-82.
ГЭС5г