- •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
4.8 Физико-химические свойства диэлектриков
4.8.1 Теплопроводность
Тепло, которое выделяется в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, должно проходить через слой изоляции ( в случае проводов) в окружающую среду. Количество тепла, прошедшее через единицу площади в единицу времени при градиенте температуры 1К называется коэффициентом теплопроводности Т [Вт/мК].
(Воздух Т = 0,05,фторопласт -40, 23, оксид Al -25-30). Наибольшие значения характерны для оксида бериллия (218), он используется как теплоотводящий диэлектрический материал в мощных полупроводниковых приборах.
Пористые диэлектрики обладают малой теплопроводностью. Для повышения ее применяют пропитку.
Нагревостойкость – способность диэлектрика выдерживать воздействия повышенной температуры в течение времени, соответствующего сроку нормальной эксплуатации без ухудшения его свойств. Нагревостойкость оценивается температурой, при которой начинают изменяться электрические и механические характеристики диэлектрика. ГОСТ 8865-70 устанавливается 7кл нагревостойкости.
кл. Y = Тпред - 90 С (полистирол, полиэтилен, бумага, ткани, картон)
кл. А = Тпр -105 С (те же, только пропитаны смолами, маслами, лаками)
кл. Е -120 С – (гетинакс, текстолит, эпоксидные смолы, полиуретановые смолы, компаунды)
кл. В -130 С – (стеклотекстолит, стеклоткань)
кл. F -155 С – (материалы полученные на основе слюды, стекловолокна, асбеста, пропитанные кремнийорганическими, эпоксидными смолами)
кл. H -180 С – (лаки, резина)
кл. С > 180 С – (фторопласт – 4,полимиидные пленки, слюда, кварц, стекло, асбест.)
Холодостойкость – способность электрической изоляции работать при низких температурах без ухудшения эксплуатационных характеристик. При низких температурах электрические свойства улучшаются, а механические свойства ухудшаются. Лак растрескивается, резина теряет гибкость.
Фторопласт - 4 - 269 С
полиэтилен - 40-70 С
полистирол - 40 С
капрон - 20 С
полипропилен - 5-15 С
Тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом расширения:
е = ТКЛР = (1 ∕ l) ∙ (∆l ∕ ∆T) , (4.18)
где l – исходное значение линейного размера;
∆l – изменение этого размера при изменении температуры на ∆Т.
Этот параметр надо учитывать при соединении различных материалов (керамический корпус, пластмассовый корпус ИС, и выводы из металлического сплава, должно иметь соответственно ТКЛР равны или сравнимы).
Влагостойкость – способность сохранять свои свойства в атмосфере, насыщенной водяными парами. Она определяется такими характеристиками: гигроскопичность, способность впитывать влагу при контакте с водой или водяными парами. Влагопроницаемость – это способность диэлектрика пропускать через себя пары воды.
При оценке на влагостойкость, прежде всего надо учитывать склонность к смачиванию, которая определяется краевым углом смачивания . Если > 90 С, то материал относится к несмачиваемым, т.е. является более стойкий к воздействию влаги.
Сильнее смачиваются полярные диэлектрики, чем неполярные.
Радиационная стойкость способность диэлектрика выдерживать воздействие ионизирующего излучения без ухудшения свойств (рентгеновского излучения, нейтронного излучения и так далее, что особенно важно для космических аппаратов, для приборов ядерной энергетики). Наиболее подвержены действию радиации – органические диэлектрики, полимеры могут разрушаться. Менее сильно облучение влияет на неорганические диэлектрики (кварц, слюда, оксиды бериллия, циркония).