Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
М.М. Филяк
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ПРОВОДНИКАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ
И ДИЭЛЕКТРИКАХ
Рекомендовано Ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Оренбургский государственный университет» в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего
профессионального образования по направлению подготовки 211000.62
Конструирование и технология электронных средств
Оренбург
2015
2
УДК 537.311:621.38 (075.8)
ISBN 978-5-7410-1188-1
Филяк М.М., 2015
ОГУ, 2015
ББК 22.379я73+32.85я73
Ф 57
Рецензент – доцент, кандидат технических наук Д.А. Даминов
Филяк, М.М.
Ф 57 Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и
диэлектриках: учебное пособие / М.М. Филяк; Оренбургский гос. ун-т –
Оренбург: ОГУ, 2015.- 133 с.
ISBN 978-5-7410-1188-1
В учебном пособии представлены общие сведения о материалах
электронных средств, дана их классификация и применение. Основное
внимание уделено рассмотрению физических процессов, происходящих в
диэлектриках, проводниках и полупроводниках, влияющих на их свойства в
процессе получения материалов и в ходе эксплуатации устройств,
созданных на их основе.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
программам высшего профессионального образования по направлению
подготовки 211000.62 Конструирование и технология электронных средств.
УДК 537.311:621.38 (075.8)
ББК 22.379я73+32.85я73
3
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 5
1 Общая классификация материалов электронных средств. Строение материалов .... 8
1.1 Классификация материалов и требования к ним ....................................................... 8
1.2 Строение материалов .................................................................................................. 10
1.3 Зонная теория твердых тел ......................................................................................... 19
1.4 Контрольные вопросы................................................................................................. 22
2 Проводниковые материалы ........................................................................................... 23
2.1 Виды проводников ...................................................................................................... 23
2.2 Природа электропроводности металлов ................................................................... 23
2.3 Свойства проводниковых материалов в зависимости от их состава и внешних
факторов ............................................................................................................................. 30
2.4 Контрольные вопросы................................................................................................. 44
3 Основные физические процессы в диэлектриках и способы их описания .............. 46
3.1 Поляризация диэлектриков ........................................................................................ 46
3.2 Механизмы поляризации ............................................................................................ 47
3.3 Классификация диэлектриков согласно механизмам поляризации ....................... 51
3.4 Поляризация линейных диэлектриков в разных агрегатных состояниях ............. 53
3.5 Токи смещения и электропроводность диэлектриков ............................................. 57
3.6 Электропроводность диэлектриков в разных агрегатных состояниях .................. 60
3.7 Потери в диэлектриках ............................................................................................... 65
3.8 Виды диэлектрических потерь ................................................................................... 68
3.9 Диэлектрические потери в зависимости от агрегатного состояния вещества ...... 71
3.10 Пробой диэлектриков ................................................................................................ 75
4
3.11 Пробой газов .............................................................................................................. 76
3.12 Пробой жидких диэлектриков ................................................................................. 81
3.13 Пробой твердых диэлектриков ................................................................................ 83
3. 14 Контрольные вопросы ............................................................................................. 85
4 Характеристика и основные свойства полупроводников .......................................... 87
4.1 Электропроводность полупроводников ................................................................... 87
4.2 Температурная зависимость электропроводности полупроводников. .................. 96
4.3 Влияние упругой деформации на электропроводность полупроводников ......... 101
4.5 Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле ............ 106
4.6 Контактные явления в полупроводниках ............................................................... 108
4.7 Контрольные вопросы............................................................................................... 112
5 Магнитные материалы и их основные свойства ....................................................... 114
5.1 Основные сведения о магнитных материалах ........................................................ 114
5.2 Магнитные характеристики материалов ................................................................. 115
5.3 Особенности ферромагнетиков................................................................................ 117
5.4 Особенности ферримагнетиков ............................................................................... 126
5.5 Особенности магнетиков в виде тонких пленок .................................................... 128
5.6 Магнитная анизотропия и магнитострикция .......................................................... 129
5.7 Контрольные вопросы............................................................................................... 131
Список использованных источников ............................................................................ 133
5
Введение
Технический прогресс неразрывно связан с разработкой, получением и
применением различных материалов. По мере развития науки и техники возникает
потребность в новых материалах, непрерывно усложняются составы этих
материалов. В свою очередь развитие техники дает новые методы и устройства для
исследования свойств материалов, позволяет создавать новые материалы.
Основополагающей задачей современной электроники является уменьшение
размеров и веса электронной аппаратуры при одновременном увеличении ее
надежности и долговечности. Расширяются также функции, которые должны
выполнять устройства электроники.
Благодаря достижениям физики твердого тела, физической химии и
материаловедения, в современной электронике используются большое количество
разнообразных материалов, различающихся природой химической связи,
химическим и фазовым составом, структурным состоянием.
Основные материалы для изготовления приборов электронной техники –
полупроводники. Диэлектрические материалы являются не менее важными
материалами, они служат в качестве изоляции токоведущих частей электронных
приборов. Кроме этого, широкое применение находят и металлы. Они используются
как компоненты полупроводниковых и диэлектрических соединений, легирующие
примеси, материалы разводки, корпусов приборов и т.д. Разнообразны функции,
которые выполняют материалы. Это обеспечение протекания тока – в
проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических
нагрузках – в конструкционных материалах, изоляция – в диэлектрических
материалах, превращение электрической энергии в тепловую – в резистивных
материалах.
Материаловедение – наука, занимающаяся изучением состава, структуры,
свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях:
тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих
воздействий. Как научная дисциплина она возникала в XIX в. Большой вклад в
6
развитие материаловедения внесли выдающиеся русские ученые П. П. Аносов,
Д. К. Чернов, А. Ф. Иоффе, Б. М. Вул, Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Ж. И. Алферов,
Б. А. Сахаров, В. С. Вавилов и др.
При создании даже простейших приборов, необходимо четко представлять,
какие процессы происходят в материале под действием электрического или
магнитного поля, механических или тепловых нагрузок, какие процессы являются
основными, а какими можно пренебречь. Для этого необходимо знать и учитывать
механические, теплофизические, электрофизические, физико-химические свойства
материала, понимать, от каких факторов зависят эти свойства, как и в какой мере
можно ими управлять для разработки и изготовления на их основе электронной
аппаратуры.
Учебное пособие «Основные физические процессы в проводниках,
полупроводниках и диэлектриках» базируется на лекционном курсе, который
читается для студентов кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных
средств Оренбургского государственного университета.
Целью настоящего курса является изучение основных процессов,
происходящих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и
магнитных материалах под действием электрического и магнитного поля,
температуры, механических нагрузок.
Первый раздел пособия посвящен основам материаловедения. В этом разделе
рассмотрены типы материалов, применяемых в устройствах радиоэлектроники
особенности строения твердых тел, основы зонной теории; дана классификация
материалов по типу химической связи, структуре, техническому назначению. Во
втором разделе дана характеристика проводниковых материалов во взаимосвязи с их
применением в электронной технике; рассмотрены основные свойства проводников
и зависимость свойств от внешних факторов. Третий раздел посвящен физическим
процессам в диэлектриках (поляризация, пробой и диэлектрические потери) и
способам их описания. В четвертом разделе описаны основные физико-химические,
электрические и оптические свойства полупроводников. В пятом разделе
рассмотрены основные свойства магнетиков.
7
Учебное пособие по структуре и содержанию соответствует государственному
образовательному стандарту высшего профессионального образования по
направлению подготовки 211000.62 «Конструирование и технология электронных
средств».
8
1 Общая классификация материалов электронных средств.
Материалы электронных средств
Электротехнические
Конструкционные и специальные
Слабомагнитные
Сильномагнитные
Непроводящие
(диэлектрические)
Металлические Неметаллические
Рисунок 1.1 – Классификация материалов электронных средств
Строение материалов
1.1 Классификация материалов и требования к ним
Материал – это объект, обладающий определенным составом, структурой и
свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций.
Материалы электронной техники по свойствам и техническому назначению
делятся на электротехнические, конструкционные (материалы корпусов, подложек и
т.д.) и специальные материалы (флюсы, припои и т.д.) (рисунок 1.1).
9
Электротехническими материалами называют материалы, характеризуемые
Класс материалов
ρ, Ом*см
знак α
ρ
тип электропроводности
Проводники
10-8 – 10
-5
положительный
электронная
Полупроводники
10-6 – 10
+8
отрицательный
электронная (дырочная)
Диэлектрики
10+7 – 10
+18
отрицательный
ионная и электронная
определенными свойствами по отношению к электрическому или магнитному полю
и их совокупности и используемые в технике с учетом этих свойств.
По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на
сильномагнитные и слабомагнитные. По поведению в электрическом поле
слабомагнитные материалы подразделяются на проводники, полупроводники и
диэлектрики. Среди сильномагнитных материалов также различаются проводящие
материалы и непроводящие (магнитодиэлектрики).
Проводники – это материалы, основное свойством которых, сильно
выраженная электропроводность по сравнению с другими электротехническими
материалами.
Полупроводники – это материалы, удельная проводимость которых сильно
зависит от типа примесей, их концентрации, а также от внешних энергетических
воздействий (температуры, освещенности и т. п.).
Диэлектрики – это материалы, основным электрическим свойством которых
является способность к поляризации и в которых возможно существование
электростатического поля. В таблице 1.1 приведены величины удельного
электрического сопротивления, знак температурного коэффициента удельного
сопротивления и тип электропроводности для проводников, полупроводников и
диэлектриков.
Таблица 1.1 – Сравнительная характеристика проводников, полупроводников
и диэлектриков по электрическим свойствам
10
К материалам электронных средств предъявляются разнообразные требования.
Изоляционные материалы, прежде всего, должны иметь высокую электрическую
прочность. Магнитные материалы – большую магнитную проницаемость.
Диэлектрик, применяемый, как конденсаторный материал, должен обладать как
можно более высокой диэлектрической проницаемостью. Если же диэлектрик
используется, как конструкционный материал (например, подложки интегральных
микросхем), то его диэлектрическая проницаемость должна быть низкой, чтобы
уменьшить паразитные связи между элементами. Конструкционные материалы
должны обладать высокими механическими свойствами.
В электронной аппаратуре используется большое количество различных
материалов. Для понимания электрических, магнитных, оптических и механических
свойств материалов необходимо знать виды химических связей, строение
материалов и фазовый состав.
1.2 Строение материалов
1.2.1 Химические связи. Основными элементарными частицами, из которых
построены все вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Из протонов и
нейтронов состоят атомные ядра; электроны заполняют оболочки атома.
Связи между атомами (ионами) веществ осуществляются в результате
взаимодействия валентных электронов. Тип связи определяется электронным
строением валентных оболочек уединенных атомов.
Состояние электронов в уединенном атоме, их распределение по оболочкам,
подоболочкам и орбитам определяется четырьмя квантовыми числами.
Главное квантовое число (n) определяет размеры электронной оболочки в
уединенном атоме. Энергия электрона обратно пропорциональна n2.
Орбитальное квантовое число l определяет форму орбиты и величину момента
количества движения электрона. Величина его меняется от 0 до n-1. Электроны с
одинаковым квантовым числом l входят в одну подоболочку.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]