Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

20-03-2013_10-45-00 / 1-2 материалы

.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
199.17 Кб
Скачать

Электронные приборы (ЭП) делят на пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, элементы коммутации цепей и пр.) и активные (обеспечивают преобразование вида энергии, усиление мощности сигнала или нелинейные преобразования какого-либо параметра). К ним относятся диоды, транзисторы, тиристоры, ИС. ИС как РК характеризуются самыми высокими сложностью внутреннего устройства и точностью изготовления входящих в них РЭ. ИС предполагают интеграцию (объединение) двух видов: схемотехническую и функциональную. Функциональная электроника базируется на использовании разнообразных явлений и процессов в физических средах (оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнитоэлектроника и пр.). Для потребителя главным являются свойства материалов, т.к. - комплекс физических, механических и других свойств определяет возможность конкретного применения того или иного материала.

Наиболее общими являются механические свойства материалов. Жесткость - способность противостоять деформации или деформироваться без существенного изменения геометрических размеров (важна для корпусов, плат, осей, иначе будут нагружаться и рваться пайки, контакты, проводники и т.п.). Иногда нужны детали малой жесткости - пружины, буфера, торсионы. Твердость материала- свойство материала противостоять деформации при локальном контакте (тв. по Бринеллю, по Роквеллу, по Шору, шк. Мооса). Прочность – способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Упру́гость - свойство материала под действием механических напряжений деформироваться обратимо: после снятия напряжений материал остается недеформированным. Закон линейной связи деформации с механическим напряжением р (закон Гука - ф.29, рис.31) сохраняется до опр. пределов (предела упругости ф.26). С некоторого значения (предела текучести – ф.27) деформация растет быстрее, чем по линейному закону, и форма образца после снятия р не восстанавливается (пластическая деформация). Дальнейшее повышение р приводит к разрушению образца при ррпредела прочности –ф.28. Пластичностьспособность материала необратимо пластически деформироваться без разрушения. Основные параметры: относительное удлинение при растяжении (ф.24) и относительное сужение, предел прочности при сжатии, ударная вязкость (ф. 25)-предел прочности материала при ударном изгибе (для оценки степени хрупкости материалов), предел прочности при статическом изгибе (ф.30). Хрупкость — свойство разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Усталость материала - процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных мех. напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время. Выносливость - свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения за указанное время.

К тепловым характеристикам РМ относятся: температура размягчения (для аморфных)(термореактивные полимеры разлагаются раньше, чем размягчаются), температура плавления (для кристаллических) (Есть сплавы: при некоторой температуре, называемой «солидус» происходит частичное расплавление, т.е. переход части вещества в жидкое состояние. Остальное вещество - в твердом состоянии. При некоторой t, называемой «ликвидус» произойдет полное расплавление вещества.). Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Коэффициент теплопроводности (ф.20) позволяет оценить способность материала проводить тепло Q от более нагретой его поверхности к менее нагретой за время τ. Температурный коэффициент линейного расширения (ф. 17) ТКl определяет изменение первоначальной длины материала при изменении его температуры от t0 до t1. Нельзя соединять друг с другом детали с резко отличающимися ТКl. Нагревостойкость — способность длительно выдерживать предельно допустимую температуру без заметного снижения механических, электрических и других характеристик (несколько классов). Холодостойкость —стойкость материалов к низким температурам. Теплостойкость (методы Мартенса и Вика)—стойкость к кратковременному нагреву при одновременном воздействии изгибающей механической нагрузки (для диэлектриков). Температурный коэффициент удельного сопротивления (ф.18) учитывает скорость изменения ρ в зависимости от t материала (рис.11 –лист 2). Температурный коэффициент сопротивления (ф.19). Температура вспышки - такая t, при которой пары жидкого или расплавленного диэлектрика образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с посторонним источником зажигания. Стойкость к термоударам - для хрупких материалов (фарфоровые изоляторы) (нагрев и охлаждение- переменные). Температура воспламенения - такая t, при кот. материал воспламеняется и продолжает гореть после удаления горелки не менее 5 сек.

К физико-химическим характеристикам относятся: Водопоглощаемость wсвойство материала противостоять проникновению в него воды (ф.21). Гигроскопичность Wспособность сорбировать влагу из окружающей среды (из воздуха), противостоять проникновению в него паров воды (водяного тумана). Влагопроницаемость (для защитных покрытий)- способность пропускать сквозь себя пары воды (ф.22). Тропикостойкость - стойкость к атмосферным воздействиям (влажность, разл. темп. грибки) (Радиокерамика, ситаллы, некоторые полимерные диэлектрики (кремнийорганические, фторорганические и др.). Радиационная стойкость - стойкость радиоматериалов к воздействиям фоновых (ионизирующих) излучений: α, β, γ, лучей, потоков нейтронов и др. Радиация вызывает дефекты в материалах на наноуровне. Особенно сильным фоновым излучениям подвергаются узлы радиоустройств и радиоматериалы в летательных аппаратах (ракеты, космические корабли). Радиационностойкая изоляция - неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен). Растворимость оценивают по количеству материала, переходящего в раствор за единицу t с единицы поверхности, соприкасающейся с растворителем. Свойство важное для подбора растворителей лаков, пластификаторов, для оценки стойкости э/изоляционных материалов к действию жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются в процессе изготовления изоляции (при пропитке лаками) и в эксплуатации (изоляция маслонаполненных трансформаторов). При повышении t растворимость увеличивается. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации. Химостойкость способность выдерживать воздействие химически активных веществ без ухудшения его свойств. Кислотное число -количество граммов едкого калия КОН, которое требуется для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 кг испытуемого материала. КЧ измеряют для масел, смол. В трансформаторном масле – высокое КЧ является признаком плохой очистки при изготовлении. Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии. Повышение возможно при помощи легирования, нанесения защитных покрытий (Cr, Ni, Zn-ние, окраска изделий), пассивации. Дисперсность — физическая величина, характеризующая размер частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность. Звукопоглощение - способность материалов поглощать звуковые волны. Адгезия (прилипание), слипание поверхностей двух разнородных твёрдых или жидких тел. Когезия- сцепление внутри однородного материала.

Оптические свойства материалов важны для материалов оптоэлектроники, но не менее - для анализа свойств электрических. Свет поглощается в полупроводниках и может создавать пару носителей. Свет, падающий на П/П, частично отражается, частично проходит, частично поглощается. Величина света, которая просачивается через поверхность материала, определяется коэффициентом пропускания τ, равным отношению пропущенного телом светового потока Фτ к падающему Фi, т. е. τ=Фτ/Фi . Количество света, которое полностью растворяется в материале, оценивается коэффициентом поглощения α, равным отношению светового потока Фα, поглощенного телом, к световому потоку Фi, падающему на тело: α=Фα/Фi . Отношение отраженного потока Фρ к падающему Фi называется коэффициентом отражения ρ, т. е. ρ=Фρ/Фi . (Белые непрозрачные тела ρ ≈1). По закону сохранения энергии Фi=Фα+Фρ+Фτ. Откуда следует, что α+ρ+τ=1,сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна единице. На границе раздела двух прозрачных сред действуют: Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред(ф. 23) Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой (ф. 24). Если свет падает на границу раздела среды, c меньшим n, то доля отраженной энергии возрастает с увеличением угла падения. Начиная с некоторого угла падения, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление носит название полного внутреннего отражения (применяется в ВОЛС).

Налётоопасность - устойчивость оптического материала к воздействию влажной атмосферы. Пятнаемость - устойчивость оптического материала к слабокислым водным растворам и дистиллированной воде (изм. время за которое поверхность заготовки, помещенная в 0,1 % раствора уксусной кислоты при t= 50°С приобретет в отраженном свете фиолетовую окраску (снижение коэффициента отражения на 0,4%). Лучевая (оптическая) прочность - прочность материалов, работающих с лазерным излучением. Токсичность материалов и оптических сред необходимо учитывать как при их выборе, так и организации производства деталей оптических элементов. Изменение показателя преломления в зависимости от длины волны называется оптической дисперсией. Мутность, способность оптически неоднородной среды рассеивать проходящий сквозь неё свет. Глянец - способность поверхности отражать больше света в некотором направлении по сравнению с другими направлениями. Бессвильность - наличие прозрачных включений, отличающихся по показателю преломления от окружающей массы стекла.

К электромагнитным характеристикам относятся: удельное сопротивление (Ом*м), величина обратная – удельная проовдимость (См/м) (ф. 13), диэлектрические потери оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь (ф. 10)– угла между вектором  электрической индукции D и вектора напряженности переменного электрического поля E. Диэлектрическая проницаемость (ф.12) ε определяет интенсивность поляризации Р вещества в ЭП и является мерой ослабления поля в веществе. Магнитная проницаемость μ определяет интенсивность намагничивания (ф.11). Способность вещества поляризоваться и намагничиваться определяются по диэлектрической (ф.15) и магнитной восприимчивости (ф.14). Электрическая прочность Епр представляет собой напряженность электрического поля (В/м), при которой наступает пробой диэлектрика или п/п толщиной h (ф.16). Электромагнитные параметры, характеризующие материалы как среду распространения электромагнитных волн: коэффициенты затухания (ф.1 и 3) и фазы (ф.2 и 3), глубина проникновения поля внутрь среды (ф. 6), скорость распространения ЭМП (ф.4 и 5) и Волновое сопротивление ( ф.7-9). Магнитные материалы, кроме перечисленных, характеризуются: напряженностью магнитного поля Н (А/м), магнитной индукцией В (Тл), намагниченостью Jм (единица объема V, обладающая магнитным моментом М), температурой Кюри (при которой пропадают магнитные св-ва и μ=1; у сегнетоэлектриков пропадает способность поляризоваться), остаточной намагниченностью Вr (магнитная индукция, при которой Н=0), Коэрцитивной силой (Нс-напряженность МП, при которой Вr =0) или (Ес- напряженность ЭП, при которой Р=0 – для активных диэлектриков).

(Окно 1 лист 2) Вещества, применяемые в электронике, могут находиться как в твердом (основная масса ЭП), так и жидком (трансформаторное, кабельное, конденсаторное масла, кремний и фторорганические жидкости), и газообразном состоянии (воздух, элегаз, водород, азот, аргон, неон, гелий). Агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В газообразных веществах расстояние между молекулами во много раз больше размеров молекул. Молекулы перемещаются хаотически по всему занимаемому объему, собственным объемом не обладают. В жидких веществах (обладающих объемом, но не обл. формой) молекулы расположены беспорядочно возле друг друга. В твердых веществах (обл. собственным объемом и формой), молекулы расположены упорядоченно, вплотную друг к другу, они совершают хаотические колебания около положения равновесия. При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое молекулы вещества не изменяются, а изменяются расположение и характер движения молекул. Фазовый переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.

Твёрдые вещества подразделяют: по структуре на: кристаллические, и аморфные (канифоль, смолы, каучуки). Физические свойства аморфных веществ: нет постоянной температуры плавления, по мере повышения температуры размягчаются, изотропны, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой ­– подобны жидкостям. Стекло при повышенных температурах или давлении может расстекловываться и превращаться в аморфно-кристаллический материал, называемый ситаллом. К аморфно-кристаллическим относят также опал, оксид кремния, жидкие кристаллы при определенных температурах.

Кристаллические делятся на: поликристаллические (металлы, графит) и монокристаллические (алмаз) Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, связанных м/у собой силами сцепления, хаотически ориентированных в разных направлениях. Физические свойства:1) правильная форма, 2) постоянная температура плавления, 3) изотропность. Монокристаллы - анизотропные (свойства среды различны по всем направлениям) крупные одиночные кристаллы правильной геометрической формы с постоянной температурой плавления.

Применяемые в электронике П/П имеют монокристаллическую структуру, что означает, что по всему объему такого вещества атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Геометрический образ, описывающий трехмерную периодичность в размещении атомов в кристаллическом пространстве называется кристаллической решеткой. Внутреннее устройство кристаллов минерала, способ взаимного расположения составляющих их атомов, ионов, молекул называется кристаллической структурой. Габитус кристалла, придающий ему внешний облик называется кристаллографической формой. Число ближайших соседей, окружающих данный атом в кристаллической решетке и находящихся от него на одинаковом расстоянии, называется координационным числом. Кристаллическая решетка кремния и германия представляет собой наложение двух кубических гранецентрированных решёток.

Для оценки анизотропных свойств (окно 2) кристалла определяют внутри кристалла направления (проходящие через 2 узла) и положения плоскостей (проходящих через 3 узла КР) относительно трехмерной системы координат (х, у, z) и идентифицируют их системой индексов Миллера. В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям Y и Z, индексы (001) – к плоскости, параллельной осям X и Y, а индексы (010) – к плоскости, параллельной осям X и Z. Направления обозначают теми же индексами, но в квадратных скобках. Положительное направление оси Х обозначают [100], положительное направление оси Y – [010], отрицательное направление оси Z – [00ī], диагональ куба [111].

Все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. В атоме вокруг ядра (из протонов и нейтронов) по орбитам движутся электроны (число которых = порядковому номеру элемента в т.Д.И. Менделеева). В нормальном состоянии атом содержит одинаковое число протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален. Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Они определяют химическую активность вещества, т.е. участвуют в создании химической связи между атомами. В образовании химических связей не участвуют электроны внутренней электронной оболочки атома. Виды химической связи, которые характерны для: проводников-металлическая, для полупроводников (Ge, Si) -ковалентная, (GaAs)- ковалентно-ионная), для диэлектриков (ионная, ковалентная, ков-ион.) Наиболее сильной является химическая связь ковалентная, наиболее слабой - молекулярная (органические соединения, отличающиеся низкими температурами плавления и кипения). В узлах КР с ковалентной связью находятся нейтральные атомы, с металлической связью- положительные ионы, в промежутках между которыми, находятся свободные электроны, с ионной связью - чередующиеся положительно и отрицательно заряженные ионы (окно 1).

(Окно 3) Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. Реально наблюдаются отклонения расположения частиц. Отклонения могут быть временными (динамическими: механические, тепловые, ЭМ воздействие) и постоянными (статическими). К статическим относят: Атомные (точечные) дефекты – проявляются в виде незанятых узлов решетки – вакансий, в виде смещений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. Дефекты по Шоттки связаны с образованием вакансии и выходом атомов из узлов на поверхность кристалла. Дефекты по Френкелю характеризуются вакансиями и атомами в междоузлиях. Примесные дефекты: примесные атомы располагаются в междоузлиях (примесь внедрения) или в узлах (примесь замещения). Протяженные дефекты: Искажение структуры кристалла, охватывающее достаточно большое число атомов в окрестности некоторой линии называется дислокацией. Дислокации (смещение) бывают краевые и винтовые. При повороте части кристалла на одно межатомное расстоянии в направлении некоторой оси появляется винтовая дислокация. Краевая возникает при сдвиге (скольжении) атомных плоскостей относительно друг друга). Дефекты и дислокации кристаллической решётки полупроводника появляются из-за несовершенства технологии выращивания кристаллов, из-за невозможности полностью очистить исходный материал от примесей. Дислокации уменьшают прочность кристалла, увеличивают проводимость, увеличивают пластичность. Трещины и поры относятся к поверхностным дефектам.

Атом называется возбужденным, если он поглотил квант энергии. Атом, электронная оболочка которого не заполнена, называется ионом. Атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительно заряженным ионом. Атом, который присоединил к себе один или несколько электронов становится отрицательно заряженным ионом. Процесс отрыва электрона от атома или присоединения к нему лишнего электрона называется ионизацией. В 1913 году Н. Бор установил, что атом излучает или поглощает энергию только при переходе из одного стационарного состояния в другое. Атом может испускать фотоны. Де Бройль в 1923 году выдвинул гипотезу: движущиеся частицы обладают волновыми свойствами. В 1900 году М. Планк выдвинул гипотезу: энергия электронов в атоме может принимать вполне определенные дискретные значения, изменения энергий может происходить только скачкообразно. Отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т.е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. Так как атом находится в кристалле, вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле. Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону (С , верх.рис. окно 5). Разрешенные энергетические уровни, свободные от электронов в невозбужденном состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных называют – зоной проводимости (А, верх. рис. окно5). Значение энергии разрешенного энергетического уровня в атоме определяется номером разрешенной орбиты. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными зонами (В, рис. окно 5)– области значений энергии, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Носители заряда, отвечающие за проводимость материала, могут находиться на энергетических уровнях зоны проводимости и валентной зоны.

Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, с противоположными спинами. Ширина разрешенных энергетических зон не зависит от размеров кристалла, а определяется лишь природой атомов, образующих твердое тело, и симметрией кристаллической решетки. Наибольшей шириной запрещенной зоны обладают диэлектрики (окно 5 верх. рис.3)(ΔW условно от 3 до 10 эВ), к полупроводникам относят вещества с ΔW от 0,1 до 3 эВ (окно 5, верх.рис.2). Запрещённая зона у проводников отсутствует на энергетической диаграмме, т.к. валентная зона и зона проводимости перекрываются (окно5, верх.рис.1). Запрещённая зона у полупроводников с повышением температуры уменьшается. При Т=0К полупроводник не обладает проводимостью, ведет себя как диэлектрик. Для появления электропроводности нужно электроны перевести из валентной зоны в зону проводимости (для этого повысить температуру, подать энергию эл. или магнитного поля, осветить кристалл). Незаполненные электронами уровни в валентной зоне образуют второй тип носителей заряда, равный по величине электрону проводимости, но имеющий положительный заряд – дырки. Носители заряда в полупроводнике, которые могут перемещаться по кристаллу, называются электронами проводимости. Дырки не перемещаются. Процесс одновременного образования свободных электронов проводимости и дырок называется генерацией.

Рекомбинация - это столкновение дырки и электрона проводимости, приводящее к их исчезновению и образованию нейтрального атома. Нейтральный атом – это атом, у которого заполнены все ковалентные связи. При фононной рекомбинации избыточная энергия электрона передаётся в виде тепла кристаллической решётке п/п, при фотонной рекомбинации избыточная энергия электрона излучается в виде квантов света. Так же рекомбинация бывает межзонная (при одновременном нахождении в одном и том же месте кристалла электрона проводимости и дырки, одинаковых, но противоположно направленных, импульсах электрона проводимости и дырки) и с помощью рекомбинационных ловушек, в качестве которых могут выступать примесные атомы и ионы (часто примесь золота), трещины, поверхностные и объемные дефекты. Значительно интенсивнее идет процесс рекомбинации на поверхности полупроводника.

По поведению в электрическом поле материалы делятся на: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические.

Полупроводниками называются такие материалы, которые по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. В электронике находят применение ограниченное число веществ Si, Ge, GaAs, Se. Многие применяют в качестве примесей B, P, S, As, Te, I и пр.). При температуре Т = 0 К удельное сопротивление полупроводника бесконечно большое (т.е. полупроводник превращается в диэлектрик). C повышением температуры проводимость увеличивается, т.к. увеличивается количество свободных носителей заряда. Электропроводность полупроводников зависит от концентрации и вида примесей, от внутренней структуры, от внешних воздействий (температура, свет, напряжение и т.д.). Именно полупроводники используются для производства активных ЭП. При описании процессов переноса заряда в полупроводнике пользуются следующими параметрами: Эффективные массы электронов проводимости mn и дырок mp, которые не совпадают с массой свободного электрона и зависят от направления движения заряженных частиц, учитывают сложный характер взаимодействия электрона с кристаллической решеткой при его движении под действием силы внешнего электрического поля. Характеристическая длина L (окно 9, ф.4)- это среднее расстояние, проходимое носителем до рекомбинации (диффузионная длина). Время жизни носителей заряда в полупроводнике (до рекомбинации), чем оно больше, тем менее быстродействующим будет электронный прибор (окно 9, ф.7). Подвижности электронов и дырок (ф.1, рис. окно 9) в полупроводнике, которые с ростом температуры сначала увеличиваются, затем уменьшаются (меньше становится степеней свободы). С увеличением концентрации примесей подвижность носителей заряда уменьшается. Большей подвижностью в полупроводнике обладают электроны. Энергия Ферми – уровень Ферми, энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна 0,5. (рис. окно 5 , ф.2,4,6 в окне 6).

На энергетической диаграмме собственного полупроводника (i-типа, безпримесного, например, 4- валентного кремния или германия) уровень Ферми находится вблизи середины запрещённой зоны (рис. окно 5). В собственном полупроводнике концентрации электронов проводимости и дырок находятся в следующей зависимости ni=pi (окно 6, ф.1) и с ростом температуры увеличиваются. Концентрация собственных носителей больше в полупроводнике с меньшей шириной запрещённой зоны, т.е. например у германия (ΔW=0,7 эВ , ni=1019м-3), по сравнению с кремнием (ΔW=1,12 эВ , ni=1015м-3), или арсенидом галлия (ΔW=1,43 эВ , ni=1012м-3).