Osnovy_materialovedenia

Однако многие примеси, оказывая столь негативное воздействие на проводимость, увеличивают механическую прочность.

Недостатком является подверженность атмосферной коррозии.

Применение. Медь – основной проводящий материал электроники. Из неё изготавливают провода, кабели, шины, экраны, детали магнетронов, фольгированный текстолит, гетенакс. Порошок меди используют для проводящих паст и для создания скользящих меднографитовых контактов.

Алюминий Al.

Основное преимущество: не смотря на то, что алюминий имеет существенно большее удельное сопротивление ( Al 1,6Cu ), он в 3,5 раза легче, следовательно на единицу массы удельная

проводимость алюминия в 2 раза выше.

Алюминий чаще встречается в природе и значительно более дёшев. Недостатки:

1.Низкая (относительно меди) механическая прочность, высокая ломкость;

2.Плохая технологичность пайки и сварки.

Получают из глинозёма Al2O3 в расплаве криолита Na3Al F6 при Т=900°С с использованием большого количества электричества.

Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты, содержащий 0,5% примеси марки АЕ, удельное сопротивление =0,028 мкОм·м;

А97 содержит 0,03% примеси, применяется для изготовления фольги, электродов и корпусов конденсаторов.

А999 содержит 0,001% примеси, используется в микроэлектронике для металлизации микросхем. Примеси так же сильно сказываются на электропроводности алюминия.

0,5% Ni, Si, Zn, Fe, As– уменьшает проводимость на 2-3%; 0,5% , Cu, Ag, Mg – уменьшает проводимость на 5-10%; 0,5% V, Ti, Mn– уменьшает проводимость очень сильно.

Алюминий химически очень активный металл. Пленка Al2O3, препятствующая взаимодействию со средой, имеет как положительное так и отрицательное влияние: затрудняет пайку и сварку, но может выполнять функции природной электрической изоляции. При толщине плёнки 0,03 мм пробивное напряжение составляет 100В, 0,04мм – 250В.

Золото Au и серебро Ag

Обладают массой достоинств:

1.Низкое удельное сопротивление;

2.Высокая химическая стойкость;

3.Очень высокая технологичность: хорошо паяются, свариваются; пластичны. Недостатки:

1.Высокая стоимость;

2.Оба (особенно золото) обладают низким сопротивлением абразивному воздействию;

3.Высокая пористость в тонких слоях ,что обуславливает невозможность использования в качестве проводников в микроэлектронике;

4.Золото сильно растворяется в припое ПОС.

Несмотря на всё это, золото находит применение и в микроэлектронике, и в электронике как материал неподвижных контактов. Серебро применяется как материал подвижных контактов.

На основе этих металлов изготавливают проводящие пасты, припои: серебряный ПСр Тпл=400°С; SAC (олово Sn, золото Au, медь Cu).

Явление сверхпроводимости.

У многих металлов и сплавов при температуре, близкой к 0К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления не до 0, но до очень малой величины. Измерить в настоящее время её невозможно, но оценочное значение составляет 10-25 Ом·м.

21

Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется температурой сверхпроводимости. Впервые сверхпроводящее состояние было получено у ртути Hg при Тсв=4,2К. Все сверхпроводники, имеющие Тсв<4,2К называются сверхпроводниками первого рода, а Тсв>4,2К – второго.

Большинство металлов, переходящих в сверхпроводящее состояние, являются сверхпроводниками первого рода, что для практического использования не пригодно.

Хорошие проводники при комнатной температуре - медь, алюминий, золото - никогда не переходят в состояние сверхпроводимости.

Среди сверхпроводников второго рода 13 элементов периодической системы: германий, теллур, селен, кремний под воздействием высокого давления, интерметаллические соединения и сплавы (около 2000 соединений). Среди сплавов наиболее высокой Тсв обладают соединения ниобия (Nb3Ge – Тсв=24K). Наиболее распространёнными являются сверхпроводники керамического типа – хрупкие неметаллические материалы, которые промышленностью выпускаются в виде некой гибкой основы (ленты, проволоки) из хорошего проводника с покрытием.

Применяются в физике сильных магнитных полей, в синхрофазотронах, ускорителях частиц, МГД-генераторах, криотронной вычислительной технике.

Теория сверхпроводимости (Бардин, Купер, Шиффер, США)

Теория БШК.

Предположим, что по объёму кристаллического тела движется электрон. При высоких температурах электрон совершает хаотичное движение, сопровождающееся частыми столкновениями с ионами кристаллической решётки. При низких температурах число столкновений существенно уменьшается, однако взаимодействие электрона с кристаллической решёткой не механическое, а электромагнитное (кулоновское). Поэтому электрон, перемещаясь в решётке, вызывает фонон. Атомы за счёт притяжения ядра к электрону пусть очень незначительно, но смещаются от положения равновесия.

Рисунок 19.

При низких температурах электроны перестают быть «индивидуалистами»: они объединяются в куперовские пары, двигаясь строго друг за другом. Между ними нет непосредственной связи, но есть косвенная. Первый электрон порождает фонон, возбуждая кристаллическую решётку, а второй, двигаясь вслед за первым, поглощают энергию этого фонона. Таки образом суммарное воздействие движения электронов на кристаллическую решётку равно нулю.

Проводниковые материалы высокого сопротивления

К ним относятся металлы и сплавы, у которых значение удельного сопротивления в нормальных условиях составляет не менее 0,3 мкОм·м.

Основная область применения – создание резисторов.

Функции резисторов: регулирование и распределение электроэнергии между цепями и элементами схем. Кроме того огромное количество резисторов служит для преобразования неэлектрических величин в электрические: термо-, фото-, мензорезисторы.

Требования к резистивным материалам весьма различны. Можно выделить ряд общих требований, которые характерны для большинства резистивных материалов:

22

1.Высокое удельное сопротивление;

2.Малое по величине ТКρ;

3.Материал должен обладать стабильностью, то есть минимальным дрейфом удельного сопротивления под действием различных факторов, а так же во времени;

4.Материал должен обладать совместимостью с другими конструктивными и электротехническими материалами;

5.Химическая устойчивость;

6.Технологичность.

Углерод С

Используется в дискретных резисторах в виде тонких плёнок на керамическом основании. Получают путём термического разложения тяжёлого углеводорода (гептан С7Н16). При температуре около 1400К происходит разложение с выделением пиралитического углерода, который близок к графиту: ρ=1 мОм·см, ТКρ=(-2…-4)10-4 1/К. Обладает высокой стабильностью, низким ТКρ и низкой стоимостью. Но номинал таких резисторов не превышает 100 кОм.

Стабильность ТКρ повысить путём легирования бором (2-5%). Боруглеродистые резисторы являются прецизионными с отклонением номинала 0,5%.

Ограничение применения: углерод никогда не используют в качестве материала интегральных резисторов, так как он обладает низкой адгезией: даже при очень высоких температурах давление собственных паров в вакууме мало.

Только с появлением углеродистых паст он вернулся в толстоплёночную технологию (чипрезисторы).

Тантал Та

Тугоплавкий переходный металл в чистом виде обладающий низким удельным сопротивлением. Удельное сопротивление тантала резко повышается при его насыщении азотом и может достигать 250 Ом·см. Немаловажно, что ТКρ≤10-5 1/К.

При окислении тантала получим отличный диэлектрик Та2О5.

В микроэлектронике тантал довольно часто применяется в комплексной танталовой технологии.

Хром Cr

Главное достоинство – высокие адгезионные характеристики. Обладает одним из самых высоких удельным сопротивлением для чистых металлов, химически стоек, широко распространён в природе.

Хром - основной резистивный материал для изготовления низкоомных резисторов в микроэлектронике.

Плёнки хрома получают путём вакуумного испарения из вольфрамовых и молибденовых лодочек.

Cr ПОВ S 200 500 Ом/□ [Ом делённый на квадрат]. Образует сплошную плёнку толщиной 0,1-0,5 мкм.

ТКρ≤10-4 1/К.

Хромсилицидные сплавы и композиции

Повышенным удельным сопротивлением обладают сплавы, которые образуют между компонентами интерметаллические соединения. Среди них особое место занимают силициды – сплавы металлов с кремнием (около 60 металлов) Наиболее высокое сопротивление имеют силициды хрома и железа: CrSi, FeSi2. Именно они используются в качестве высокоомных резистивных материалов.

В технологии микроэлектроники предпочтительно использовать один резистивный материал на всю микросхему. Однако зачастую это невозможно (если разброс номиналов слишком велик). Нередко используют два, реже более двух, материала: в качестве низкоомного – хром, высокоомного – силицид хрома.

Промышленность выпускает около 15 силицидов. Наибольшее распространение получили три из

них:

РС3001 30% Cr, 1% Fe, остальное – Si;

23

РС3710 37% Cr, 10% Ni, остальное – Si; Сплав №3 17% Cr, 14% Fe, остальное – Si;

Удельное поверхностное сопротивление этих сплавов

S 50 1000 Ом/□;

ТКρ<10-4 1/К.

В технологии силицидов большое значение приобретает кислород: кремний относительно легко взаимодействует с кислородом, образует SiO2 – диэлектрическую плёнку на границах зёрен. Это приводит к повышению удельного сопротивления и к существенному изменению ТКρ. Во избежание этого, необходимо быстро изолировать готовые плёнки.

Силицидные сплавы наносят на основание (подложку) методом взрывного испарения: гранула 40-70 мкм силицида падает на нагретый до высокой температуры испаритель и происходит мгновенное испарение.

Если резистивным материалам необходимо работать при повышенной температуре, то нередко используют сплавы на основе меди.

Манганин

86% Cu, 12% Mn, 2% Ni

ρ≤0,48 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (-100…200˚С) составляет 5∙10-6 1/К.

Это сплав с желтоватым оттенком хорошо обрабатываемый механически: можно вытянуть в проволоку диаметром до 0,02 мм.

Для стабилизации параметров его подвергают обжигу после изготовления в вакууме.

Является основным материалом для изготовления катушек стрелочных измерительных приборов, прецизионных проволочных резисторов.

Константан

60% Cu, 40% Ni

ρ ≤ 0,52 мкОм∙м

ТКρ в рабочем диапазоне температур (до 500˚С) составляет - 5∙10-6 1/К. Содержание никеля соответствует примерно максимуму ρ и минимуму ТКρ. Хорошо обрабатывается, так же пластичен как манганин.

ТКρ имеет низкое значение и знак «-» (так как не чистый металл, а сплав).

Применяется для изготовления реостатов, как материал в особо нагруженных резисторах На поверхности константана при нагреве образуется оксидная плёнка, обладающая

электроизоляционными свойствами.

Ещё большую рабочую температуру имеют сплавы никеля и хрома – нихромы.

Марка Х20Н80 содержит 20-23% Cr, 75-78% Ni, 1,5% Mn, небольшой процент Fe. Рабочая температура достигает 1100˚С. Область применения – электронагревательные приборы.

Сплавы для термопар

24

Температура плавления не является главным фактором применения сплава. Главными же являются:

1.Изменение параметров сплава, перераспределение компонентов внутри сплава (миграция).

2.Химическая активность.

3.Коэффициент термоэдс (чем он больше для пары, тем ниже температура испарения). Преимущества использования термопар при измерении температуры: простота; точность,

независящая ни от чего, несмотря на то, что состав сплава сильно влияет на коэффициент термоэдс. Любую термопару градуируют, а затем используют эту кривую.

Недостаток – контактный способ измерения (погрешность зависит от размера термопары).

Полупроводниковые материалы

Полупроводники – материалы с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых лежит в пределах между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков. Главным определяющим фактором при отнесении материала к разряду полупроводников является сильная положительная зависимость от внешних энергонесущих факторов (температура, освещённость, давление, радиация), сильная зависимость удельного сопротивления от степени легирования.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела, полупроводника имеют неширокую зону запрещённой энергии между валентной зоной и зоной проводимости. Эта запрещённая зона оказывает значительное влияние на свойства полупроводников. Условно можно сказать: запрещённая зона составляет 0,3 – 3 эВ при комнатной температуре (ширина запрещённой зоны слегка изменяется в зависимости от температуры).

Электропроводность полупроводниковых материалов

Собственными полупроводниками называют вещества, в которых при данной температуре можно пренебречь влиянием примеси.

Полупроводник при температуре близкой к 0 К ведёт себя как абсолютный диэлектрик, так как все электроны находятся в валентной Зое, намертво привязанные к атому кристаллической решётки, и, следовательно, не способны к перемещению. Однако при повышении температуры существует статистическая вероятность того, что за счёт тепловых колебаний решётки появятся электроны, приобретшие энергию, достаточную для отрыва от атома, то есть для перехода через запрещённую зону, при этом возникает пара свободных носителей заряда, способных к перемещению.

Дырка не элементарная частица, а некая физико-математическая модель, применяемая для описания отсутствия электрона возле атома. Так же как и электроны, дырки под действием электрического поля могут перемещаться по объёму материала

25

где NC и NV - эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно;

n0. NC NV - концентрация атомов в единице объёма;

А – коэффициент, определяющий число возможных оторванных электронов;

E - энергия, необходимая для отрыва электрона (для собственных полупроводников она равна ширине запрещённой зоны).

Эта же формула определяет температурную зависимость концентрации носителей заряда и проводимости:

Рисунок 22.

Примесные полупроводники

Примесными называют полупроводники, электрофизические параметры которых определяются наличием примеси.

Примеси бывают либо примесями внедрения (атомы внедряются в междоузлия и поры кристаллической решётки), либо замещения (атомы занимают места в узлах решётки, образуя связи с атомами основного материала).

И те и другие примеси влияют на величину электропроводности полупроводников. Однако тип проводимости изменяют только примеси замещения. Для полупроводников из примесей замещения выделяются донорные и акцепторные примеси.

Донорнолегированные полупроводники

Донорные примеси – примеси с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, следовательно, они имеют большее число электронов в валентной зоне и при образовании связей с атомами полупроводника один из этих электронов (валентный) окажется незадействованным, следовательно, его легко можно оторвать от полупроводника.

С точки зрения зонной теории, донорная примесь, как и любой дефект кристаллической решетки, создаёт в запрещенной зоне разрешенный для пребывания электронов уровень. При этом примесный уровень располагается вблизи дна зоны проводимости.

Рисунок 23

27

В сильно легированных полупроводниках область истощения примеси не присутствует на графике. По достижении определённой температуры прирост концентрации будет происходить интенсивнее за счёт самого полупроводника.

На участке работы примеси угол наклона прямой определяется энергией, необходимой для перехода с примесного уровня в зону проводимости.

На участке 3 – 4 угол наклона будет определяться шириной запрещённой зоны. Таком образом:

даже сильно легированные полупроводники при определённой температуре начинают вести себя как собственные;

все полупроводники, используемые в электронных приборах, за исключением вырожденных, работают на участке эксплуатационных температур Tэкспл .

Классификация полупроводников

А – первый элемент в химическом соединении, В – второй элемент,

I, II, …, VI – валентность.

29