Министерство образования российской федерации государственное образовательное учреждение высшего профессиональ­ного образования таганрогский государственный радио­технический университе

Методическое пособие

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ

ТЕХНИКИ

ЧАСТЬ 1

Конспект лекций

Для студентов специальностей 210200, 210600

Таганрог 2006

УДК 621.315.4/61:621,38(075.8)+621.38.002.3(075.8)

Составители: О.Н. Негоденко, С. П. Мирошниченко.

Методическое пособие «Материалы электронной техники» Часть 1. Конспект лекций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, 66с.

Ил. 60. Библиогр.: 14 назв.

В пособии приводятся основные физические явления в диэлектриках, описываются их электрические, физико-химиче- ские и механические свойства. Методическое пособие предна­значено для специальностей 210200, 210600, а также может быть полезно студентам радиотехнических специальностей.

Рецензент Е. Т. Замков, кандидат технических наук, до­цент кафедры КЭС, ТРТУ

Введение

Целью курса является изучение физической сущности явлений, проте­кающих в электрорадиоматериалах (ЭРМ), их свойств, областей использова­ния и правил выбора. ЭРМ называются материалы и компоненты, несущие электрическую нагрузку или электрическую совместно с механической. Остальные материалы, несущие только механическую нагрузку, называются конструкционными материалами и элементами конструкций. Конечно, ра­диоинженер должен знать как ЭРМ, так и конструкционные материалы. Не - которые ЭРМ, например, пластмассы, являются одновременно и конструк­ционными материалами. Такие конструкционные материалы как стали, цветные металлы и их сплавы рассмотрены в приводимой ниже литературе, но в курсе ЭРМ не рассматриваются. Поскольку авторами и другими препо - давателями ТРТУ ранее был издан ряд учебных пособий по отдельным раз­делам курса, материал этих разделов не включен в курс лекций (рекоменду­ется изучать изданные раннее пособия).

Научно-технический прогресс в области радиоэлектротехники прежде всего связан с разработкой и использованием новых материалов. Надеж­ность РЭА, быстродействие, экономичность, рабочие температуры, стой­кость к ударам, излучениям определяются не столько схемой и конструкци­ей РЭА, сколько использованными материалами.

1. Общие сведения о строении и классификации материалов

Качественные скачки в развитии радиоэлектроники возможны лишь за счет использования новых материалов и новых физических эффектов. Так, внедрение в 50 х годах 20 столетия ферритов позволило резко уменьшить габариты катушек индуктивности, трансформаторов, СВЧ переключателей, матриц памяти для ЭВМ. Использование полупроводников и полупроводниковой технологии в 60 е годы позволило резко уменьшить габариты и потребляемую мощность РЭА и ЭВА. Технология группового производства дала толчок развитию новых направлений микроэлектроники. В 70 е годы начали активно внедряться сверхпроводники, появилась функциональная электроника (устройства на поверхностных акустических волнах, акусто-электронные устройства, хемотронные устройства, устройства на цилиндрических магнитных доменах). В настоящее время активно развиваются нано- электроника, вакуумная микроэлектроника.

Радиоматериалы делятся на активные и пассивные. Пассивные ЭРМ используются для изготовления резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т.д., т.е. элементов, не связанных с преобразованием информации. ЭРМ, используемые для изготовления транзисторов, диодов, лазеров и т.д., т.е. элементов, связанных с преобразованием информации, называются активными материалами. ЭРМ работают в электрических и магнитных полях. По поведению в электрическом поле ЭРМ делят на проводники, полу-проводники, диэлектрики, по поведению в магнитном поле - магнитные и немагнитные.

К проводниковым материалам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^-5 Ом*м, к диэлектрикам - ρ > 10⁹ Ом*м , к полупроводникам - с ρ = 10^-6 - 10⁹ Ом*м. Ряд материалов одновременно являются и диэлектриками, и полупроводниками в зависимости от температуры окружающей среды, агрегатного состояния. Материалы различаются и по ширине запрещенной зоны: проводники, если ΔЕ ~ 0, полупроводники, если ΔЕ <(2-3)эВ, диэлектрики, если ΔЕ >(2-3)эВ. По агрегатному состоянию материалы делят на твердые, жидкие, газообразные. По структуре - на монокристаллические, поликристаллические, аморфные и смешанные.

Монокристаллы состоят из одинаковых кристаллических ячеек, расположенных в правильном порядке (кубических, ромбических, тетрагональных, тригональных, гексагональных, орторомбических и др.). Атомы или ионы располагаются в узлах решетки, в центре, в центре грани. Монокристаллы анизотропны, т.е. их свойства различны в разных направлениях.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа мелких кристалликов, хаотически ориентированных в разных направлениях. Они изотропны, т.е. их свойства одинаковы в любом направлении.

Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов или ионов.

Смешанные материалы - в аморфную среду вкраплены кристаллики.

Связь между атомами бывает ионной, ковалентной (атомной), металлической, молекулярной.

Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Характерна для неорганических диэлектриков (NaCl, LiF).

Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образования общих пар валентных электронов. Такую связь имеют Si, Ge, алмаз, соединения из элементов средних групп таблицы Менделеева (SiC, BN), а также органические соединения (полиэтилен С2Н4, политетрафторэтилен C2F4, газы Н2, 02, N2).

Металлические связи возникают между положительно заряженными ионами металлов и обобществленным электронным облаком.

Молекулярные связи существуют между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения находящихся в молекулах зарядов противоположного знака (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи очень слабы, поэтому вещества, имеющие этот вид связи, легко размягчаются при нагревании, имеют низкие температуры плавления.

Особым видом связи является водородная - через ион водорода, расположенном между двумя ионами, характерна для Н20.

По магнитным свойствам материалы делятся на диамагнетики (магнитная проницаемость μ < 1, но μ ~ 1), парамагнитные (μ > 1. но μ ~ 1), ферромагнитные (μ >> 1), ферримагнитные (μ >> 1). У ферромагнитных материалов магнитные моменты соседних одинаковых решеток выстраиваются в одном направлении (рис. 1).

Рис.1

Ферримагнитные материалы имеют две подрешетки, магнитные момен­ты их противоположны, при этом если они одинаковы (рис. 2 а), то материа­лы называются скомпенсированными ферримагнетиками (или антиферро­магнетиками). Если магнитные моменты соседних подрешеток различны (рис.2б), то материалы называются нескомпенсированными ферримагнетиками. Именно последние имеют μ>> 1.

Диэлектрики делятся на неполярные (нейтральные) и полярные. У непо­лярных диэлектриков молекула симметрична и электрический момент моле­кул равен нулю. У полярных диэлектриков молекула ассиметрична, электри­ческий момент высок (электрический момент – произведение заряда на рас­стояние между зарядами противоположного знака).

Все реальные материалы имеют дефекты в своем строении. Дефекты де­лятся на точечные, линейные, объемные.

К точечным дефектам относят дефекты по Френкелю (рис. 3 а) - смещение атома из узла решетки в междоузлие, к дефектам по Шоттки (рис. 3 6)- отсутствие атома в узле решетки.

Линейные дефекты - смещение одной части решетки относительно дру­гой (дислокации линейные, винтовые, криволинейные, угловые).

Объемные дефекты - пустоты, скопление дислокаций.

Дефекты существенно влияют на свойства материалов, особенно монокристаллических.

Магнитные материалы могут быть проводниками, полупроводниками, диэлектриками. Все эти материалы имеют более обширную классификацию, которую удобно показывать на рисунках. Классификация пассивных диэлек­триков приведена на рис. 4.

Диэлектрики пассивные

органические кремнийоргнические неорганические

полярные неполярные неполярные неполярные

термопластичные

термореактивные слюда стёкла керамика

термопластичные

полихлорвинил термопластичные

оргстекло

фторопласт-3 полиэтилен-

полиамидные фенолформаль- силоксан,

смолы; дегидные полипропилен-

полиимидные смолы, полиэтилен, силоксан,

смолы; лавсан; глифталевая полипропилен, полифенилен-

целлюлоза, смола, полиизобутилен, силоксан.

фенолформаль- эпоксидные полистирол,

дегидные смолы, фторопласт-4,

и новолачные фенопласты, каучуковые

смолы, аминопласты, материалы

каучуковые слоистые и

материалы древесные пластики

Рис.4

Пьезоматериалы

пьезоэлектрики

Электреты - это вещества с большой и длительно сохраняющейся оста­точной поляризацией, т.е. электрет является формальным аналогом постоян­ного магнита. В настоящее время электретное состояние наблюдается, более чем у 70 диэлектриков. Они используются для изготовления микрофонов, в качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и влажности, в вычислительных машинах, для измерения механи­ческих вибраций.

Классификация полупроводников приведена на рис. 15

Классификация проводников показана на рисунке 16

Рис. 16

Классификация сверхпроводников приведена на рис. 17

Рис.17

Классификация магнитных материалов представлена на рис. 18

Рис.18

На основе ЭРМ выпускаются РК, классификация которых показана на рис. 19. При построении РК произошло развитие особых направлений в науке, которые получили следующие названия: акустоэлектроника, магнитоэлектроника, криотроника, оптоэлектроника, хемотроника, фононика, приборы с поверхностным переносом заряда (ППЗ), полупроводниковая и диэлектрическая негатроника. Некоторые области знаний усиленно развиваются и сегодня, другие, развившись, отошли на задний план (ПЗС, хемотроника). Со временем картина развития меняется, появляются новые области знаний.

Схемотехнические эквиваленты РК РК Вопросы о качестве РК

(фильтров, колебательных контуров,

катушек индуктивности,

конденсаторов, резисторов) Преобразователи информации

Энергопередатчики

Преобразователи величин

контактные устройства,

Концентраторы энергии теплопередающие устройства,

линии задержки,

приборы с переносом заряда

радиолампы,

импеданса (широкополосные транзисторы

электрической (конденсаторы), импульсные трансформаторы) биполярные

магнитной (катушки электроэнергии в свет и полевые,

индуктивности), (элементы индикации), приборы с S и N

электромагнитной световой энергии в электрическую обратной ВАХ

(колебательные контура, (солнечные элементы),

линии задержки, фильтры) электроэнергии в тепловую

(резисторы, силовые трансформаторы),

энергию внешних воздействий в электроэнергию

(сенсоры), электроэнергию в механическую

(электромеханические фильтры)

Одной из интересных областей знаний, является микросхемотехника, связанная с построением эквивалентов РК, аналогов приборов с S и N образными ВАХ. Безусловно, развитие науки о РК сопровождается исследованиями их качества. Все РК делятся на РК широкого применения, которые в больших количествах выпускаются заводами, и РК частного применения, которые проектируются и изготовляются по частным требованиям. Их конструкция зависит от конструкции и назначения изделия, в котором они применяются, от освоенных процессов на заданном производстве.

К РК предъявляется много требований, главными из которых являются

надежность, экономичность и технологичность. Надежность характеризуется интенсивностью отказов λ_i, причем

λ_i

где ΔN – количество вышедших из строя РК за время испытания Δt; N_ср – количество РК в испытываемой партии

Интенсивность отказов устройства

Экономичность связана с дешевизной применяемых материалов и оборудования техпроцессов. Технологичность – способность РК изготавливаться по простым и дешевым технологиям.

Понятно, что основные качества РК зависят от качества применяемых материалов, правильности их выбора. Прогресс в радиоэлектронике идет по схеме: новые материалы и техпроцессы – новые активные элементы – новая схемотехника, а иногда и системотехника. Так, развитие микроэлектроники позволило не только повысить надежность систем, повысить их сложность, но и уменьшить габариты и потребляемую мощность.

Таким образом, роль РМ в радиоэлектронике является определяющей.