Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Институт информационных технологий

А. П. Казанцев, В. И. Пачинин, П. П. Стешенко

Материалы и компоненты электронной техники

Программа, методические указания и контрольные задания

для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника»

вечерней и заочной формы обучения Минск БГУИР 2011 УДК 621.315.5(076) ББК 32.843я7 К14 Рецензент профессор кафедры микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук Б.С.Колосницын Казанцев А.П.

Пачинин В.И.

Стешенко П.П ISBN 978-985-488-696- Казанцев А.П.

К14 Материалы и компоненты электронной техники:

учеб.-метод. пособие / А.П.Казанцев, В.И.Пачинин, П.П.Стешенко.Минск: БГУИР, ISBN 978-985-488-696- 1. Цель и задачи дисциплины и её место в учебном процессе 1.1. Цель преподавания дисциплины Целью курса является изучение свойств основных классов материалов, применяемых в изделиях электроники, их количественных параметров, областей применения, а также получение навыков по использованию материалов для изготовления изделий и компонентов электронных приборов и устройств.

1.2. Задачи изучения дисциплины Основными задачами курса являются изучение физических явлений и процессов, определяющих свойства материалов, и использование полученных знаний при разработке и эксплуатации изделий промышленной электроники, а также изучение физических принципов построения и основных технологических методов изготовления современного класса компонентов электроники – интегральных микросхем (ИМС).

2. Содержание дисциплины и объём в часах:

1. Введение 2 ч.

2. Диэлектрики, диэлектрические материалы и компоненты 14 ч.

на их основе 3. Полупроводники, полупроводниковые материалы и 12 ч.

дискретные компоненты на их основе 4. Интегральные микросхемы 10 ч.

5. Магнетизм, магнитные материалы и изделия из магнетиков 10 ч.

6. Проводники, проводниковые материалы, их применение 4 ч.

3. Наименование тем, их содержание, методические рекомендации и вопросы для самопроверки Тема 1. Введение (2 ч.) Предмет и содержание курса. Значение курса в плане подготовки специалистов в области электроники. Энергетический спектр электронов в твёрдых телах и классификация материалов на основе особенностей энергетического спектра. Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков.

Литература: [1, с.5 - 121, 2, с. 7 - 38; 3, с.19 - 29;].

Методические рекомендации Необходимо уяснить, что все свойства веществ определяются энергетическим спектром электронов. При объединении изолированных атомов и образовании твёрдого тела дискретные уровни электронов этих атомов расщепляются и образуют чередующиеся энергетические зоны, разрешённые и запрещённые. Поскольку свойства веществ определяются валентными электронами, рассматривают только валентную и свободную зоны разрешённых энергий электронов а также (если есть) запрещённую зону между ними. Такую часть энергетического спектра принято называть энергетической диаграммой. Следует обратить внимание, что классификация веществ по электропроводности определяется видом энергетической диаграммы и шириной запрещённой зоны при её наличии.

1. Дайте определение электротехнических материалов.

2. Каков характер энергетического спектра электронов в твёрдых телах?

3. Почему при анализе свойств веществ рассматривается не весь, а только часть энергетического спектра электронов в твердом теле?

4. Нарисуйте энергетические диаграммы основных классов материалов.

5. На какие классы делятся материалы по отношению к электромагнитному полю?

6. В чём отличие энергетических диаграмм проводников, полупроводников и диэлектриков?

Тема 2. Физические процессы в диэлектриках, основные свойства Поляризация диэлектриков, механизмы или виды поляризации. Диэлектрическая проницаемость, её физический смысл и численные значения для диэлектриков различных областей применения. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости.

Электропроводность диэлектриков. Токи, протекающие в диэлектриках.

Объёмное и поверхностное удельные сопротивления твёрдых диэлектриков.

Потери в диэлектриках. Причины возникновения потерь в диэлектриках.

Эквивалентные схемы замещения диэлектриков. Тангенс угла диэлектрических потерь и его частотная зависимость.

Пробой диэлектриков, виды и механизмы пробоя. Электрическая прочность диэлектриков.

Литература: [1, с. 25 – 39; 2, с. 39 - 105; 3, с. 182 - 224].

Свойства веществ определяются физическими процессами, происходящими в них под действием внешних факторов, таких как электромагнитное поле, излучение, температура, механические воздействия и т. д. Поэтому необходимо понять физические процессы, которые определяют наблюдаемые свойства.

Основным свойством диэлектриков, выделяющим их среди других классов материалов, является способность поляризоваться. Следует обратить внимание, что в изучаемом курсе для характеристики диэлектриков, как и других классов материалов, выделяются четыре основных электрофизических свойства, каждое из которых характеризуется определённым количественным параметром.

Необходимо чётко уяснить, что является свойством, в чём оно проявляется и каким количественным параметром оно характеризуется. Следует понять, что количественные параметры позволяют сравнивать вещества по свойствам и определять их возможные области применения. Четыре основных свойства диэлектриков: способность поляризоваться, способность проводить электрический ток, способность нагреваться в электрическом поле и способность образовывать канал с высокой проводимостью под действием высокого напряжения или при высоких электрических полях.

Соответствующими этим свойствам параметрами являются: диэлектрическая проницаемость, удельные объёмное V и поверхностное сопротивления, тангенс угла диэлектрических потерь tg, электрическая прочность ЕПР.

1. Дайте определение диэлектрика.

2. Что является количественной характеристикой (мерой) способности диэлектрика поляризоваться?

3. Что такое поляризация и в чём она проявляется?

4. Какие существуют механизмы поляризации?

5. Как связана частотная зависимость с механизмами поляризации?

6. Что является количественной мерой электропроводности?

7. Какими параметрами пользуются на практике для характеристики электропроводности?

8. Дайте определение подвижности носителей зарядов.

9. Какие токи протекают в диэлектрике?

10. Дайте определение v и s. В каких единицах они измеряются?

11. Как понимать потери в диэлектриках и в чём выражается это явление?

12. Назовите причины возникновения потерь в диэлектриках.

13. Что является количественным параметром, характеризующим потери в диэлектрике?

14. Что такое угол и тангенс угла диэлектрических потерь?

15. Изобразите схемы замещения диэлектриков и соответствующие им векторные диаграммы токов и напряжений.

16. Назовите условия эквивалентности схем замещения реальным диэлектрикам.

17. Для чего используются схемы замещения?

18. Что такое пробой диэлектрика? Дать определение.

19. Перечислите и охарактеризуйте механизмы пробоя диэлектриков.

20. Что является количественным параметром, характеризующим явление пробоя и в каких единицах он измеряется?

Классификация диэлектрических материалов по агрегатному состоянию, поведению в электрическом поле, применению.

Основные характеристики газообразных и жидких диэлектрических материалов. Особенности и области применения. Достоинства и недостатки.

Твёрдые диэлектрические материалы и их деление на органические и неорганические. Методы получения органических термопластичных и термореактивных материалов. Сравнительные характеристики этих классов материалов. Фторсодержащие и кремнийорганические соединения, материалы и области их применения. Пластмассы, методы их получения и изделия из пластмасс. Эластомеры, лаки, клеи, компаунды, области их применения. Волокнистые диэлектрические материалы и слоистые пластики. Основные характеристики и области применения.

Неорганические диэлектрические материалы: слюда, стёкла, ситаллы, керамика. Основные характеристики. Области применения. Типы технических стекол. Методы получения изделий. Виды керамики по назначению. Методы получения изделий из керамики. Активные диэлектрики, области их применения. Материалы квантовой электроники.

Литература: [1, с. 39 - 57; 2, с. 105 - 230; 3, с. 225 - 259; 13, с. 228 - 255].

Деление диэлектрических материалов осуществляется по различным классификационным признакам, которые следует усвоить.

Для газообразных диэлектриков характерно использование в электрических изделиях под давлением с целью повышения электрической прочности.

Следует обратить внимание, что газообразные диэлектрики обладают высокими значениями v и малыми значениями, tg, а также обладают способностью восстановления электрической прочности после снятия пробивного напряжения.

Для жидких диэлектриков на основе нефтяных масел характерны разнообразные области применения. Основными их достоинствами являются высокая теплопроводность и способность к погашению дугового разряда. Применение синтетических жидкостей для пропитки волокнистых материалов позволяет повысить их электрическую прочность, получить слоистые пластики и лакоткани.

При получении твёрдых органических диэлектрических материалов необходимо понять, что полимеризацией получают термопластичные материалы, а поликонденсацией – термореактивные. Особенности получения и химического состава определяют свойства и области применения этих групп материалов для изоляции и в конструкционных изделиях. Необходимо запомнить технические названия основных полимерных материалов и ориентироваться в областях их применения.

Следует знать методы получения изделий из пластмасс и пенопластов, ориентироваться в видах изделий из них и областях их применения.

Необходимо разобраться, для чего используют эластомеры и компаунды, по какому признаку классифицируют лаки и клеи, ориентироваться в областях их применения, достоинствах и недостатках.

Основным недостатком волокнистых диэлектрических материалов является их пористость, поэтому с целью повышения их электрической прочности и получения хороших механических свойств выполняют их пропитку, сушку, прессование. Следует запомнить технические названия непропитанных волокнистых материалов, лакотканей и слоистых пластиков, а также знать области их применения.

Неорганические диэлектрические материалы подразделяют на три класса, названия которых следует запомнить. Необходимо знать области применения различных типов слюды и названия типов технических стёкол. Следует обратить внимание, что основным электрофизическим параметром стёкол, применяемых в электротехнических и электровакуумных изделиях, является температурный коэффициент линейного расширения.

Ситаллы и специальные виды керамики используют для изготовления подложек интегральных микросхем, благодаря их особым свойствам, на которые следует обратить внимание.

Существует большое количество типов керамики, но для электротехнических целей используют только отдельные ее виды, названия которых следует запомнить. Керамические диэлектрические материалы делятся на пассивные и активные. В свою очередь, по назначению пассивные материалы делятся на установочные и конденсаторные виды керамики, отличающиеся численным значением диэлектрической проницаемости, на что следует обратить внимание.

Необходимо запомнить названия активных диэлектрических материалов, разобраться в физических явлениях, обеспечивающих специфические свойства и области их применения.

Материалы квантовой электроники выделяют в отдельный класс в связи с особым их применением. Следует запомнить названия основных материалов, применяемых в изделиях квантовой электроники.

Заканчивая изучение темы, следует усвоить, что диэлектрические материалы используют для электрической изоляции, в конденсаторах и в конструкционных изделиях. При этом один и тот же материал может применяться в любой из этих областей.

1. Дайте определение термина «диэлектрические материалы» (ДМ).

2. Как подразделяются ДМ по агрегатному состоянию?

3. Назовите достоинства газообразных ДМ и области их применения.

4. Перечислите классы основных жидких ДМ.

5. Каковы методы получения полимерных ДМ?

6. Перечислите основные полимерные термопластичные ДМ.

7. Где в основном применяют полимерные термореактивные материалы?

8. Какими свойствами и параметрами отличаются термопластичные и термореактивные ДМ?

9. Каковы области применения пластмасс, пенопластов, эластомеров, компаундов?

10. Как классифицируются лаки по применению?

11. Перечислите основные типы волокнистых ДМ.

12. Каков основной недостаток волокнистых ДМ и как он устраняется?

13. Что такое слоистые пластики, как они называются и получаются?

14. Перечислите основные классы неорганических ДМ.

15. Где применяются слюдяные ДМ?

16. Перечислите типы технических стёкол.

17. Что такое ситаллы и где они применяются?

18. Какие типы керамики используются в электротехнических изделиях и для чего?

19. Какие типы керамики выделяют по применению и по какому параметру их подразделяют?

20. Каковы основные операции процесса изготовления керамических изделий?

21. Перечислите наиболее известные типы активных ДМ.

22. Какие материалы и для чего используются в квантовой электронике?

Тема 4. Компоненты электроники на основе диэлектрических Конденсаторы постоянной и переменной ёмкости, номинальные значения ёмкости. Типы конденсаторов постоянной ёмкости: бумажные, металлобумажные, слюдяные, полистирольные, керамические дисковые и трубчатые, стеклоэмалевые, плёночные, электролитические. Номиналы, рабочие напряжения. Материалы диэлектриков для конденсаторов. Конструкционные изделия на основе ДМ.

Литература: [14, с. 5 - 18, с. 125 - 169] Следует чётко различать применение ДМ для изоляции в конденсаторах и конструкционных изделиях. Для изоляции обмоточных проводников применяют в основном жидкие диэлектрические материалы в виде лаков и масел, текстильные и полимерные материалы – для изоляции гибких проводов различного назначения. В конденсаторах применяют ДМ, соответствующие названиям типов конденсаторов. Существует очень большой набор типов конденсаторов. Поэтому необходимо запомнить названия наиболее широко применяемых типов конденсаторов, иметь представление об их конструктивных особенностях, типоразмерах, диапазонах номиналов, рабочих напряжениях и предпочтительных частотных диапазонах применения.

Применение ДМ для конструкционных изделий весьма разнообразно.

Поэтому необходимо запомнить наиболее распространённые ДМ, в том числе из пластмассовых материалов и слоистых пластиков.

1. Для каких целей применяются твердые и жидкие диэлектрические материалы?

2. Чем изолируются обмоточные провода?

3. Чем изолируются гибкие монтажные провода?

4. Какие ДМ используют в качестве диэлектриков для конденсаторов?

5. Какие существуют типы бумажных конденсаторов?

6. На какие номиналы рассчитаны бумажные и металлобумажные конденсаторы?

7. Какие существуют типоразмеры слюдяных конденсаторов и каков диапазон их номиналов?

8. Перечислите наиболее распространённые типы электролитических конденсаторов. Из каких материалов они изготавливаются?

9. Каков диапазон номиналов электролитических конденсаторов?

10. Какие ДМ используют для конструкционных изделий?

11. Перечислите основные конструкционные изделия из ДМ.

Тема 5. Полупроводники: свойства и количественные Собственные и примесные полупроводники. Энергетические диаграммы, типы носителей зарядов.

Уровень Ферми, концентрация носителей зарядов, энергетическое положение электронов примесных атомов. Электропроводность полупроводников. Удельная проводимость собственных и примесных полупроводников, подвижность носителей заряда. Основные количественные параметры, определяющие способность полупроводников проводить электрический ток.

Температурная зависимость уровня Ферми в собственных и примесных полупроводниках. Температуры истощения примесей и перехода к собственной проводимости. Температурные зависимости концентрации, подвижности, собственной и примесной проводимости. Энергии активации собственной и примесной проводимости, являющиеся количественными параметрами полупроводников.

Фотопроводимость полупроводников. Энергетическая диаграмма полупроводника и механизм генерации фотоносителей. Спектральная характеристика фотопроводимости и красная граница внутреннего фотоэффекта. Основные закономерности внутреннего фотоэффекта.

Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях:

основные закономерности.

Литература: [1, с.58 - 65; 2, с. 293 - 330; 3, с. 90 - 119; 5, с. 27 - 47;

6, с.105 – 169].

При анализе энергетических диаграмм, необходимо чётко понимать откуда и за счёт чего в полупроводниках появляются свободные носители заряда. В собственных полупроводниках свободными носителями являются электроны зоны проводимости и дырки валентной зоны, которые принадлежат собственным атомам. По этой причине полупроводник называют собственным. В примесных полупроводниках свободными носителями могут быть либо свободные электроны донорных атомов, примеси, перешедшие в свободную зону, либо дырки собственных атомов, которые появились в валентной зоне за счёт захвата валентных электронов собственных атомов акцепторными атомами примеси. Примесные полупроводники по типу носителей заряда принято разделять на электронные, или n-типа и дырочные, или p-типа, а по типу примесных атомов – на донорные или акцепторные, соответственно.

Концентрация носителей заряда – один из основных параметров, определяется шириной запрещённой зоны Еg в собственном полупроводнике. В примесном полупроводнике она определяется энергией активации примесных носителей заряда ЕД или ЕА и уровнем генерации носителей заряда, в частности, температурой.

Электропроводность полупроводников определяется концентрацией и подвижностью носителей заряда, энергией активации собственной или примесной проводимости и температурой. Поэтому, изучая электропроводность полупроводников, следует разобраться, как указанные факторы влияют на величину удельной проводимости. Следует также учесть, что в примесных полупроводниках с узкой запрещённой зоной в диапазоне рабочих температур могут появиться собственные носители заряда, что привело к введению понятий «основных» и «неосновных» носители заряда.

Следует уяснить, что основными количественными параметрами полупроводников являются: ширина запрещённой зоны Еg, энергия активации примесной проводимости ЕД или ЕА, концентрация носителей зарядов ni, NД, NA, подвижность носителей зарядов n, p.

При изучении температурной зависимости уровня Ферми следует обратить внимание, что его положение в собственном полупроводнике определяется соотношением эффективных масс электронов и дырок (см. формулу (4.88), [6]) и для широкозонных полупроводников в рабочем интервале температур изменением положения уровня Ферми можно не учитывать.

Для примесных полупроводников температурная зависимость уровня Ферми более сложная, но по этой зависимости определяются аналитически температура истощения примеси Тs и температура перехода к собственной проводимости Ti (см. формулы (4.116), (4.118), [6]). При достижении Ts все атомы донорной примеси отдают электроны в свободную зону, а все атомы акцепторной примеси захватывают электроны из валентной зоны. В обоих случаях концентрация свободных носителей численно равна концентрации