Методика мт. 1 лекция. Материалы и компоненты электронной техники К. т н., доцент Михеева Елена
 Скачать 490.49 Kb.
|
|
Материалы и компоненты электронной техники К.т.н., доцент Михеева Елена Викторовна К МЭТ можно отнести как электрорадиоматериалы (ЭРМ) - называются материалы и компоненты, несущие электрическую нагрузку или электрическую совместно с механической, так и остальные материалы, несущие только механическую нагрузку, которые называются конструкционными материалами и элементами конструкций. Конечно, инженер электронной техники должен знать как ЭРМ, так и конструкционные материалы. Некоторые ЭРМ, например, пластмассы, являются одновременно и конструкционными материалами. Современный научно-технический прогресс в области электроники прежде всего связан с разработкой и использованием новых материалов. Надежность электронной аппаратуры, быстродействие, экономичность, рабочие температуры, стойкость к ударам, излучениям определяются не столько схемой и конструкцией, сколько использованными материалами. Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств материалов. Классификация материалов электронной техники • Материалы, используемые в электронной технике (МЭТ), можно подразделить на функциональные и конструкционные. Под функциональными МЭТ следует понимать материалы, которые обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронной аппаратуры. При использовании таких материалов в приборах и устройствах электроники, в первую очередь, принимаются во внимание их электрические свойства. В качестве примеров функциональных МЭТ можно назвать резистивные, конденсаторные и электроизоляционные материалы, высокопроводящие и сверхпроводящие вещества, материалы для хранения и записи информации, материалы с нелинейными электрическими свойствами, материалы для активных элементов полупроводниковой электроники, таких как диоды, транзисторы, лазеры, фотодетекторы и др. • Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления корпусов и деталей различных приборов и устройств электронной техники. Как правило, эти материалы выполняют вспомогательные функции, причем корпуса приборов и детали конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров. Классификация материалов электронной техники • По реакции на внешнее электрическое поле функциональные МЭТ принято подразделять на проводники, полупроводники и диэлектрики Объективным критерием, по которому определяют принадлежность материала к той или иной группе, является удельное электрическое сопротивление ρ в нормальных условиях эксплуатации. • Формально к проводникам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 −5 Ом·м. • Диэлектрики — материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом важно иметь в виду, что удельное сопротивление хороших проводников электрического тока может составлять всего лишь 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков оно превосходит значения 10 16 Ом·м. • Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в очень широких пределах — от 10 −5 до 10 8 Ом·м •Проводниковыми называют материалы, основным электрофизическим свойством которых является высокая электропроводность при нормальной температуре по сравнению с другими электротехническими материалами. К ним относятся, с одной стороны, сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление (ρ) которых при очень низких температурах весьма мало, а с другой – материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов. Классификация проводниковых материалов • Полупроводниковыми называют материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниками и диэлектриками, обладают сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также (в большинстве случаев) от внешних энергетических воздействий (температура, освещенность и др.) Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фотоэлектронные приборы и другие полупроводниковые приборы Классификация полупроводниковых материалов Халькогены – химические элементы VIа группы периодической системы: кислород, сера, селен, теллур, полоний. • Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. В различных случаях применения диэлектриков используются пассивные или активные свойства этих материалов. На основе пассивных свойств диэлектрические материалы применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектриками •Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам, а вырожденные полупроводники при высоких температурах – подобно металлам. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным. •Основным электрическим свойством диэлектриков является способность к поляризации, и в них возможно существование электростатического поля. Под поляризацией диэлектрика понимают процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. При применении диэлектриков довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов. •Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Однако резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента Классификация пассивных диэлектриков Классификация активных диэлектриков Магнитные свойства МЭТ • 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). • Диамагнетик – вещество, намагничивающееся навстречу направлению внешнего магнитного поля. У диамагнетиков атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов. • Парамагнетик – вещество, способное намагничиваться в сильном магнитном поле. После снятия магнитного поля намагниченность пропадает, т.е. магнитные моменты ориентируются хаотично. У ферромагнитных материалов магнитные моменты соседних одинаковых решеток выстраиваются в одном направлении (рис.1). На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). Таким образом, в ферромагнетике формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Ферримагнитные материалы имеют две подрешетки, магнитные моменты которых противоположны. При этом если они одинаковы (рис. 2 а), то материалы называются скомпенсированными ферримагнетиками (или антиферромагнетиками). Если магнитные моменты соседних подрешеток различны (рис. 2 б), то материалы называются нескомпенсированными ферримагнетиками. Именно последние имеют μ >> 1. Виды химической связи веществ Основными элементарными частицами являются протоны, нейтроны и электроны. Планетарная модель атома водорода - электрон вращается по орбите вокруг ядра показана на (рисунке,а). В квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией. Заряд электрона диффузно распределен, образуя размытое облако (рисунок,б). Структура атома и молекулы водорода: а – планетарная модель атома; б – квантомеханическая модель электронной структуры двух уединенных атомов; в – квантомехани- ческая модель электронной структуры молекулы водорода. Типы химической связи • Разделение химически активных элементов на металлы и неметаллы позволяет подразделить химические связи на три основных типа: металлическую, ковалентную и ионную. Связь между сильно электроположительными атомами металлов и электроотрицательными атомами неметаллов трактуют как ионную связь. Поскольку она существует между противоположно заряженными ионами, то ее называют гетерополярной . Металлическую и ковалентную связи относят к гомополярным . Металлическая связь реализуется между металлом и неметаллом, ковалентная – между неметаллом и неметаллом. Названные типы связей являются предельными случаями химического взаимодействия. Ионная связь возникает из-за притяжения противоположно заряженных ионов. Наиболее ярким примером конденсированных тел, в которых этот тип связи доминирует, являются щелочно-галоидные кристаллы: NaCl, LiF и др. • Ионная связь возникает при образовании вещества из разноименных атомов. При этом атом одного химического элемента (металла) отдает валентный электрон, слабо связанный с атомом, а другой (как правило, галоген) присоединяет или захватывает электрон, достраивая орбиту атома до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы кулоновского электростатического притяжения. Ионные связи взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков • Донорно-акцепторная связь является разновидностью ионной связи и возникает при образовании вещества элементами различных групп таблицы Менделеева, например соединения типа АIIIBV. В таких полупроводниковых соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон атому другого элемента, называемого акцептором. В результате возникает донорноакцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками. • Ковалентная (атомная) связь возникает между атомами путем образовния общих пар валентных электронов – по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. • Ковалентная неполярная связь возникает при объединении одноименных атомов и молекул, например H 2 , O 2 , Cl 2 , N 2 , S, алмаз, и др. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. Центры положительно- го и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю, т. е. она неполярная или нейтральная. Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников. Электричес- кий момент, отличный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинако- вых по величине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии друг от друга l. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент равен μ = ql. • Ковалентная полярная связь возникает при объединении разноименных атомов, например H2O, CH4, CH3Cl, CCl4 и др. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент. Тем не менее молекула может быть нейтральной или полярной. • В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер – она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Менделеева – SiC, BN. Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические материалы - полиэтилен, политетрафторэтилен) и полупроводниками. • Металлическая связь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Обобществленные электроны слабо связаны с атомами (ионами) и с энергетической точки зрения являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов. •Молекулярная (или остаточная) связь возникает между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения между имеющимися в них зарядами противоположных знаков (силы Ван-дер-Ваальса). Эти связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде, азоте, углекислом газе, во многих органических соединениях (парафин). Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения. • Основные виды связи между атомами (ионами) в конденсированных телах: а – ионная связь в кристалле хлористого натрия; б – металлическая связь; в – ковалентная связь между атомами алмаза; г – силы Ван-дер-Ваальса между атомами аргона; д – водородная связь в молекуле НF 2 Элементы зонной теории твердого тела Физические свойства кристаллов определяются в основном элек- тронами верхних разрешенных зон. Энергетический интервал Eg между «дном» Eс (минимум энергии) самой верхней содер- жащей электроны зоны и «потолком» Ev (максимум энергии) соседней нижней целиком заполненной зоны, называется запрещенной зоной Ниже по шкале энергии может быть еще несколько запрещенных и разрешенных зон. Зона, заполненная электронами частично (может стать пустой при Т = 0 К), называется зоной проводимости . Самая верхняя зона, целиком заполненная электронами даже при Т = 0 К, называется валентной зоной. Схема энергетических зон в диэлектриках (а), полупроводниках (б) Кристаллы, у которых нижние зоны (в том числе валентная) полностью заполнены электронами, а зона проводимости пуста, являются диэлектриками или полупроводниками. Вещества с широкой запрещенной зоной, разделяющей валентную зону и зону проводимости (Eg > 2−3 эВ), условно относят к диэлектрикам, а вещества с более узкой запрещенной зоной (Eg < 2−3 эВ) – к полупроводникам. Необходимым условием электрической проводимости твердого тела является наличие в зоне проводимости свободных энергетических уровней, на которые под действием внешнего электрического поля могли бы перейти электроны. Если зона проводимости заполнена частично и содержит свободные верхние уровни, твердое тело будет проводником Металлы – это кристаллы с частично заполненной зоной проводимости. Проводниками являются также полуметаллы, у которых имеется перекрытие зон с образованием гибридной зоны, причем нижняя зона заполнена, а верхняя пуста, но перекрывается нижней Схема энергетических зон в металлах (в) и полуметаллах (г). E F – уровень Ферми Кристаллы, составленные из атомов или ионов с полностью заполненными оболочками, обычно являются диэлектриками или полупроводниками. Например, щелочно-галоидные кристаллы типа NaCl, у которых все s-электроны катиона переходят на р- оболочку аниона, полностью заполняя ее, – диэлектрики . Однако многие из таких кристаллов в результате перекрытия зон приобретают свойства металлов . Типичный пример металла с подобной зонной структурой – магний. У каждого атома Mg (1s22s22p63s2) в валентной оболочке имеются два электрона. В кристалле магния валентные электроны полностью заполняют 3s- зону. Однако эта зона перекрывается со следующей разрешенной зоной, образованной из 3р-уровней. В полупроводниках при Т > 0 К заметное число электронов переброшено в зону проводимости. При температурах, близких к абсолютному нулю, любой полупроводник становится хорошим диэлектриком. Таким образом, между металлами и диэлектриками существует принципиальное различие, а между диэлектриками и полупроводниками – только количественное. |