Раздел 1. Основные процессы в проводниковых материалах

Саратов 2008

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью изучения дисциплины является: получение знаний в области материаловедения, которые позволят инженеру электронной техники профессионально решать следующие научно технические задачи:

1. Разработка и внедрение новых материалов и технологий в производство изделий электронной техники.

2. Создание электронных приборов и устройств с качественно новыми характеристиками на новых физических эффектах.

3. Контроль качества и свойств материалов электронной техники и приборов на их основе.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать: физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах в различных условиях их эксплуатации; классификацию материалов по свойствам и назначению; физические основы и области применения методов исследования свойств материалов.

Студент должен уметь: правильно выбрать материалы для изготовления элементов электронной аппаратуры заданного назначения с учетом допустимых нагрузок, влияния внешних факторов, технологичности, стоимости; использовать стандартную терминологию, определения и обозначения; выбирать экспериментальную технику и методику решения конкретной задачи исследования свойств, состава и структуры материалов; пользоваться полученными знаниями при изучении других дисциплин.

Дисциплина связана с предшествующими ей дисциплинами «Физика», «Физическая химия» и последующими дисциплинами «Физические основы электронной техники» и «Технология и автоматизация производства электронных приборов и устройств», «Твердотельные приборы и устройства».

 

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

 

Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана и место в подготовке инженера.

Основные этапы развития электроники. Роль материалов в развитии элементов базы электронной техники, повышении эффективности и надежности электронной аппаратуры. Классификация материалов по электрическим и магнитным свойствам. Общая характеристика современных методов исследования материалов электронной техники.

 

Раздел 1. Основные процессы в проводниковых материалах

 

Природа электропроводности металлов. Температурная зависимость удельного сопротивления. Влияние примесей и структурных дефектов на проводимость металлов. Правило Маттисена. Электрические свойства металлических сплавов, их зависимость от структуры и состава. Методы исследования электрических свойств. Сопротивление проводников на высоких частотах. Способы уменьшения потерь высокочастотных вводов. Контактные явления и термо-ЭДС. Сопротивление тонких металлических пленок, размерные дефекты. Вакуумные, эмиссионные и радиационные свойства металлов.

Металлы и сплавы различного технического назначения

Классификация проводниковых материалов по свойствам и назначению. Металлы высокой проводимости. Сплавы высокого сопротивления. Применение в вакуумных и газоразрядных приборах. Особенности их обработки и применения, получение согласованных слоев со стеклом. Методы очистки металлов и сплавов. Способы получения тонких пленок. Неметаллические проводники. Резистивные материалы. Аморфные металлы. Элементы вакуумных и газоразрядных приборов.

 

Кремний и германий

 

Кристаллическое строение, основные физико-химические и электрические свойства кремния и германия. Поведение примесей. Разновидности микродефектов структуры и способы их контроля. Радиационные дефекты и радиационная стойкость кристаллов.

Получение кремния и германия, способы очистки и выращивания монокристаллов. Осаждение эпитаксиальных слоев. Маскирующие и пассивиру-ющие слои на поверхности кремния. Применение в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах. Поликристаллический и гидрогенизированный аморфный кремний, особенности их свойств, методы получения, применение в интегральных микросхемах и фотоэлектрических преобразо-вателях.

 

Активные диэлектрики

Сегнетоэлектрики. Особенности поляризации. Диэлектрический гистерезис, природоспонтанной поляризации. Применение сегнетокерамики и сегнетоэлектрических монокристаллов.

Пьезоэлектрики. Физическая природа пъезоэффекта. Пьезоэлектрические кристаллы и пъезокерамика. Применение в электронике.

Пироэлектрики. Сущность пироэлектрического эффекта, применение в тепловых приемниках излучения.

Электреты. Природа гомо- и гетерозаряда. Стабильность электретного состояния. Области применения.

Диэлектрики для твердотельных лазеров. Требование к матрице и активатору. Принципы генерации когерентного излучения. Кристаллические и стеклообразные матрицы. Выращивание лазерных кристаллов.

Электрический эффект и электрооптические кристаллы. Модуляторы оптического излучения.

Жидкие кристаллы. Особенности мезоморфного состояния. Классификация по типу мезофазы. Термооптические и электрооптические эффекты. Применение в устройствах отображения информации. Люминофоры. Классификация по составу и способу возбуждения люминесценции. Механизмы люминесценции. Активаторы и соактиваторы люминесценции. Основные этапы синтеза люминофоров и способы нанесения на подложку.

 

Магнитные материалы

 

Классификация магнитных материалов по свойствам и техническому назначению. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей. Применение в трансформаторах, линейных и циклических ускорителях. Высокочастотные магнитные материалы, применение в радиоэлектронике. Ферриты для устройств СВЧ.

Магнитотвердые сплавы и ферриты. Применение постоянных магнитов в электронной технике. Материалы для магнитной записи.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

В проводниковых материалах

 

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях, и газы.

Изучите физическую природу электропроводности металлов, температурную зависимость удельного сопротивления металлических проводников, электрические свойства металлических сплавов, сопротивление проводников на высоких частотах, сопротивление тонких металлических пленок, контактные явления и термо-ЭДС.

Рассмотрите классификацию проводниковых материалов. Обратите внимание на основные физические, химические, механические, эксплуатаци-

 

онные свойства материалов и области их применения в электронной технике.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ

КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Контрольные задания 1

 

Вариант 1

1. Основные виды химической связи в материалах и чем они обусловлены. Приведите примеры.

2. Каким образом производится кристаллизационная очистка кремния и германия? Какой метод получил наиболее широкое распространение для выращивания крупных монокристаллов этих полупроводников.

 

Вариант 2

1. В чем различия между монокристаллами, поликристаллическими и аморфными веществами?

2. Какие свойства полупроводниковых соединений типа А³В⁵ вам известны? Назовите области их применения.

 

Вариант 3

1. Приведите примеры точечных и протяженных дефектов структуры в реальных кристаллах.

2. Какие полупроводниковые материалы используются для изготовления инжекционных лазеров и светодиодов? Опишите их свойства.

Вариант 4

1. Чем различаются зонные структуры проводника, полупроводника и диэлектрика.

2. Для каких целей перспективно использование полупроводников А⁴В⁶ и твердых растворов на их основе?

Вариант 5

1. Как можно классифицировать проводниковые материалы?

2. Что называют поляризацией диэлектрика? Какие виды поляризации можносчитать мгновенными, а какие являются замедленными?

Вариант 6

1. Какие свойства меди обусловливают ее широкое применение в электронной технике? Что такое «водородная болезнь» меди?

2. Опишите эпитаксиальные методы осаждения полупроводниковых слоев.

Вариант 7

1. Какими преимуществами и недостатками по сравнению с медью обладает алюминий как проводниковый материал?

2. Что называют диэлектрическими потерями? Какие механизмы диэлектрических потерь вам известны?

Вариант 8

1. Какие металлы и в каких условиях могут переходить в состояние сверхпроводимости? Что является причиной образования куперовских пар?

2. В чем сходство и различие между ситаллом и стеклом? Какова технология изготовления ситаллов и для каких целей они применяются?

Вариант 9

1. Какие металлические сплавы нашли применение в электронной технике и для каких целей?

2. От каких факторов зависят пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрической керамики? В чем преимущества пьезокерамики перед монокристаллическими пьезоэлектриками?

Вариант 10

1. Каким образом обеспечивается прочность и формоустойчивость вольфрамовых нитей и спиралей при высоких температурах эксплуатации?

2. Приведите примеры установочных высокочастотных керамических диэлектриков. Назовите наиболее характерные области их применения?

Вариант 11

1. Чем обусловлено широкое применение тантала в электронной технике?

2. Какие магнитомягкие материалы имеют высокое значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях? Области их применения.

Вариант 12

1. Почему ферромагнитные металлы обладают нелинейной зависимостью удельного сопротивления от температуры? Какие основные требования предъявляются к диэлектрику как лазерному материалу?

2. Какие элементы и почему наиболее часто используются в качестве активаторов люминесценции в твердотельных лазерах?

Вариант 13

1. Что понимают под мягкими и твердыми припоями? Назовите основные характеристики.

2. Какие магнитные материалы обладают прямоугольной петлей гистерезиса? Каково их основное применение?

Вариант 14

1. Назовите неметаллические проводниковые материалы и приведите примеры их применения вэлектронной технике.

2. Какие физические принципы положены в основу магнитной записи и воспроизведения информации? Какие материалы используются для этих целей?

 

Контрольные задания 2

 

При выполнении вариантов требуется подобрать материал для деталей, указанных взадании устройств. Получив у преподавателя исходные данные, в том числе условия работы приборов и устройств, произвести обоснованный выбор материалов, описать их свойства, обусловливающие их применение в предлагаемом варианте.

 

Вариант 1

Изобразите схему и подберите материалы для металлокерамического узла, получаемого торцевой пайкой в специальном приспособлении (приложение А, рис. 1). Литература [4].

Вариант 2

Изобразите схему и подберите материалы для сборного металлокерамического узла на конической посадке для пайки (приложение А, рис. 2). Литература [4].

Вариант 3

Изобразите схему и подберите материалы для металлокерамического узла полупроводникового прибора (приложение А, рис. 3 б). Литература [7].

 

Вариант 4

Изобразите схему и подберите материалы для металлокерамического узла полупроводникового прибора (приложение А, рис. 3 г). Литература [7].

 

Вариант 5

Изобразите схему и подберите материалы для металлокерамического узла полупроводникового прибора (приложение А, рис. 3 д). Литература [7].

Вариант 6

Изобразите схему и подберите материалы для корпусов транзисторов (приложение А, рис. 4 а). Литература [5].

 

Вариант 7

Изобразите схему и подберите материалы для корпусов транзисторов (приложение А, рис. 4 б). Литература [5].

 

Вариант 8

Изобразите схему и подберите материалы для корпусов транзисторов (приложение А, рис. 5 а). Литература [5].

Вариант 9

Изобразите схему и подберите материалы для корпусов транзисторов (приложение А, рис. 5 б). Литература [5].

 

Вариант 10

Изобразите схему и подберите материалы для фланцевых соединений с металлическим уплотнением (приложение А, рис. 6 в). Литература [6].

 

Вариант 11

Изобразите схему и подберите материалы для бесфланцевых грибковых соединений с резиновыми уплотнениями (приложение А, рис. 7 а). Литература [6].

Вариант 12

Изобразите схему и подберите материалы для бесфланцевых грибковых соединений с резиновыми уплотнениями (приложение А, рис. 7 б). Литература [6].

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

И КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Лабораторная работа 1. Исследование механических свойств

материалов, применяемых в электронной технике

 

Контрольные вопросы

1. Что такое кривая растяжения и о каких механических свойствах материалов можно судить по ней?

2. Какими константами характеризуются упругие свойства твердых тел и какая связь существует между ними?

3. Объяснить механизм пластической деформации твердых тел.

4. Как нарушения кристаллической структуры влияют на механические свойства твердых тел?

5. Каков механизм хрупкого и вязкого разрушения?

Литература

1. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов: учебник для вузов / B.C. Золотаревский, О.М. Коновалова. Μ.: Металлургия, 1983. 350 с.

2. Бушманов Б.Н. Физика твердого тела / Б.Н. Бушманов, Ю.А. Хромов. М.: Высшая школа, 1971. 222 с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пасынков В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, B.C. Сорокин. М.: Высшая школа, 1986. 368 с.

2. Богородитский Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородитский, В.В.Пасынков, Б.М. Тареев. Л.: Энергия, 1985. 304 с.

3. Корицкий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам / Ю.В. Корицкий. М.: Энергия. Т.1. 1986. 368 с.

4. Керамика и ее спаи с металлами в технике / В.А. Преснова, М.Л. Любимов, В.В. Строгонова и др. М.: Атомиздат, 1969. 232 с.

5. Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / А.И. Курносов, В.В. Юдин. М.: Высшая школа, 1986. 368 с.

6. Закиров Ф.Г. Откачник вакуумщик / Ф.Г. Закиров, Е.Н. Николаев. М.: Высшая школа, 1977. 253 с., ил.

7. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / А.И. Курносов. М.: Высшая школа, 1980. 327 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

 

Рис. 1. Пример сборки металлокерамического узла для торцевой пайки

 

 

Рис. 2. Пример сборки металлокерамического узла на конической посадке для пайки

 

 

а	в
б	г
д

 

Рис. 3. Металлокерамические изоляторы в корпусах ПП:

а, б – патронных; в, г – таблеточных; д – с винтом

а

б

 

Рис. 4. Конструкции корпусов транзисторов:

1 – кристаллодержатель; 2 – проходной изолятор; 3 –крышка; 4 – выводы

 

а

б

 

Рис. 5. Конструкции корпусов туннельных диодов: 1 – кристаллодержатель;

2 – верхний фланец; 3 – керамическая втулка; 4 – крышка

 

а   б

Рис. 6. Схемы фланцевых соединений с металлическими уплотнениями

 

 

 

а

б

 

Рис. 7. Схемы бесфланцевых грибковых соединений

с резиновыми уплотнителями: а – неразборное; б – разборное

 

МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Методические указания,

программа и контрольные задания

для студентов направления 200500, 200700

очной и заочной формы обучения

 

Составили: Котина Наталия Макаровна

Балакин Александр Николаевич

Куц Любовь Евгеньевна

 

Под редакцией Н.М. Котиной

 

Рецензент В.П. Шумарин

 

Корректор Д.А. Козлова

 

 

Подписано в печать		Формат 60х84 1/16
Бум. Офсет.	Усл. печ. л.	Уч.-изд.л.
Тираж 100 экз.	Заказ	Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

 

Саратов 2008

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью изучения дисциплины является: получение знаний в области материаловедения, которые позволят инженеру электронной техники профессионально решать следующие научно технические задачи:

1. Разработка и внедрение новых материалов и технологий в производство изделий электронной техники.

2. Создание электронных приборов и устройств с качественно новыми характеристиками на новых физических эффектах.

3. Контроль качества и свойств материалов электронной техники и приборов на их основе.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать: физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах в различных условиях их эксплуатации; классификацию материалов по свойствам и назначению; физические основы и области применения методов исследования свойств материалов.

Студент должен уметь: правильно выбрать материалы для изготовления элементов электронной аппаратуры заданного назначения с учетом допустимых нагрузок, влияния внешних факторов, технологичности, стоимости; использовать стандартную терминологию, определения и обозначения; выбирать экспериментальную технику и методику решения конкретной задачи исследования свойств, состава и структуры материалов; пользоваться полученными знаниями при изучении других дисциплин.

Дисциплина связана с предшествующими ей дисциплинами «Физика», «Физическая химия» и последующими дисциплинами «Физические основы электронной техники» и «Технология и автоматизация производства электронных приборов и устройств», «Твердотельные приборы и устройства».

 

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

 

Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана и место в подготовке инженера.

Основные этапы развития электроники. Роль материалов в развитии элементов базы электронной техники, повышении эффективности и надежности электронной аппаратуры. Классификация материалов по электрическим и магнитным свойствам. Общая характеристика современных методов исследования материалов электронной техники.

 

Раздел 1. Основные процессы в проводниковых материалах

 

Природа электропроводности металлов. Температурная зависимость удельного сопротивления. Влияние примесей и структурных дефектов на проводимость металлов. Правило Маттисена. Электрические свойства металлических сплавов, их зависимость от структуры и состава. Методы исследования электрических свойств. Сопротивление проводников на высоких частотах. Способы уменьшения потерь высокочастотных вводов. Контактные явления и термо-ЭДС. Сопротивление тонких металлических пленок, размерные дефекты. Вакуумные, эмиссионные и радиационные свойства металлов.