Материалы и элементы электронной техники: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задания на контрольные работы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра промышленной электроники

МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задания на контрольные работы

Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654100 – электроника и микроэлектроника Направление подготовки бакалавра: 550700 – электроника и микроэлектроника

Санкт-Петербург 2003

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.38 Материалы и элементы электронной техники: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задания на контрольные работы. – СПб.; СЗТУ, 2003, – 43сРабочая программа разработана в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654100 (специальность 200400 «Промышленная электроника») и направлению подготовки бакалавра 550700. Методический сборник содержит рабочую программу, методические указания к изучению дисциплины, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задания на контрольные работы. В рабочей программе рассмотрены основные разделы материалов и элементов электронной техники: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. Изучение каждой группы включает рассмотрение физических процессов, протекающих в материалах, во взаимосвязи с их свойствами.

Рассмотрено на заседании кафедры промышленной электроники 3 октября 2003г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 15 октября 2003 г. Рецензенты: кафедра промышленной электроники СЗТУ (А.Л. Камышев, канд. техн. наук, доц.), В.Б. Демидович, д-р техн. наук, доц., генеральный директор ООО ВНИИТВЧ-ЭСТЭЛ. Составители: Ю.Г. Васильев, д-р техн. наук, проф.; И.И. Растворова, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие современной электроники определяется материалами и новейшими элементами электронной техники. Изучение материалов и элементов электронной техники в данной дисциплине позволит грамотно выбрать и использовать материалы, применяемые в электронной технике. Целью изучения дисциплины является ознакомление с физическими принципами работы, характеристиками и параметрами материалов, изучение на этой основе принципов действия пассивных компонентов электронных узлов, а также применения материалов для создания электронных узлов и микросхем. Задачи изучения дисциплины: 1) иметь представление о свойствах различных типов материалов электронной техники; 2) приобрести знания о физико-химических процессах, протекающих в материалах и элементах; 3) уметь ориентироваться среди широкой номенклатуры материалов и элементов электронной техники; 4) пробрести навыки по анализу разнообразных материалов для научного обоснования выбора наиболее целесообразного материала при решении конкретной задачи. Содержание дисциплины тесно связано со знаниями, приобретенными в ходе изучения предшествующих дисциплин: «Физика» и «Химия». В свою очередь, данная дисциплина является базовой для следующих за ней дисциплин учебного плана: «Теоретические основы электротехники», «Твердотельная электроника», «Микроэлектроника», «Магнитные элементы электронных устройств», «Электроника электропривода».

4

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Содержание дисциплины по ГОС Материалы и элементы электронной техники: общая классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению; физическая природа электропроводности металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и композиционных материалов; сверхпроводящие металлы и сплавы; характеристика проводящих и резистивных материалов во взаимосвязи с их применением в электронной технике; характеристика и основные физико-химические, электрические и оптические свойства элементарных полупроводников, полупроводниковых соединений и твердых растворов на их основе; примеры реализации полупроводниковых структур в приборах и устройствах электроники; основные физические процессы в диэлектриках (поляризация, пробой, диэлектрические потери) и способы их описания; активные и пассивные диэлектрические материалы и элементы на их основе; магнитные материалы и элементы общего назначения; методы исследования материалов и элементов электронной техники. 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы Виды занятий

Всего часов

Общая трудоемкость

170

Аудиторные занятия

48

Лекции

20

Практические занятия (ПР)

12

Лабораторные работы (ЛР)

16

Самостоятельная работа

122

Контрольная работа

++

Вид итогового контроля – экзамен; зачет

5

1.3 Рабочая программа (Объем дисциплины 170 часов) 1.3.1.Введение Основные понятия и классификация, общие физико-химические свойства материалов электронной техники. Классификация материалов по особым свойствам в электрическом и магнитном полях на электрические и магнитные. Дальнейшая классификация материалов: электрических на диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые; магнитных на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные. Типы химической связи и влияние ее на строение и свойства материалов. 0бщие физико-химические свойства и параметры материалов: гигроскопичность и влагопроницаемость, водостойкость, кислостойкостъ, коррозионная стойкость и радиационная стойкость, устойчивость к плесени. Механические свойства и параметры материалов: текучесть, прочность, хрупкость, ударная вязкость, твердость. Поведение материалов при статических, динамических и знакопеременных нагрузках. Теплофизические свойства и параметры материалов: нагревостойкость, морозостойкость, стойкость к циклической смене температур, теплопроводность, тепловое расширение. Роль электротехнических материалов в современной технике. 1.3.2.Проводниковые материалы. Физическая природа и основные свойства металлов и сплавов. Строение металлов и сплавов. Элементы зонной теории твердого тела. Физическая природа электропроводности металлов. Влияние на электропроводность температуры, примесей и других структурных дефектов. Виды сплавов: механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение. Электрические свойства металлических сплавов. Особенность электропроводности тонких металлических пленок.

6

Другие свойства металлов и сплавов: теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, пластичность и прочность, Наклеп и рекристаллизация Способы упрочнения металлов. Контактная разность потенциалов: ее практическое использование и борьба с ней. Термоэлектронная эмиссия. Газопоглощение металлов и сплавов. Проводниковые материалы. Проводниковые материалы высокой электропроводности: медь, алюминий. Проводниковые материалы, используемые в производстве печатных плат по различным технологическим процессам. Проводниковые материалы высокого электросопротивления сплавы: манганин, константан, нихром и другие; их применение в производстве проволочных резисторов. Материалы специального назначения: тугоплавкие и благородные, металлы и сплавы для термопар. Тонкопленочные материалы, применяемые в микроэлектронике для токопроводящих коммутационных дорожек, обкладок конденсаторов и индуктивностей. Тонкопленочные материалы, применяемые в микроэлектронике для создания резистивных элементов. Толстопленочные материалы для создания проводников и резисторов в микросборках. Проводящие и резистивные пасты. Способы нанесения на подложку. Контактные материалы. Виды контактов, требования к материалам для разрывных и скользящих контактов. Физико-химические и тепловые процессы в контакте, переходное сопротивление контакта, роль контактного усилия. Способы неразъемного контактирования: соединение контактолом, пайка и сварка. Состав контактолов, их свойства, физические процессы, протекающие при их отверждении. Материалы, применяемые при пайке: припои и флюсы. Мягкие и твердые припои. Кислотные, бескислотные, активированные и антикоррозийные флюсы. Физико-химические процессы при пайке материалов. Подразделение видов сварки на сварку плавлением и сварку давлением. Физические процессы при сваривании металлов. Сверхпроводниковые материалы. Сверхпроводимость. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов. Материалы высокой проводимости. Криопроводниковые и сверхпроводниковые материалы, их свойства и

7

применение. Высокотемпературная сверхпроводимость, перспективы создания материалов и их применение. Сплавы высокого сопротивления. 1.3.3. Полупроводниковые материалы Природа электропроводности полупроводников. Факторы, влияющие на электропроводность полупроводников. Полупроводниковые химические соединения, материалы на их основе и применение в электротехнике. Электрофизические свойства полупроводников. Характерные особенности полупроводниковых материалов: чувствительность электропроводимости к внешним энергетическим воздействиям и примесям наличие двух типов проводимости: электронной и дырочной. Собственные и примесные проводники. Методы определения типа проводимости: эффект Холла и термопары. Влияние температуры, света и электрического поля на проводимость полупроводников. Термоэлементы. Электронно-дырочный переход, его использование в полупроводниковых приборах и в микроэлектронике. Оптические свойства элементарных полупроводников. Материалы для полупроводниковых приборов. Основные параметры полупроводниковых материалов. Классификация полупроводников. Простые полупроводники, полупроводниковые соединения, многофазные материалы. Материалы, применяемые в производстве полупроводниковых микросхем. 1.3.4.Диэлектрические материалы Основные свойства и физические процессы в диэлектриках. Явления поляризации электропроводности, диэлектрических потерь и пробоя диэлектриков, параметры, их характеризующие. Теплофизические и физико-химические свойства диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации. Диэлектрическая проницаемость и ее связь с процессами поляризации. Частотная и температур-

8

ная зависимость диэлектрической проницаемости для диэлектриков различных типов. Диэлектрическая проницаемость композиционных диэлектриков. Токи смещения и электропроводность диэлектриков. Природа электропроводности. Зависимость удельного поверхностного и удельного объемного сопротивлений твердых диэлектриков от температуры, напряженности электрического поля, влажности среды. Диэлектрические потери. Векторная диаграмма токов в диэлектрике. Угол диэлектрических потерь. Физическая сущность диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в композиционных диэлектриках. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, частоты, напряженности, электрического поля и других факторов. Пробой диэлектриков. Механизмы и основные закономерности пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков. Термические, радиационные и влажностные свойства диэлектриков. Срок службы и надежность электрической изоляции. Нагревостойкость диэлектриков. Связь нагревостойкости с составом диэлектрика и усилиями его работы. Температурный индекс изоляции. Теплопроводность диэлектриков. Радиационные изменения в диэлектрических материалах. Гигроскопичность и тропикостойкость диэлектриков. Диэлектрические материалы электронной техники. Классификация диэлектриков на неорганические и органические материалы. Неорганические диэлектрики. Керамика. Установочная и конденсаторная керамика. Сверхпроводящая керамика. Состав керамических масс, их особенности и влияние на свойства керамических деталей. Керамические подложки и корпуса для герметизации изделий микроэлектроники. Глазурирование и металлизация керамики. Стекла. Зависимость свойств стекол от их химического состава. Классификация стекол по техническому назначению. Стекла электровакуумные, изоляторные, лазерные. Применение стекол в производстве электровакуумных приборов, металлостеклянных корпусов для герметизации полупроводниковых приборов. Ситаллы. Особенности состава, структуры и свойств. Применение ситаллов в

9

качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов. Активные диэлектрики: сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. Органические диэлектрики: линейные полимеры и композиционные порошковые пластмассы. Слоистые пластики. Электроизоляционные лаки; классификация по назначению на пропиточные, покрывающие и клеящие. Влияние наполнителя на нагревостойкость и теплопроводность эмалей. Пропиточные и заливочные компаунды. Применение в электронной технике для улучшения теплоотвода, защиты от увлажнения, повышения механических свойств. Диэлектрики для конденсаторов. Классификация конденсаторов в зависимости от типа диэлектрика: бумажные, металлобумажные, пленочные, с комбинированным диэлектриком, керамические, стеклянные, слюдяные, с оксидным диэлектриком. Влияние типа диэлектрика на параметры конденсатора. Конденсаторы переменной емкости с воздушным и твердым диэлектриком и механическим управлением емкостью. Конденсаторы переменной емкости с электрически управляемой емкостью. Основные сведения о строении и свойствах

полимеров.

Нагревостойкие

органические

диэлектрики.

Технико-

экономическая эффективность использования полимерных материалов. Охрана труда и окружающей среды при использовании изоляции на основе полимеров. Слоистые пластики и пластмассы. Неорганические электроизоляционные материалы. Слюда, электроизоляционные материалы и изделия на основе слюды. Слюдинитовые и слюдопластовые материалы, их свойства, технико-экономические показатели, области применения. Электрокерамические изоляционные материалы и их классификация. Конденсаторные керамические материалы, их свойства и применение в электротехнике. Высоковольтные изоляторы на основе стекла. Техникоэкономические показатели керамической изоляции. Сегнетодиэлектрики, пьезодиэлектрики и другие активные материалы.

10

1.3.5. Магнитные материалы Основные свойства и общие сведения о магнитных свойствах материалов. Общие сведения о магнитных свойствах материалов: диамагнетиков, парамагнетиков, антиферромагнетиков, ферромагнетиков и ферримагнетнков. Природа ферромагнетизма. Основные магнитные характеристики. Влияние различных факторов на свойства магнитных материалов. Назначение и области применения магнитных материалов. Классификация магнитных материалов. Магнитомягкие материалы: низкочастотные (электролитическое и карбонильное железо, кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы - пермаллои, высокочастотные (магнитодиэлектрики, ферриты). Магнитомягкие материалы: технически чистое железо, электротехническая сталь, пермаллои и их характерные свойства. Методы улучшения магнитных характеристик материалов. Аморфные магнитные материалы, их получение, свойства и перспективы применения. Магнитотвердые материалы, литые высококоэрцитивные сплавы, магниты из порошков, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов, материалы для магнитной записи информации. Магнитотвердые материалы и их основные свойства. Сплавы на основе редкоземельных элементов с большой магнитной индукцией. Магнитные материалы специального назначения: ферриты и металлические сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств СВЧ, магнитострикционные материалы. Ферриты, их свойства и состав. Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты и технико-экономические показатели их использования в электротехнике.

11

1.4. Разделы дисциплин и виды занятий

Разделы дисциплин

Лекции, Практические Лабораторные ч

занятия, ч

занятия, ч

4

-

-

Раздел 1. Проводниковые материалы

4

3

4

Раздел 2. Полупроводниковые мате-

4

3

4

4

3

4

Раздел 4. Магнитные материалы.

4

3

4

ИТОГО

20

12

16

Введение. Основные сведения о материалах электронной техники

риалы. Раздел 3. Диэлектрические материалы.

12

1.5.

Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (16 часов) Темы лекций

Объем, ч

1. Основные сведения о материалах электронной техники. Виды химической связи. Особенности строения твердых тел. Проводниковые и сверхпроводниковые материалы. Особенности элнктропроводимости металлов и сплавов. Материалы высокого 4

сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Полупроводниковые материалы. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников. Физические эффекты в полупроводниках. Полупроводниковые материалы и со-

4

единения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Диэлектрические материалы. Поляризация, токи смещения, электропроводность, пробой в диэлектриках. Изоляционные ма-

4

териалы, их классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Магнитные материалы. Физические основы и ферромагнетизма. Основные свойства и характеристики магнитных материа-

4

лов. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы . . . . . . . . . 1.6. Темы практических занятий Темы практических занятий

Объем, ч

1.Проводниковые материалы. Задачи на внешнюю контактною разность потенциалов, оценивание энергии Ферми, нахождение работы выхода, влияние на энергию Ферми различных физических факторов и сопутствующие этому влиянию следствия

3

2.Полупроводниковые материалы. Задачи на расчет собственной электропроводности полупроводников. Задачи на расчет примесной электропроводности и фотопроводности полупроводников

3

13

3.Диэлектрические материалы. Определение потенциала и напряженности электростатического поля, созданного поляризованным диэлектриком. Определение распределения векторов поляризации, напряженности и индукции электростатического поля внутри однородного изотропного диэлектрика с заданной восприимчивостью. Определение электроемкости и энергии конденсатора, заполненного диэлектриком

3

4. Магнитные материалы. Построение петель гистерезиса по паспортным данным. Решение задач, связывающих характер перемагничивания магнитопровода с возможностями его 3

практического использования.

1.7. Темы лабораторных работ (16 часов) Темы лабораторных работ

Объем, ч

1.Исследование зависимости сопротивления металлов от температуры. Исследование термоэлектрических и контактных явлений в 4

металлах. 2.Исследование температурной зависимости удельной проводимости полупроводника. Изучение свойств полупроводника на ос-

4

нове исследования нелинейных резисторов 3.Исследование явления поляризации диэлектриков и определения их диэлектрической проницаемости. Исследование явления

4

поляризации диэлектриков. 4.Измерение ферромагнетиков

динамической

кривой

намагничивания 4

14

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для студ. вузов. - СПб.; Лань, 2001.-368с. 2. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение: Электротехнические материалы: Учебное пособие. - СПб.: СЗПИ, 1998.-82с. 3. ХомылевА.Ф., Шадричев Е.В. Неметаллические материалы радиоэлектронной аппаратуры.-Л.: СЗПИ, 1985. Дополнительный: 4. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев В.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. - Л. : Энергоатомиздат, 1985. 5. Пасынков В. В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник для студ. вузов. - М.; Высш. шк., 1986.-364с. 6. Электротехнические и конструкционные материалы: Учеб. пособие/ В.Н. Боробулин, А.С. Воробьев, В.М. Матюнин и др. -М.: Мастерство: Высшая школа, 2000.-280с. 7. Калинин Н.Н., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы.-М.: Высш.школв, 1981. 8. Харламова Т.Е. Полупроводниковые и специальные материалы.- Л.: СЗПИ, 1977. 9. Левин И.Б., Харламова Т.Е. Проводниковые и магнитные материалы.Л.: СЗПИ, 1977.

15

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина «Материалы и элементы электронной техники» изучается студентами в течение одного семестра на втором курсе. За это время студенты заочной формы обучения прослушивают цикл лекций, выполняют лабораторные и контрольные работы. По завершении изучения дисциплины студенты сдают экзамен и зачет по курсу.

3.1. Введение: классификация и общие физико-химические свойства материалов и элементов электронной техники 3.1.1. Классификация материалов электронной техники [1], с. 7... 9, [4], с. 5... 9, [6], с. 5... 10, [7], с. 21 ...23 Для расширения взгляда на предмет и последующего системного подхода к нему вначале следует изучить общую классификацию материалов, используемых в электронной технике. По особому поведению материалов в электрическом и магнитном полях они разделяются на две категории: электрические и магнитные. В свою очередь каждая из этих категорий разделяется на отдельные группы. Критерием при разделении электрических материалов на группы служит способность материалов проводить электрический ток. Наибольшей способностью проводить электрический ток характеризуются металлы и сплавы. Полупроводниковые материалы значительно хуже проводят электрический ток. Диэлектрические же материалы очень плохо проводят электрический ток и поэтому часто используется для изоляции и в этом случае называясь изоляционными. Критерием при разделении магнитных материалов на группы служит их реакция на внешнее магнитное поле. Так, к диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относят вещества с поло-

16

жительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля. К ферримагнетикам относят вещества, у которых также велика магнитная восприимчивость, зависящая от напряженности магнитного поля, но наряду с этим они имеют и характерные особенности. 3.1.2. Общие физико-химические свойства материалов [3], с. 35... 41, [6], с. 20, 154... 165, [7], с. 23 ... 32, 97... 101 Для ознакомления с механическими свойствами необходимо изучить диаграмму растяжения, поскольку по ней определяются основные механические характеристики: предел текучести и предел прочности. При рассмотрении остальных характеристик (ударной вязкости и твердости) следует обратить внимание на условность методик их определения. При изучении теплофизических свойств необходимо обратить внимание на различие в методиках определения нагревостойкости неорганических и органических диэлектриков, а при рассмотрении физико-химических свойств, в частности влажностных, на тот факт, что размеры молекул воды значительно меньше, чем даже внутримолекулярная пористость диэлектрических материалов. Поэтому полную защиту от влаги могут обеспечить не диэлектрические, а лишь металлические материалы, стекло и хорошо обожженная керамика. После изучения классификации материалов и знакомства с общими физико-химическими свойствами можно приступить к изучению каждой группы материалов. При этом рассмотрение каждой группы производится в два этапа: на первом этапе рассматриваются физико-химические процессы, протекающие в материалах и определяющие их свойства, на втором - непосредственно материалы с их свойствами и областями применения.

17

3.2. Проводниковые материалы 3.2.1. Физическая природа и основные свойства металлов и сплавов [1], с. 27 ... 55, [5], с. 3 ... 12, [6], с. 11 ... 20, [7], с. 39 ... 49 При изучении металлов и сплавов основное внимание следует обратить па корреляцию между характером металлической связи, типом кристаллических решеток металлов и сплавов и их электрическими и механическими свойствами. Для объяснения высокой величины электропроводности металлов и ее температурной зависимости следует основываться на энергетической зонной структуре твердых тел, являющейся следствием пространственной периодичности кристаллической решетки. Однако в реальных кристаллических телах пространственная периодичность нарушена из-за наличия различного рода дефектов решетки, которые существенно влияют как на электрические, так и на механические свойства металлов. В частности, они повышают электросопротивление и механическую прочность технических металлов. Важным в практическом отношении примером этого может служить явление наклепа. В связи с этим нужно хорошо усвоить зависимость прочности металлов от плотности дислокаций и количества других несовершенств кристаллической решетки. Эта зависимость является основной для понимания различных методов упрочнения металлов. Одним из таких методов является создание металлических сплавов. Электрические свойства тонких металлических пленок, используемых в микроэлектронике, могут значительно отличаться от свойств объемных образцов исходных проводниковых материалов. Одной из причин такого различия является разнообразие структурных характеристик тонких пленок, полученных методом конденсации молекулярных пучков в высоком вакууме. Другая причина связана с проявлением размерных эффектов, т. е. сокращением длины свободного пробега электронов вследствие их отражения от поверхности образца.

18

3.2.2. Проводниковые материалы высокой проводимости и высокого сопротивления [1], с. 56 ... 89, [2], с. 253 ... 263, [5], с. 12 ... 18, 21 ... 23, [7], с. 50 ... 73, [8], с. 251 ... 261 При рассмотрении проводников высокой электропроводности основное внимание необходимо обратить на медь и алюминий, которые по сочетанию своих свойств (электропроводности, теплопроводности, массе и стоимости) превосходят другие материалы и поэтому наиболее широко применяются для изготовления токоведущих цепей. Одновременно с этим надо обратить внимание на широкое применение меди для изготовления фольгированных диэлектриков в производстве печатных плат. Рассматривая проводниковые материалы высокого сопротивления, следует выделить их применение для изготовления проволочных резисторов и термопар. Тугоплавкие металлы нужно рассматривать с точки зрения их применения в электровакуумных приборах. 3.2.3. Тонкопленочные и толстопленочные проводники [1], с. 56 ... 89, [5], с.176 …184, [6], с. 20 ... 46. Тонкопленочные проводящие материалы могут быть получены на подложке путем вакуумного испарения или гальванического высаживания из электролитов. В качестве материалов используют алюминий, медь, серебро, золото, никель, хром, олово и сплавы на их основе. При изготовлении обкладок пленочных конденсаторов применяют те же материалы (наиболее часто алюминий и медь) и способы их нанесения. Индуктивные элементы выполняются осаждением металлов (никеля, серебра, хрома) на подложки через трафареты спиралевидной формы. Необходимо иметь в виду, что для создания коммутационных дорожек и контактных площадок используются не только чистые металлы, но и сплавы с преобладающим содержанием в них алюминия. Из тонкопленочных материалов, применяемых для создания резистивных

19

элементов, можно выделить углеродистые, металлопленочные, металлоокисные и композиционные. Для изготовления углеродистых резисторов применяют пиролитический углерод. Полученные пленки обладают высокой стабильностью параметров, стойкостью к импульсным перегрузкам, низким уровнем шумов, небольшим и однозначным температурным коэффициентом сопротивления и относительно низкой себестоимостью. Для изготовления металлопленочных и металлоокисных резисторов используют тантал, титан, никель, хром, палладий и сплавы на основе этих металлов. Необходимо обратить внимание на то, что использование тантала и титана (особенно тантала) позволяет совместить такие операции микроэлектронной технологии, как создание проводящих и диэлектрических слоев в едином технологическом процессе. В последнее время для создания тонкопленочных резисторов используют рений и вольфрам, которые позволяют получить методом катодного распыления пленки с сопротивлением в несколько тысяч Ом на квадрат поверхности, очень низким температурным коэффициентом сопротивления и высокой стойкостью к окислению. Для стабилизации сопротивления пленки защищают тонким слоем двуокиси кремния. Высокое значение удельного сопротивления может быть также достигнуто применением таких материалов, как силициды железа, никеля и хрома. Из металлоокисных материалов наиболее широкое применение нашли пленки двуокиси олова. Резисторы на их основе обладают высокой термостойкостью. Для изготовления композиционных резисторов обычно смешивают графит с органическими или неорганическими связующими, наполнителем, пластификатором и отвердителем. Такие композиции также могут представлять собой керамическую, стеклянную или полимерную основу, в которой равномерно распределены частицы металла и их смеси (обычно палладий, серебро, золото, радий, двуокись олова, окись кадмия, силициды металлов). Широко используется большая номенклатура резистивных сплавов (РС), в состав которых входят хром, кремний, никель, железо, вольфрам и другие компоненты. В отличие от тонкопленочных материалов, для получения толстопленочных проводников и резисторов используют пасты: серебряно-палладиевые, ру-

20

тениевые и на основе золота. Разнообразие их видов позволяет получить толстопленочные элементы с широким диапазоном значений удельного сопротивления. 3.2.4. Контактные материалы [1], с. 85 ... 89, [5], с. 18 ... 21, [6], с. 40 ... 43, [7], с. 73... 84 Рассматривая контактные материалы, необходимо исходить из того, что тип контактного соединения определяет требования к контактным материалам, а следовательно, и сами материалы. Так, для разрывных контактов должны применяться материалы, исключающие возможность обгорания за счет электрической дуги, возникающей при разрыве контакта. К таким материалам относятся тугоплавкие, различные сплавы и металлокерамические композиции: серебро с окисью кадмия, кобальтом, никелем, хромом, вольфрамом, молибденом, танталом; меди с вольфрамом и молибденом; золота с вольфрамом и молибденом. Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию наряду с высокой электропроводностью. Поэтому такими материалами являются твердая медь, бериллиевая бронза, а также материалы системы серебро - окись кадмия. Для обеспечения неразъемного контактирования, в частности в микроэлектронике, используют токопроводящие клеи контактолы. Они представляют собой смесь кремний-органического материала и серебряного порошка и выпускаются нескольких марок. Для создания неразъемного соединения пайкой используют припои и флюсы. Припои бывают мягкие и твердые, а флюсы - кислотные, бескислотные, активированные и антикоррозийные. Выбор этих материалов определяется типом соединяемых деталей и требованиями к паяному узлу. Соединение деталей методом сварки позволяет получить механически более прочные соединения. Принято различать способы сварки плавлением (газовая, электродуговая) и давлением (холодная, ультразвуковая, электроконтактная, диффузионная). Выбор метода сварки определяется типом соединяемых деталей и требованиями к узлу соединения.

21

3.3. Полупроводниковые материалы 3.3.1. Электрофизические свойства полупроводников [1], с. 90 ... 142, [4], с. 10 ... 47, [6], с. 47 ... 94, [7], с. 170 ... 199 Одной из основных характеристик полупроводников является электропроводность. Поэтому перед изучением конкретных материалов, применяемых в электронной технике, необходимо полностью уяснить природу электропроводности как собственных, так и примесных полупроводников. При этом нужно четко понимать влияние различного типа примесей (донорных и акцепторных) на характер электропроводимости. Это важно, поскольку на этой основе используются па практике полупроводниковые материалы. Уяснив природу электронных и дырочных полупроводников, можно переходить к рассмотрению влияния на их электропроводность температуры, света, электрического поля. Закончить это рассмотрение следует анализом полупроводниковых приборов. Кроме того, необходимо рассмотреть термоэлектрические эффекты в полупроводниках, созданные на их основе термоэлементы и их практическое использование. Поскольку значительное число полупроводниковых приборов использует p-n-переход, необходимо рассмотреть явления, протекающие на границе раздела полупроводников с разным типом электропроводности, и уяснить возможность управления свойствами p-n-перехода. 3.3.2. Материалы для полупроводниковых приборов [1], с. 133 ... 181, [2], с. 7 ... 57, [4], с. 47 ... 80, [6], с. 94 ... 107, [7], с. 199 ... 239, [8], с. 12 ... 34 Рассмотрение полупроводниковых материалов следует начать с ознакомления с основными параметрами полупроводников; удельной проводимости, подвижности и концентрации носителей заряда, ширины запрещенной зоны и энергии активации примесей, времени жизни носителей заряда, диффузионной длины пробега носителей. После этого необходимо уяснить классификацию полупроводниковых материалов: простые полупроводники, полупроводнико-

22

вые соединения и многофазные материалы. Из простых полупроводников нужно выделить германий и кремний, которые нашли наиболее широкое применение в электронной технике. На основе германия выпускается широкая номенклатура самых разнообразных приборов и в первую очередь диодов и транзисторов. Следует обратить внимание, что кремний, в противоположность германию, является одним из самых распространенных элементов в земной коре; он используется для изготовления дискретных приборов и, самое главное, является базовым материалом при изготовлении транзисторов и интегральных микросхем. Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся очень малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, вызвали качественный скачок в микроэлектронике. Полупроводниковые соединения обладают очень большим разнообразием свойств и поэтому нашли широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе полупроводников характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение. Такие приборы имеют малые габариты, простую конструкцию, возможность внутренней модуляции излучения путем изменения управляющего напряжения и, на что особенно надо обратить внимание, совместимость с элементами интегральных микросхем по рабочим параметрам и технологическим операциям. Наряду с этим, благодаря большому набору значений ширины запрещенной зоны у полупроводников, созданы различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы, а в качестве материалов - арсенид галлия и антимонид индия. Они используются также для изготовления туннельных диодов. Арсенид галлия, а также InP, InAs и твердые растворы на их основе применяются для создания генераторов СВЧ-колебаний (генераторов Ганна). Особое внимание необходимо обратить на использование

23

арсенида галлия для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных микросхем. Здесь имеются значительные технологические трудности, но их преодоление позволит обеспечить существенный прогресс в микроэлектронной технике. Полупроводниковые соединения типа халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды, теллуриды. Из всех материалов этой группы при изучении следует выделить сульфид цинка и сульфид кадмия. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а второй широко используется для изготовления фоторезисторов. При этом необходимо иметь в виду, что спектр излучения люминофоров определяется типом вводимых активаторов люминесценции. Наиболее широкое распространение получили электролюминофоры, активированные медью, которые излучают в зеленой и голубой областях спектра. Примеси могут играть существенную роль и в механизме собственной фотопроводимости полупроводников, поскольку от их природы и концентрации зависит время жизни неравновесных носителей заряда, а оно, в свою очередь, определяет фоточувствительность и скорость фотоответа. Необходимо учесть, что введением специальных примесей, так называемых центров сенсибилизации можно существенно повысить чувствительность собственных фоторезисторов. В качестве полупроводниковых материалов для создания фоторезисторов применяются сульфид кадмия и селенид кадмия. Кроме рассмотренных полупроводниковых материалов следует обратить внимание па пленки из селенида и теллурида ртути, которые благодаря высокой подвижности электронов применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Как узкозонные полупроводники халькогениды свинца давно применяются в качестве детекторов ИК-излучения. Наряду с этим они широко используются для создания фоторезисторов и термоэлементов полупроводниковых термоэлектрических генераторов и лазеров инжекционного типа. Отдельно нужно рассмотреть карбид кремния, который является единственным бинарным соединением, образованным полупроводниковыми элемен-

24

тами IV группы Периодической таблицы. Необходимо обратить внимание на то, что его высокая химическая и температурная стабильность, высокая твердость являются следствием сильных химических связей между атомами кремния и углерода. Удельная электропроводность порошкообразного карбида кремния зависит от удельной электропроводности зерен исходного материала, их размера, степени сжатия порошка, напряженности электрического поля и температуры. Замечательной особенностью карбида кремния является его способность к люминесценции. Это свойство карбида кремния используется для создания светодиодов. Следует обратить внимание на их достоинства и недостатки. Достоинства - стабильность характеристик, практически полное отсутствие деградации, недостаток - невысокая эффективность преобразования электрической энергии в световую. Наряду с этим карбид кремния используется для изготовления мощных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензорезисторов, варисторов и волноводных поглотителей. Кроме того, карбид кремния используется для создания полевых транзисторов с хорошими частотными свойствами, СВЧ-диодов и термисторов. 3.4. Диэлектрические материалы 3.4.1. Основные свойства диэлектриков [1], с. 182 ... 221, [3], с. 4 ... 41, [6], с. 108 ... 165, [7], с. 85 ... 110 Начинать изучение диэлектрических материалов следует с рассмотрения тех явлений, которые протекают в них при помещении в электрическое поле: поляризации, электропроводности, диэлектрических потерь и пробоя. Рассматривая явление поляризации, необходимо изучить все виды поляризации для возможной их классификации по различным признакам: без потерь энергии - с потерями энергии, линейные - нелинейные. Однако основное внимание следует уделить классификации диэлектриков по особенностям поляризации (неполярные, полярные, ионные, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и электреты). При этом нужно уяснить, как особенность поляризации влияет на

25

величину диэлектрической проницаемости (отражающую степень поляризованности) и на свойства диэлектрика. Рассматривая явление электропроводности, необходимо усвоить параметры, которыми характеризуется способность диэлектрика проводить электрический ток (удельная объемная и удельная поверхностная электропроводность), а также классификацию электропроводности в зависимости от типа носителей заряда (электронная, ионная и молионная). При изучении диэлектрических потерь надо понять смысл тангенса угла диэлектрических потерь - параметра, характеризующего потери энергии в диэлектрике, а также возможные виды потерь в зависимости от причин, их вызывающих (потери на сквозную электропроводность, замедленные виды поляризации, ионизацию газа). При рассмотрении явления пробоя необходимо ознакомиться с параметрами, характеризующими этот процесс (пробивное напряжение и пробивная напряженность) и с возможными видами пробоя диэлектриков (электрический, электротепловой, электрохимический и ионизационный). Рассматривая теплофизические свойства диэлектриков, следует обратить внимание на классификацию диэлектриков по классам нагревостойкости; необходимо изучить, как такие параметры, как нагревостойкость и теплопроводность, влияют на электрическую прочность твердых диэлектриков. Рассматривая влажностные свойства диэлектриков, нужно изучить влияние структуры диэлектрика на гигроскопичность и влагопроницаемость и, в конечном счете, на работоспособность всего изделия с диэлектриком в целом. 3.4.2. Диэлектрические материалы электронной техники [1], с. 225 ... 295, [21], с. 167 ... 253, [3], с. 42 ... 86, [6], с. 165 ... 272, [7], с, 110 ... 169, [8], с. 112... 135, 287 ... 300 Для удобства рассмотрения диэлектрические материалы классифицируются на неорганические и органические; отдельно рассматриваются диэлектрики для конденсаторов.

26

Неорганические материалы чрезвычайно разнообразны, поэтому следует рассматривать лишь наиболее широко применяемые группы и лишь тех их представителей, которые используются в электронной технике. Так, керамические материалы нужно разделить на установочные и конденсаторные. При этом важно понять, как состав керамической массы влияет на свойства готового керамического диэлектрика. Рассматривая установочную керамику, необходимо обратить внимание на ее использование в качестве подложек и корпусов для герметизации изделий микроэлектроники. Рассматривая стекла, надо, вопервых, понять, как влияет химический состав стекла на его свойства, а вовторых, как классифицируются стекла по назначению (электровакуумные, изоляторные, лазерные) и какие при этом предъявляются к ним требования. Рассматривая ситаллы, необходимо прежде всего уяснить их структуру и особенности свойств. Из применения ситаллов следует выделить их использование в качестве подложек гибридных интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов. При этом нужно уяснить те высокие требования, которые предъявляются к материалам подложек: высокое удельное сопротивление, высокую механическую и электрическую прочность, устойчивость к циклической смене температур. В целом, в качестве подложек могут использоваться как широко известные материалы: кварц, стекло, керамика, так и сравнительно новые ситалл, брокерит, сапфир, гюликор, германий, кремнии, арсенид галлия и другие. Наряду с пассивными диэлектриками следует рассмотреть и активные диэлектрики, у которых свойства изменяются под воздействием различных внешних факторов. К ним, в частности, относится сегнетоэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость изменяется при изменении напряженности электрического поля, и пьезоэлектрики, которые поляризуются под воздействием механических нагрузок. При рассмотрении органических диэлектриков упор необходимо сделать на материалах для влагозащиты; это - лаки, эмали и компаунды. Необходимо уяснить разницу в их составе и соответственно особенности их применения.

27

Рассматривая диэлектрические материалы для конденсаторов, необходимо разобраться в тех подчас противоречивых требованиях, которые к ним предъявляются. Например, диэлектрики должны иметь максимально возможную диэлектрическую проницаемость и возможно меньшие диэлектрические потери, что на практике не наблюдается, поэтому выбирают те диэлектрики, которые удовлетворяют наиважнейшим требованиям. Этим и объясняется многообразие конденсаторных диэлектриков и конденсаторов на их основе.

3.5. Магнитные материалы 3.5.1. Основные свойства [1], с. 296 ... 324, [5], с. 24 ... 35, [6], с. 273 ... 287, [7], с. 240 ... 251 Приступая к рассмотрению магнитных материалов, необходимо произвести их классификацию на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и ферримагнитные. Затем следует выяснить, почему одни материалы имеют невысокие магнитные свойства, а другие, такие как ферромагнетики, очень высокие магнитные свойства. Иными словами, необходимо выяснить природу ферромагнетизма. Затем следует ознакомиться с основными магнитными характеристиками: намагниченностью, магнитной восприимчивостью, магнитной проницаемостью и магнитной индукцией. Рассмотрев процесс намагничивания и гистерезис, перейти к новым характеристикам: максимальная магнитная индукция, остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила. Изучая магнитные потери, следует классифицировать их (потери на гистерезис, на вихревые токи и на последействие). 3.5.2. Назначение и области применения магнитных материалов [1], с. 325 ... 358, [5], с. 35 ... 58, [6], с. 287 ... 329, [7], с. 251 ... 289 Предварительно необходимо классифицировать магнитные материалы на магнитомягкие и магнитотвердые, используя в качестве критерия площадь гис-

28

терезисной петли. Рассматривая конкретные магнитомягкие материалы, нужно уяснить основные требования, предъявляемые к ним: высокая магнитная проницаемость, малая коэрцитивная сила и возможно большая индукция насыщения, т. е. они должны пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Этим требованиям удовлетворяют электротехническое и карбонильное железо, кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы: пермаллои и альсиферы. Обладая общими, характерными для магнитомягких материалов свойствами, они имеют свои достоинства и недостатки, которые и следует изучить. Магнитотвердые материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцитивной силой. Площадь гистерезисной петли у них значительно больше, чем у магнитомягких. По применению их можно разделить на материалы для постоянных магниторов и материалы для записи и длительного хранения информации. К первой группе относятся литые высококоэрцитивные сплавы, магниты из порошков, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов. Ко второй группе относятся магнитные материалы в виде порошка, нанесенные на полимерную ленту, чаще всего из лавсана, Свойства магнитного слоя определяют качество информации. Необходимо изучить те виды магнитных материалов, которые наносятся на несущую ленту. Из магнитных материалов специального назначения следует рассмотреть ферриты и металлические сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройства СВЧ и магнитострикционные материалы. Рассматривая магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), необходимо усвоить, что используется их способность, находиться в двух устойчивых магнитных состояниях, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать для хранения и переработки двоичной информации. Однако нужно помнить, что прямоугольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизатро-

29

пией и слабо выраженной магнитострикцией. Этому требованию удовлетворяют металлические сплавы и ферриты с ППГ, причем последние распространены шире. Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение нашли магниймарганцевые и литиевые феррошпинели. При рассмотрении ферритов, используемых в устройствах СВЧ, необходимо понять назначение магнитных материалов, которое состоит в управлении электромагнитными колебаниями диапазона СВЧ. Для выполнения этой функции к магнитному материалу предъявляется ряд требований: высокая чувствительность материала к управляющему полю, высокое удельное объемное сопротивление, возможно меньший тангенс угла потерь и температурная стабильность свойств. Большинству этих требований удовлетворяют магний марганцевые ферриты. Особое место среди материалов для СВЧ занимают феррогранаты иттрия, которые широко применяются в низкочастотной части диапазона СВЧ. Для рассмотрения магнитострикционных материалов необходимо вспомнить магнитострикционный и магнитоупругий эффекты, на которых и основано применение магнитострикционных материалов. До сих пор наиболее применяемым магнитострикционным материалом является никель. Из других материалов можно отметить сплавы платины и железа, железа и алюминия. Однако наибольшее внимание следует уделить рассмотрению магнитострикционной керамики, которая представляет собой либо чистый феррит никеля, либо твердые растворы на его основе. Необходимо также обратить внимание на применение магнитострикционных материалов в электроакустике и ультразвуковой технике, в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, используемых в устройствах автоматики, измерительной техники и для других целей.

30

4. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ И МЕТОДТЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Каждый студент должен выполнить две контрольные работы. Первая контрольная работа является теоретической и состоит их трех вопросов. Вторая – практическая, состоящая из трех задач. Варианты задания определяется студентом по двум последним цифрам своего шифра. Например, студент, шифр которого оканчивается на 75, отвечает на вопросы 6, 34. 58 (табл. 1). Варианты первой контрольной работы приведены в табл.1, а варианты второй контрольной работы в таб.2,3,4. Текст вопросов и условия каждой задачи в контрольных работах следует записывать полностью. Ответы на вопросы должны быть конкретными краткими и сопровождаться рисунками, графиками, формулами, числовыми параметрами основных характеристик материалов. При решении задач следует приводить основные расчетные формулы, расшифровывать условные обозначения величин, входящих в формулы, указывать единицы их измерения, приводить промежуточные вычисления. Числовые значения величин нужно подставлять в единицах измерения системы СИ. При решении задачи 1 целесообразно использовать [1], с.200-204, [3], с.19-25; задачи 2 -[1], с.193-200, [3], с.15-19, [7], 104-109; задачи 3 -[1], с.52-55, [7], с.40-44

31

4.1. Контрольная работа №1 1.Как можно классифицировать материалы электронной техники? Охарактеризуйте особенности каждой классификационной группы. 2.Почему проводниковые материалы (в частности, металлы) обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью? Как влияют на электропроводимость примеси и другие структурные дефекты? 3.В чем состоит особенность проводимости тонких металлических пленок? 4.В каких случаях необходимо получить возможно меньшую, а в каких случаях - возможно большую термоЭДС? 5.Какие проводниковые материалы обладают высокой электропроводностью? Почему? Каковы их области применения в электронной технике? 6.Какие проводниковые материалы относятся к матер и а л а м высокого электросопротивления? Почему? Приведите примеры их использования для изготовления проволочных резисторов. 7.Какие материалы используются для изготовления термопар? Приведите их классификацию в зависимости от диапазона измеряемых температур. 8.Какие тугоплавкие материалы применяются в электронной технике? Опишите их свойства. 9.Какие материалы используются при пайке? Каковы их свойства и назначение? Дайте их классификацию. 10.Что представляют собой контактолы? Опишите их свойства и назначение. 11.Какие неметаллические проводящие материалы используются в электронной технике и для каких целей? 12.Что такое керметы? Где они находят применение? 13.Рассмотрите характерную температурную зависимость удельного сопротивления металлических проводников в широком диапазоне температур (до температуры, превышающей температуру плавления).

32

14.В чем сущность электронной эмиссии металлов? Где в электронной технике используется это явление? 15.Какие материалы применяются для изготовления катодов электронных ламп? Какие к ним предъявляются требования? 10.Рассмотрите типичную зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления металлической пленки от ее толщины. 17.Какие факторы и как влияют на величину удельного сопротивления металла? 18.При каких условиях в цепи, состоящей из двух различных металлических проводников, возникает термоЭДС? 19.Рассмотрите материалы, используемые в производстве печатных плат. 20.Какие материалы используются для изготовления пленочных резисторов? Каким образом они формируются? 21.Рассмотрите материалы, применяемые в производстве интегральных микросхем для создания токопроводящих коммутационных дорожек и обкладок конденсаторов. 22.Каков состав пленок из пиролитического углерода? Как он влияет на свойства углеродистых резисторов? 23.Какие материалы используются для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов? Какие существуют методы их формирования? 24.Какие материалы используются для изготовления композиционных резисторов? 25.Что такое собственный полупроводник? Какова природа его электропроводности? 26.Как влияют донорные и акцепторные примеси на электропроводность полупроводника? 27.Как влияет температура на электропроводность примесного полу-

33

проводника в широком интервале температур? 28.В чем состоит сущность явления фотопроводимости? 29.Что такое люминесценция? Какие материалы являются люминофорами? 30.Какие существуют методы для определения типа электропроводности полупроводника? 31.Охарактеризуйте группу полупроводниковых материалов. Какие особенности имеет эта группа по сравнению с проводниками и диэлектриками? 32.Какие виды электропроводности имеют место в полупроводниках? Чем они обусловлены? 33.Чем обусловлена высокая термочувствительность, электропроводности полупроводников? 34.В чем состоит сущность фотоэлектрических явлений в полупроводнике? 35.Произведите классификацию полупроводниковых материалов и охарактеризуйте каждую группу. 36.В чем состоит особенность контакта двух полупроводниковых материалов с разным типом электропроводности? Чем он характеризуется? Где находит применение? 37.В чем состоит сущность термоэлектрических явлении в полупроводниках? 38.Какие материалы используются в квантовой оптической электронике? 39.Рассмотрите характерные особенности германия и кремния как полупроводниковых материалов. Где находят применение эти материалы? 40.Рассмотрите несколько конкретных примеров наиболее широко применяемых полупроводниковых соединений. 41.Рассмотрите кремний как материал для полупроводниковой технологии. 42.Какие факторы, как и почему могут изменять электропроводность полупроводниковых материалов?

34

43.Какие явления могут иметь место в диэлектрике при помещении его в электрическое поле? Кратко охарактеризуйте каждое явление. 44.В чем состоит сущность процесса поляризации? Каким параметром оценивается степень поляризованности диэлектрика? 45.Какие виды поляризации вам известны? В чем состоят их особенности? 46.Сравните между собой дипольно-релаксационную и спонтанную поляризации. Что между ними общего? В чем их различие? 47.Произведите классификацию диэлектриков по особенностям поляризации. Охарактеризуйте каждую группу. 48.В чем заключается процесс поляризации полярных диэлектриков? Как влияет тип поляризации в полярном диэлектрике на величину диэлектрической проницаемости и ее зависимость от температуры и частоты? 49.Что такое сегнетоэлектрики? В чаем заключается особенность их свойств? 50.Проанализируйте свойства нейтральных диэлектриков. Отметьте их достоинства и недостатки. 51.Что собой представляет спонтанная поляризация? В чем состоят ее особенности? 52.Какими параметрами характеризуется способность диэлектриков пропускать электрический ток? 53.Какие типы электропроводности (по типу носителя заряда) возможны в диэлектриках? Охарактеризуйте каждый тип. 54.В чем состоит особенность электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков? 55.Как и почему влияет влажность на электропроводность твердых диэлектриков? Каковы способы борьбы с влиянием влажности? 56.Рассмотрите факторы, влияющие на поверхностную электропроводность диэлектриков. 57.Проанализируйте объемную и поверхностную электропроводности

35

диэлектриков. Рассчитайте полное сопротивление кубика диэлектрика с ребром а, имеющего металлизированные противоположные грани. 58.Почему влага оказывает сильное влияние на электроизоляционные свойства твердых диэлектриков? Каковы пути уменьшения этого влияния? 59.Каким параметром оцениваются потери энергии в диэлектрике? Раскройте его смысл на основании анализа эквивалентных схем диэлектрика. 60.Как можно классифицировать диэлектрические потери в зависимости от причин, которые их вызывают? Охарактеризуйте каждую группу. 61.Какова природа релаксационных потерь энергии в диэлектрике? 62.В каких диэлектриках и при каких условиях важную роль играют потери на ионизацию? 63.Рассмотрите особенности диэлектрических потерь в твердых, жидких и газообразных диэлектриках. 64.Каков механизм пробоя газообразного диэлектрика? 65.Какие механизмы пробоя возможны в твердых диэлектриках? Охарактеризуйте каждый механизм. 66.Рассмотрите тепловой пробой твердого диэлектрика. Ответ иллюстрируйте. 67.Какие факторы и как влияют на электрическую прочность газообразного диэлектрика? 68.Рассмотрите основные тепловые свойства диэлектриков. 69.Почему влага ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков? 70.Рассмотрите, влажностные свойства диэлектриков. 71.Какими параметрами оцениваются механические свойства диэлектриков? Что они характеризуют? 72.Рассмотрите особенности неполярных полимеров и их конкретных представителей. 73.В чем состоят достоинства и недостатки полярных полимеров? 74.Что такое термопластичные и термореактивные полимеры? В чем со-

36

стоит их различие? 75.Каковы состав и свойства композиционных порошковых пластмасс? 76.Для каких целей используются компаунды? Как они классифицируются по назначению? 77.Как классифицируются стекла по техническому назначению? Рассмотрите каждую группу. 78.Каково строение ситаллов? В чем состоит особенность их свойств? 79.Что собой представляет установочная и конденсаторная керамика? В чем состоит особенность ее свойств и применения? 80.Что подразумевается под термином «активные диэлектрики»? Какие вам известны типы активных диэлектриков? Охарактеризуйте каждый тип. 81.Рассмотрите возможные области применения сегнетоэлектриков как активных диэлектриков. 82.Какие материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами? Где они находят применение? 83.Какие материалы используются для изготовления подложек микросхем? Обоснуйте их применение для этой цели. 84.Рассмотрите классификацию материалов по отношению к магнитному полю. Охарактеризуйте каждую группу. 85.Объясните причину высоких магнитных свойств ферромагнетиков. 86.Рассмотрите процессы, протекающие в ферромагнетике при намагничивании. 87.Какие причины вызывают потери энергии в магнитном материале? 88.Какова структура магнитодиэлектриков? В чем состоит особенность их свойств? 89.Что собой представляют ферримагнетики? Чем они существенно отличаются от ферромагнетиков? 90.Рассмотрите магнитомягкие низкочастотные и высокочастотные материалы. 91.В чем состоит различие между магнитомягкими магнитотвердыми

37

материалами? Рассмотрите их на конкретных примерах. 92.Рассмотрите магнитотвердые материалы различных типов. 93.Какие материалы используются для магнитной записи информации? 94.Какую функцию выполняют ферриты в устройствах СВЧ? Какие требования предъявляются к таким ферритам? 95.Каково назначение магнитострикционных материалов? Рассмотрите материалы, проявляющие эффект магнитострикции. 96.Рассмотрите применение ферритов и металлических сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса. 97.Какие материалы относятся к низкокоэрцитивным сплавам? Проанализируйте их применение. 98.Рассмотрите электродные материалы для полупроводниковых приборов. 99.Рассмотрите пластмассовые материалы, используемые для оформления полупроводниковых приборов. 100.Рассмотрите материалы, используемые для герметизации полупроводниковых приборов.

38

4.2. Контрольная работа №2. Задача 1 Рассчитать удельные диэлектрические потери в плоском конденсаторе с пленочным диэлектриком, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и толщину h, если на конденсатор подано напряжение U частотой f. Исходные данные для расчета в таб.2.

Задача 2. Пластина из ситалла в форме параллепипеда со сторонами a и b и толщиной c используется в качестве подложки микросхемы. Рассчитать величину тока утечки, протекающего через диэлектрик при напряжении U, если местом приложения электродов считать большие основания параллепипеда. Исходные данные для расчета в таб.3

Задача 3. Один из спаев термопары помещен в нагретую зону с температурой Т1, а второй спай находится при температуре Т2. при этом прибор показывает термоЭДС, равную U. Чему будет равна термоЭДС, если второй спай будет находиться при температуре Т`2? Исходные данные для расчета в таб.4

39

Таблица 1 Предпоследняя цифра

Последняя цифра 1

2

3

4

5

1

2, 34, 46

6,62,90

16,43,92

21,37,81

24,44,87

2

11,25,46,

5,82,93

13,39,73

9,33,58

20,59,89

3

10,26,52

27,50,83

28,72,97

36,49,96

30,51,85

4

22,66,87

3,38,74

11,76,86

1,32,67

23,39,78

5

5,51, 100

13,41,61

6,37,58

12,35,54

7,27,50

6

21, 30,63

33,68,93

24,52,94

29,53,96

3,43,93

7

4,34,57

12,26,66

2,29,65

23,40,55

6,34,58

8

20,33,75

18,27,77

6,37,82

13,39,81

16,41,78

9

13,34,51

2,37,80

10,69,88

12,26,66

21,39,70

0

24,77,91

27,72,92

38,81,96

25,67,93

42,82,95

1

17,32,81

23,57,91

3,45,88

18,47,55

4,29,48

2

7,35,56

22,31,68

8,65,94

12,40,69

1,54,95

3

38,61,86

41,75,100

42,70,91

40,63,99

36,64,90

4

562,77,85

18,42,80

4,79,88

17,26,71

10,44,84

5

13,34,60

8,28,45

16,47,89

9,25,73

20,31,62

6

10,46,97

8,48,95

11,31,49

7,59,99

24,30,64

7

27,35,56

5,36,67

17,38,80

8,25,72

22,32,74

8

42,83,87

3,79,90

9,60,89

32,46,86

17,47,85

9

16,29,50

18,35,76

23,43,97

20,31,54

5,78,91

0

28,79,94

40,57,84

7,41,67

11,36,52

6,33,73

40

Таблица 2. Предпоследняя

ε

Материал

F·106,

Последняя

tgδ× 10 -4

h·10-6

цифра

U, В

Гц

цифра 1

2.6

Полистирол

3.0

20

1

15

2.0

2

3.2

Полиэтиленте-

45

50

2

18

1.5

рефталат

3

3.0

Поликарбонат

10

40

3

14

2.0

4

2.3

Полипропилен

5.0

10

4

12

1.0

5

2.2

Полиэтилен

4.5

15

5

50

4.0

6

3.3

Полиарилат

47

45

6

20

0.5

7

2.2

Политетрафто-

2.0

5.0

7

70

7.5

60

60

8

35

3.0

5.0

25

9

40

8.0

180

80

0

10

0.1

рэтилен

8

3.6

Триацетат целлюлозы

9

2.7

Полифениленоксид

0

12

цианэтилцеллюлоза

41

Таблица 3 Предпоследняя

tgδ× ε

Материал

h·10-6

Послед-

U, В

няя циф-

10 -4

цифра

F·106, Гц

ра

1

2.6

Полистирол

3.0

20

1

15

2.0

2

3.2

Полиэтиленте-

45

50

2

18

1.5

рефталат

3

3.0

Поликарбонат

10

40

3

14

2.0

4

2.3

Полипропилен

5.0

10

4

12

1.0

5

2.2

Полиэтилен

4.5

15

5

50

4.0

6

3.3

Полиарилат

47

45

6

20

0.5

7

2.2

Политетрафто-

2.0

5.0

7

70

7.5

60

60

8

35

3.0

5.0

25

9

40

8.0

180

80

0

10

0.1

рэтилен

8

3.6

Триацетат целлюлозы

9

2.7

Полифениленоксид

0

12

Цианэтилцеллюлоза

42

Таблица 4. Т1, °С

Т2, °С

Последняя цифра

U, мВ

Т`2, °С

1

150

20

1

1.5

15

2

120

25

2

1.2

10

3

100

22

3

1.8

0

4

125

20

4

0.7

5

5

85

28

5

1.0

12

6

90

25

6

0.9

20

7

65

23

7

1.3

13

8

80

18

8

2.1

6

9

75

25

9

1.6

2

0

110

20

0

2.0

8

Предпоследняя цифра

43

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.Содержание дисциплины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Содержание дисциплины по ГОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Рабочая программа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Разделы дисциплины и виды занятий . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Темы практических занятий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Темы лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Методические указания к изучению дисциплины . . . . . . . . . . . . 3.1. Введение: классификация и общие физико-химические свойства материалов и элементов электронной техники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Проводниковые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Полупроводниковые материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Диэлектрические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Магнитные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Задания на контрольные работы и методические указания к их выполнению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Контрольная работа №1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Контрольная работа №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 4 4 4 5 11 12 12 13 14 15 15 17 21 24 27 30 31 38