Материалы и компоненты электронной техники

Т1-4 Нарисуйте  энергетические диаграммы основных классов материалов..

По способности проводить  электрический ток все твердотельные  материалы принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики. К  проводникам относят материалы  с проводимостью σ > 106 Ом-1см-1; к  ним относятся металлы, в которых  высокая проводимость обеспечивается высокой концентрацией электронов проводимости. В диэлектриках при  комнатной температуре электронов очень мало, и их проводимость мала σ < 10-10 Ом-1см-1. В промежуточную  группу попадают полупроводники, которые  могут иметь концентрацию электронов, близкую к нулю (тогда они являются диэлектриками) и близкую к концентрации электронов в металле (тогда они  являются проводниками).

Металлы и полупроводники помимо того, что они имеют разную электропроводность, отличаются также  и зависимостью электропроводности от температуры. В металлах электропроводность с повышением температуры, как правило, падает почти по линейному закону. В полупроводниках, в которых  отсутствуют дефекты и примеси (их принято называть собственными) с ростом температуры проводимость растет примерно по экспоненциальному  закону:

Чтобы рассмотреть структуру  и энергетические свойства кристаллических  твердых тел, к которым относятся  кремний и германий (полупроводники, получившие наибольшее распространение  для изготовления полупроводниковых  приборов), следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдельного атома.

Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны, создавая электронную оболочку. Суммарный  отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд  ядра, так что в нормальном состоянии  атом электрически нейтрален. Согласно квантовой теории, электроны атома  могут обладать только строго определенными  значениями энергии, именуемыми разрешенными. Эти значения энергии называют энергетическими  уровнями. Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. Двигаясь вокруг ядра по определенным орбитам, электроны удалены  от ядра на разные расстояния и, соответственно, обладают разной по величине энергией: чем дальше от ядра, тем больше энергия  электрона и тем слабее он связан с ядром.

Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и  слабее всего связаны с ядром. Графически энергетический спектр электронов в отдельном атоме можно представить  в виде энергетической диаграммы. Пример такой диаграммы представлен  на рис. 1.1, а. По вертикали отложены значения энергии, а соответствующие  энергетические уровни показаны горизонтальными  линиями. В соответствии с принципом  Паули на одном энергетическом уровне могут находиться одновременно не более двух электронов, имеющих разные направления вращения вокруг своей оси (противоположные спины).

Если атом находится в  нормальном состоянии и не поглощает  извне энергию, то все нижние разрешенные  энергетические уровни заняты электронами; переход электрона с одного уровня на другой невозможен. Более высокие  разрешенные уровни остаются не занятыми электронами и называются свободными. Переход электрона на более высокий  свободный энергетический уровень, т.е. на более удаленную от ядра орбиту, возможен лишь при поглощении им извне  строго определенной порции (кванта) энергии (тепловой, световой, электрической, магнитной), равной разности значений энергии свободного и занятого этим электроном уровней. В этом случае атом переходит в  возбужденное состояние.

Возбужденное состояние  атома очень неустойчиво. Оно  длится всего стомиллионную долю секунды, и атом возвращается в нормальное состояние, что сопровождается переходом  электрона обратно на свой прежний  энергетический уровень. Переход атома  из возбужденного в нормальное состояние  сопровождается выделением избытка  энергии в виде кванта электромагнитных  излучений.

Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)

Если электрон получит  достаточный квант энергии, он отрывается от атома, происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс  – соединение свободного электрона  и положительного иона в нейтральный  атом – носит название рекомбинации и сопровождается выделением избытка  энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна энергии, затраченной ранее на ионизацию  атома.

При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных  атомов расщепляются на N подуровней, образуя  энергетические зоны (рис.1.1, б). При  этом, как и в отдельном атоме, на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположными спинами (сохраняется принцип Паули). Поскольку количество подуровней (N) велико (в 1 см3 твердого тела находится около 1022 – 1023 атомов), то энергетическое расстояние между подуровнями весьма мало, и электрон способен перемещаться с подуровня на подуровень от дна зоны к потолку даже при небольших внешних энергетических воздействиях, т.е. он ведет себя, как свободный. Это, однако, справедливо только в том случае, если верхние энергетические уровни в зоне не заняты, т.е. зона заполнена не полностью.

Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при  температуре абсолютного нуля (Т = 0 К), образуют в кристалле заполненные  зоны, верхняя из которых, занятая  валентными электронами, называется валентной  зоной.

Разрешенные более высокие  уровни энергии атома, не занятые  электронами при

Т = 0 К, образуют в кристалле свободные зоны. Ближайшую к валентной зоне свободную зону называют зоной проводимости, так как попавшие туда электроны могут перемещаться между атомами и создавать электрический ток. Электроны, находящиеся в заполненной зоне, перемещаться под действием поля (и соответственно набирать энергию) не могут, поскольку все энергетические уровни заняты, а согласно принципу Паули электрон не может переходить с занятого состояния на занятое. Поэтому электроны полностью заполненной валентной зоны не участвуют в создании электропроводности.

Между зоной проводимости и валентной зоной находится  запрещенная зона Eg (она измеряется в электрон-вольтах (эВ)), в которой согласно законам квантовой механики электроны находиться не могут (подобно тому, как электроны в атоме не могут иметь энергии не соответствующие энергиям электронных оболочек).  Ширина запрещенной зоны является основным параметром, определяющим электрические свойства твердого тела.

По характеру заполнения зон электронами все тела можно  разделить на две большие группы:

• к первой группе относят тела, у которых над целиком заполненными зонами расположена зона, заполненная лишь частично (рис. 1.2, а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уровень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще металлам. У металлов запрещенная зона отсутствует;

• ко второй группе относят тела, у которых над целиком заполненными зонами расположены свободные зоны (рис. 1.2, б, в). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы таблицы Менделеева: углерод в модификации алмаза, кремний, германий и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения – оксиды металлов, нитриды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т.д.

Рис.1.2 Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

По ширине запрещенной  зоны тела второй группы условно делят  на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков Е_g > 3 эВ. Так, у алмаза E_g = 5,2 эВ; у нитрида бора E_g = 4,6 эВ; у А1₂О₃ E_g = 7 эВ и т.д.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. 1.2, б). У типичных полупроводников E_g ≈ 1 эВ, например:

• у германия Е_g= 0,72 эВ;
• у кремния E_g = 1,12 Эв;
• у антимонида индия   E_g = 0,17 эВ
• у арсенида галлия E_g = 1,43 эВ и т.д.
• у германия Е_g= 0,72 эВ;

Энергетические диаграммы  металлов, полупроводников и диэлектриков при T = 0 К представлены на рис. 1.2. На этих диаграммах валентная зона, заполненная электронами, показана более толстыми сплошными линиями, а зона проводимости, в которой при этих условиях нет электронов, – тонкими линиями.

Т4-10 Какие ДМ используют для конструкционных изделий

Пластмассы находят применение в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных материалов. По составу в большинстве случаев пластмассы представляют собой композиции из связующего и наполнителя. Кроме связующих и наполнителя применяют пластификаторы для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. В некоторые пластмассы вводятся стабилизаторы - химические соединения, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс и повышению стойкости пластмасс к воздействию тепла, света, кислорода воздуха. По способности к формованию полимерные материалы подразделяются на две группы - термопласты (термопластичные) и реактопласты (термореактивные).

Широкое применение в электрических  машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преимущственно электроизоляционного назначения. К слоистым пластикам относятся гетинакс и текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые пластики.

Гетинакс получается путем горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Гетинакс выпускается нескольких марок. Отметим гетинакс марки Х, который имеет повышенную штампуемость и гетинакс марки ЛГ, изготовляемый на основе лавсановой бумаги и эпоксидной смолы. Для изготовления печатных схем радиоэлектронной аппаратуры выпускается около 10 различных марок фольгированного с одной и с двух сторон гетинакса.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Текстолит, изготовленный на основе ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой может работать в интервале температур от -60 до +105^оС.

Применение стеклопластиков в  качестве электроизоляционного и конструкционного материала в электромашиностроении  позволяет создавать электрические  машины разных классов нагревостойкости, повышать их надежность в эксплуатации и решать ряд новых технических задач.

Электроизоляционные органические полимерные пленки - тонкие и гибкие материалы нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. Электроизоляционным пленкам для отличия их от пленок другого назначения присваиваются специальные марки. Органические полимерные пленки могут быть разделены на две большие группы, разделяющиеся по электрофизическим свойствам: неполярные и полярные пленки. Для изоляции обмоток низковольтных электрических машин важную роль играют полимерные пленки с повышенной нагревостойкостью. Малая толщина пленок, наряду с высокими значениями электрической и механической прочности, обеспечивает не только увеличение надежности, но и существенное улучшение технико-экономических показателей.

Т11-2 Что является количественной мерой электропроводности и какой параметр для ее характеристики используется в инженерной практике?

Электропроводность, электрическая проводимость, проводимость, способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Тела, проводящие электрический ток, называются проводниками, в отличие от изоляторов (диэлектриков). Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда — электроны, ионы, направленное (упорядоченное) движение которых и есть электрический ток. Электропроводность большинства проводников (металлов, полупроводников, плазмы) обусловлена электронами (в плазме небольшой вклад в электропроводность вносят также ионы). Ионная электропроводность свойственна электролитам. 
         Сила электрического тока I зависит от приложенной к проводнику разности потенциалов V, которая определяет напряжённость электрического поля Е внутри проводника. Для изотропного проводника постоянного сечения Е = —V/L, где L — длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с ним по направлению. Эта зависимость выражается Ома законом: j = sЕ; постоянный (не зависящий от Е) коэффициент s и называется электропроводностью, или удельной электропроводностью. Величина, обратная s, называется удельным электрическим сопротивлением: r = 1/s. Для проводников разной природы значения s (и r) существенно различны . В общем случае зависимость j от Е нелинейна, и s зависит от Е; тогда вводят дифференциальную электропроводность s = dj/dE. Электропроводность измеряют в единицах (ом·см)^-1 или (в СИ) в (ом·м)^-1. 
 
  В анизотропных средах, например в монокристаллах, s — тензор второго ранга, и электропроводность для разных направлений в кристалле может быть различной, что приводит к неколлинеарности Е и j. 
 
  В зависимости от величины электропроводности все вещества делятся на проводники с s > 10⁶ (ом·м)^—1, диэлектрики с s < 10^—8(ом·м)^—1 и полупроводники с промежуточными значениями s. Это деление в значит. мере условно, т. к. электропроводность меняется в широких пределах при изменении состояния вещества. Электропроводность s зависит от температуры, структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внешних воздействий (магнитного поля, облучения, сильного электрического поля и т. п.)

Контрольный вопрос

Диэлектрики. Основное свойство диэлектриков и количественный параметр основного свойства.

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством  которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические  заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом  поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные  заряды, которые перемещаясь в  электрическом поле, обусловливают  электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в  диэлектрике невелико, поэтому ток  мал.

Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектрики  называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых  можно регулировать, изменяя напряженность  электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу  их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом

и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых

входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем  составе углерода.

Из многообразия свойств  диэлектриков, определяющих их техническое  применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические  потери, электрическая прочность  и электрическое старение.

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток  называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом  поле, могут быть ионы (положительные  и отрицательные), электроны и  электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную для  перехода в зону проводимости электроны  могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в  диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных  зарядов (ионов и электронов) в  результате ударной ионизации, когда  энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации,

сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся

в таких диэлектриках дефекты  и примеси. Образовавшиеся таким

образом ионы определяют низкотемпературную примесную область

электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном  воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей  скоростью, так как

число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и  примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется

высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать  загрязняющие компоненты, в частности  влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их

называют гидрофильными  в отличие от гидрофобных, которые не

смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает  поверхностное

сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость  и поляризованность. На рис. 1

изображены два плоских  конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис. 1, а) между

электродами вакуум, в конденсаторе (рис. 1, б) – диэлектрик. Если

электрическое напряжение на электродах U , то напряженность электрического поля E = U / h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рис. 1, а –

квадраты).

В электрическом поле в  частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные  заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим

моментом: m = ql, где q – суммарный положительный (и численно

равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных  зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд.

Суммарный полный заряд в  конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0+

+ Qд = erQ0, где er – относительная диэлектрическая проницаемость.

Рис.1

Задача №10 (10-1, 10-4)

Рассчитать удельную проводимость σ_n, σ_p примесного полупроводника по заданной концентрации примеси N_Д, N_А. Сравнить полученные значения, считая примесь донорной, а затем акцепторной. Объяснить разницу полученных значений σ_n, σ_p.

Варианты  материалов и концентраций примеси:

1. GaAs, N = 5∙10²⁰ м^-3

           4. CdTe, N = 5∙10²¹ м^-3.  

Удельную проводимость примесного полупроводника рассчитываем по формулам:

Для полупроводника n-типа

Для полупроводника p-типа

Справочные данные о подвижности  зарядов:

 GaAs 

Соответственно:                                                                      

     CdTe 

Соответственно:                                                                      

Сравнивая полученные значения проводимостей определяем, что ее значение определяется в данном случае подвижностью зарядов, которая значительно выше у электронов.

Список литературы

1.   Казанцев, А. П.,  Электротехнологические материалы: учеб. пособие / А. П. Казанцев. –  Мн.: Дизайн ПРО, 1988, 2001 г.
2. Пасынков, В. В., Материалы электронной техники: учеб. пособие /   В. В.Пасынков – М.: ВШ., 1980 г.
3. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники В. В.  Пасынков, В. С. Сорокин, – М., ВШ., 1986 г., «Лань», 2003 г.
4. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы /А. А. Преображенский – М.: ВШ., 1976 г.
5. Степаненко, И. П.  Основы микроэлектроники / Степаненко И. П. – М., Сов. радио,    1980 г., М.: 2003 г.
6. Березин, А. С. Технология и конструирование интегральных микросхем /  А. С. Березин, О. Р. Мочалнина – М.: «Радиосвязь», 1983 г.
7. Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты, электроника /     К. С. Петров  СПб.: 2004 г.