Главная > Автореферат диссертации


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Раздел 1 ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Тема 1.1 Строение и свойства вещества 6

Тема 1.2 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов 15

Раздел 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 19

Тема 2.1 Классификация полупроводниковых материалов 19

Тема 2.2 Электропроводность полупроводниковых материалов 26

Тема 2.3. Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников 26

Тема 2.4 Излучение энергии в полупроводниках 30

Тема 2.5 Типы полупроводниковых материалов 32

Тема 2.6 Применение полупроводниковых материалов для изготовления современных полупроводниковых приборов 41

Раздел 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 43

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов 44

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов 45

Тема 3.3 Материалы высокой проводимости 48

Тема 3.4 Материалы высокого сопротивления 56

Тема 3.5 Проводниковые материалы и сплавы 58

Тема 3.6 Материалы для подвижных контактов 60

Тема 3.7 Припои и контактолы 65

Тема 3.8 Резисторы 70

Раздел 4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 78

Тема 4.1 Классификация диэлектриков 78

Тема 4.2 Поляризация диэлектриков 78

Тема 4.3 Электропроводность диэлектриков 83

Тема 4.4 Тепловые и физико-химические свойства диэлектриков 85

Тема 4.5 Электрические свойства твердых диэлектриков 88

Тема 4.6 Синтетические полимеры 89

Тема 4.7 Компаунды, лаки и эмали 95

Тема 4.8 Слоистые пластики и фольгированные материалы 98

Тема 4.9 Твердые неорганические диэлектрики 101

Тема 4.10 Активные диэлектрики 111

Тема 4.11 Диэлектрики для оптической генерации 114

Тема 4.12 Конденсаторы 116

Раздел 5 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 124

Тема 5.1 Классификация магнитных материалов 124

Тема 5.2 Магнитомягкие материалы 127

Тема 5.3 Магнитотвердые материалы 132

Тема 5.4 Магнитные материалы специального назначения 134

Тема 5.5 Трансформаторы, катушки индуктивности, дроссели 137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 147

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития общества характеризуется все бо­лее возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности человека. Достижения в области электро­ники в значительной мере способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффек­тивности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Только благодаря качественным преобразованиям электронных средств стало возможным решение проблемы гло­бальной информатизации человеческого бытия, т.е. массовое про­изводство компьютеров, повсеместное использование информа­ционных технологий и управляющих систем, а также сетей на их основе.

Наряду с давно существу­ющими радиосвязью и телевидением появились компьютерные системы активного массового обмена информацией. Среди таких систем наибольшую известность и признание получила всемир­ная сеть Интернет.

Дискретный (цифровой) принцип представления информации, принятый в информационных технологиях, широко внедряется в бытовую электронику (цифровые телевизоры, видеокамеры, фо­тоаппараты и т.п.), обеспечивающую многие жизненные потреб­ности человека. Радикально изменилась промышленная и транс­портная электроника, появились автономные системы навигации, а также системы управления подвижными объектами и техноло­гическими процессами. Стремительно развиваются научное и ме­дицинское приборостроение, техника военного и космического назначений.

Основными проблемами в развитии всех направлений элект­роники продолжают оставаться дальнейшая миниатюризация из­делий, повышение их быстродействия, уменьшение энергопот­ребления, повышение качества и надежности электронного обо­рудования, снижение стоимости. Все эти проблемы наиболее эф­фективно решаются в рамках микроэлектроники, которая за по­следние 40 лет прошла путь от простейших гибридных до монолитных ультрабольших интегральных схем, содержащих до 109 эле­ментов. Здесь важно отметить, что микроминиатюризация не яв­ляется целью микроэлектроники, а в действительности представ­ляет собой единственную возможность создания сложной эффек­тивно действующей электронной аппаратуры, содержащей боль­шое число элементов.

Среди стремительно развивающихся направлений электрони­ки следует особо выделить оптоэлектронику. Последняя объеди­няет широкий класс функциональных электронных устройств, у которых в тракте передачи сигналов имеется оптическое звено. Оптическая связь характеризуется высокой информационной ем­костью, помехозащищенностью, однонаправленностью, а также высокой избирательностью. Благодаря этому с помощью оптиче­ского канала связи можно концентрированно и с малыми потеря­ми передавать электромагнитную энергию на большие расстояния в заданную область пространства. Использование оптического звена обеспечивает полную гальваническую развязку управляющих це­пей от исполнительных при сохранении сильной функциональ­ной связи между ними. Новый этап в развитии оптоэлектроники связан с освоением технологических приемов формирования по­лупроводниковых сверхрешеток и гетероструктур с квантово-размерными эффектами.

Развитие электроники оказало значительное влияние на со­стояние энергетики. В настоящее время кремниевые приборы си­ловой электроники находят массовое применение в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и энергопитания, а также при передаче электроэнергии на большие расстояния. С каждым годом расши­ряется номенклатура таких приборов. К мощным диодам и тири­сторам добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных силовых интегральных схем. Оценки специалистов пока­зывают, что оптимальное насыщение энергетики средствами по­лупроводниковой силовой электроники позволит сэкономить не менее 10 % всей производимой в мире электроэнергии.

Таким образом, современное электронное приборостроение достигло тако­го этапа развития, когда важнейшие параметры приборов и уст­ройств зависят не столько от схемных решений, сколько от свойств использованных электрорадиоматериалов и совершенства техноло­гических процессов их изготовления.

Главная осо­бенность материалов, используемых в электронике, заключается в том, что их электрические свойства очень чувствительны к при­роде химической связи, к атомной и электронной структурам, наличию примесей и структурных дефектов, однородности их распределения вплоть до очень локальных объемов. Роль матери­алов в электронике велика, как ни в какой другой области техники. Не случайно, что именно материалы часто используются в каче­стве классификационного признака при определении многих важ­ных направлений электроники. В этой связи можно назвать полу­проводниковую электронику, диэлектрическую электронику, маг-нитоэлектронику, сверхпроводящую электронику, пьезотехнику и др.

Изучение физической природы свойств материалов, поиск принципиальных путей управления этими свойствами, а также оптимизация состава и структуры материалов в целях достижения наилучшего сочетания свойств составляют научную сущность лю­бого материаловедения, в том числе и радиоэлектронного.

Под электрорадиоматериалами понимают применяе­мые в радиоэлектронике материалы, у которых первостепенное зна­чение имеют их свойства и характеристики в электрических и маг­нитных полях. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, диэлектрические и полупроводни­ковые, по поведению в магнитном поле – на магнитные и немагнит­ные.

Несколько десятилетий назад круг используемых электрорадио­материалов был довольно узок: в электроизоляционной технике в основном применялись материалы природного происхождения (би­тумы, шеллак, фибра), а из магнитных материалов использовались только магнитные металлы и сплавы на их основе.

В 50-х годах начинает широко внедряться новый класс магнит­ных материалов – ферриты, имеющие существенные преимущества особенно при использовании в области высоких и сверхвысоких частот. Однако наибольшее значение для развития радиоэлектро­ники имели полупроводниковые материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах. Совершенствование полу­проводниковых материалов и новая технология позволили создать твердотельные радиосхемы, например, на отдельных монокристал­лах полупроводника (кремния, германия и др.). Такие схемы очень малы по размерам и дают возможность в сотни и тысячи раз повы­сить плотность монтажа, надежность и долговечность радиоэлек­тронных устройств. Так в приборостроении появилось новое направ­ление – микроэлектроника.

Развитие оптоэлектроники потребовало разработки принципиально новых материалов (активных диэлектриков, полупроводниковых соединений), способных преобразовывать электрическую энергию в световую и наоборот (лазеры, светодиоды, оптроны и др.).

Сфера применения радиоэлектронных приборов в настоящее вре­мя весьма обширна и, следовательно, очень широк диапазон внеш­них воздействий на материалы этих приборов. Так, проводниковые материалы, применяемые в электровакуумной технике, должны со­хранять работоспособность при температурах до 1000 – 1500°С и выше, а сверхпроводниковые материалы – при очень низких тем­пературах, близких к абсолютному нулю. В ряде случаев материалы радиоэлектронной техники должны выдерживать резкие перепады температур (термоудары), повышенную влажность окружающей среды, воздействие химически активных веществ, проникающее из­лучение и др. Электрорадиоматериалы должны быть также устой­чивы к механическим воздействиям, вибрациям, ударным нагрузкам при больших ускорениях, что характерно для эксплуатации борто­вой аппаратуры авиационной и космической техники.

Чтобы правильно использовать электрорадиоматериалы, необхо­димо представлять себе физическую сущность явлений, характерных для каждого типа материала при его взаимодействии с электриче­скими и магнитными полями, а также при влиянии на него основ­ных физико-технологических факторов. Поэтому каждый раздел электронного учебника начинается с рассмотрения физических процессов, происходящих в материалах. Без знания струк­туры электрорадиоматериалов невозможно правильное понимание электрических и магнитных свойств материалов, их механической прочности, процессов старения и т. д., поэтому первый раздел учебника посвящен изучению структуры материалов.

Материальным воплощением любой идеи электроники явля­ются изделия и устройства электронной техники. Любой такой прибор или устройство состоит из элементов, т.е. отдельных дета­лей, выполняющих определенные функции по отношению к элек­трическому сигналу или энергии. В аппаратуре отдельные элемен­ты конструктивно и электрически объединены друг с другом в единый узел в соответствии с принципиальной электрической схе­мой, на которой каждый тип элемента имеет условное схемное изображение.

Различают пассивные и активные элементы электронной тех­ники. Пассивные элементы служат для перераспределения токов, напряжений и энергии между отдельными участками электриче­ских цепей. К ним относятся разного рода резисторы, конденса­торы, катушки индуктивности, а также соединительные и ком­мутационные элементы.

Активные элементы предназначены, прежде всего, для преоб­разования электрических сигналов или энергии. В качестве актив­ных элементов применяются различные электронные лампы, ки­нескопы, умножители тока, фотоэлементы, полупроводниковые диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы, пьезоэлементы, ячейки сегнетоэлектрической и магнитной памяти, сверхпро­водящие криотроны, пироэлектрические преобразователи, элек­треты, жидкокристаллические индикаторы, сенсорные элементы и др.

Многие элементы твердотельной электроники могут быть из­готовлены как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Дискретные элементы фактически можно рассматривать как ком­поненты электронной аппаратуры. Наиболее распространенными из таких компонентов являются интегральные микросхемы, от­носящиеся к изделиям микроэлектроники.

При выборе того или иного материала для изготовления радио­электронных устройств важное значение имеет экономический ас­пект, т. е. электрорадиоматериалы должны иметь минимальную стоимость при условии обеспечения требуемых технических пара­метров. В первую очередь это относится к материалам, используе­мым в элементах, приборах и устройствах массового производства. Такие материалы не должны содержать дефицитных, редких ком­понентов, технология их производства должна быть достаточно простой, что позволит легко автоматизировать выпуск соответст­вующих изделий.

Для создания высококачественных приборов и устройств необ­ходимы материалы, удовлетворяющие комплексу различных техни­ческих требований. Эти требования и методы испытаний материа­лов приведены в нормативной технической документации: государ­ственных общесоюзных стандартах (ГОСТ), отраслевых стандар­тах (ОСТ), технических условиях (ТУ) и др. Стандартизованы также основные термины и определения, относящиеся к электрорадиоматериалам. Требования, изложенные в нормативной докумен­тации, являются законом для всех предприятий, выпускающих электрорадиоматериалы, а также для приборостроительных пред­приятий, использующих эти материалы.

Раздел 1 ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Тема 1.1 Строение и свойства вещества

Классификация материалов

Электротехнические материалы можно разбить на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные – диэлектрики.

Проводниковые отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электротехнических устройствах в качестве проводников электрического тока: провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии, в линиях связи, контактных узлах, в обмотках трансформаторов, реле, электрических машинах и т.д.

Полупроводниковые по удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их особые свойства позволяют использовать их в различных отраслях электротехники и электроники: усилителях, выпрямителях, фотодатчиках, в специальных источниках тока и т.д.

Магнитные материалы способны усиливать магнитное поле, в которое их помещают. Они используются для изготовления магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, для экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. Они служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей.

Технические диэлектрики бывают газообразные, жидкие и твердые. Наибольшее распространение получили твердые диэлектрики. Они могут быть органические, неорганические и элементоорганические – промежуточные по своему составу между первыми двумя, аморфные и кристаллические, природные, искусственные и синтетические (полимеры).

Виды связей

Все вещества – газообразные, жидкие и твердые – построены из атомов и молекул. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. Каждый электрон испытывает не только притяжение со стороны ядра, но и отталкивание со стороны электронов. Внутренние электронные слои образуют экран, ослабляющий притяжение внешних электронов к ядру. Электроны наружного слоя называются валентными, наименее прочно связанные с ядром. Они могут отрываться от одного атома и притягиваться к другому, входя в состав внешнего электронного слоя последнего. Атом, лишенный одного или нескольких электронов, становится заряженным положительно, а атом, присоединивший к себе лишние электроны, заряжается отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называют ионами.

Химические свойства элементов, определяющие способность их атомов в соединения с атомами других веществ и образовывать молекулы, обусловлены внешними валентными электронами. Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его свойства.

Существуют следующие виды связей, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы: ковалентная, донорно-акцепторная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь характеризуется образованием устойчивых электронных пар из электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам. Вещества, образованные молекулами с ковалентной связью, характеризуются высокой твердостью. Они тугоплавки и химически инертны (алмазы, кремний и некоторые неорганические соединения).

Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи. Возникает она между атомами элементов, один из которых способен отдать электроны (донор), а другой способен принять эти электроны (акцептор). Это соединения, образованные элементами третьей и пятой групп периодической системы Д.И. Менделеева, например арсенид галлия GaAs.

Ионная связь вызывается силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами. Это типичные металлы и типичные неметаллы. К ним относятся большинство солей и некоторые оксиды. Ионные соединения по механической прочности и химической стойкости уступают веществам с ковалентной связью.

Металлическая связь между атомами наблюдается в металлах. Атомы металлов способны отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы, или их вновь присоединять, превращаясь в нейтральные атомы. Металлы можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных, коллективизированных электронов.

Таким образом, металлическая связь определяется одновременным наличием ковалентной связи между нейтральными молекулами и электростатическим притяжением между ионами и свободными электронами, что обеспечивает монолитность и прочность металла. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Высокая пластичность металлов объясняется отсутствием направленности металлической связи. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Кристаллическое строение вещества

В твердых веществах атомы и молекулы расположены в геометрически правильном порядке или в хаотическом беспорядке. Соответственно вещества называются кристаллическими и аморфными.

Кристаллическими являются большинство твердых веществ. Каждое вещество образует кристаллы определенной формы, которая отражает его внутреннее строение и обусловлена геометрически правильным расположением атомов или молекул, образующих кристалл. Такое расположение атомов представляют в виде кристаллической решетки.

Строение и свойства вещества

Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом, и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристал­лической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространст­венной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не ря­дом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансля­цией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Рисунок 1.1 – Кристаллическая решетка.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.

Геометрически возможны 14 видов пространственных решеток, являющихся основой сими систем кристаллических решеток – сингоний (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая).

Наиболее часто встречаются разновидности кубической решетки. На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрирован­ная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 2, б).

В кубической объемно-центрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 2, а).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 2, в).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом Iк называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.


а) гранецентрированная кубическая (ГЦК); б) объемно-центрированная кубическая (ОЦК); в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка

Рисунок 1.2 - Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности. Решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами. Под параметрами понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку.

Аморфные вещества

Характеризуются беспорядочным расположением атомов и молекул, т.е. в них отсутствует кристаллическое строение. Они делятся на две группы: простые аморфные вещества – низкомолекулярные жидкости, неорганические стекла, плавленый кварц; высокополимерные соединения – каучук, резина, органические стекла, смолы.

Аморфно-кристаллические вещества

Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, оксид кремния – SiO2. Смешанную структуру имеют многие органические материалы (полимеры).



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть i ) кредиты 3 аннотация дисциплины

    Документ
    ... ансамблей. Физико-химический анализ дисперсных систем. Модуль 2. Явления на границе раздела фаз. Общие ... – 17 часов. Составила доцент Г.А. Чиганова Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть II) Кредиты ...
  2. Раздел «молекулярная физика» в школьном курсе физики § 1 значение место и особенности раздела «молекулярная физика»

    Задача
    ... этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение ... , но и в электрических, магнитных, химических и др. В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия ...
  3. Физико-химические основы технологии строительных материалов

    Документ
    ... Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно-строительного материаловедения, активационно- ... создания бездефектных материалов 86 1.4.6. Физико-химические основы технологии производства асфальтобетонных смесей и ...
  4. Материаловедение и технология конструкционных материалов

    Учебно-методический комплекс
    ... – дать основы материаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических ... группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют ...
  5. Евгений петрович прокопьев ( rus )( eng ) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

    Документ
    ... . Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. - Деп. в ... процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ...

Другие похожие документы..