Пособие предназначено для студентов вузов, специализирующихся в об-ласти химической технологии материалов и изделий электронной техники. Именно они в боль-шинстве случаев являются главными элементами электронных приборов.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
2
УДК 621.38:620.22(075.8)
ББК


32.85:30.3я73-1


М268
Представлены общие сведения о материалах, используемых в современ-
ной электронике, и физике явлений, происходящих в проводниковых, полу-
проводниковых, диэлектрических и магнитных материалах. Рассмотрены
электрические и магнитные свойства материалов. Показаны технологии про-
изводства важнейших материалов и их применение. Изложены физические
принципы, положенные в основу материалов и технологий наноэлектроники.
Пособие предназначено для студентов вузов, специализирующихся в об-
ласти химической технологии материалов и изделий электронной техники.
Марков, В. Ф.
Материалы современной электроники : [учеб. пособие] /
В.
Ф. Марков, Х. Н. Мухамедзянов, Л. Н. Маскаева ; [под общ.
ред. В. Ф. Маркова] ; М-во образования и науки Рос. Федера-
ции, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та,
2014. – 272 с.
ISBN 978-5-7996-1186-6
Под общей редакцией
доктора химических наук, профессора В. Ф.
Марков
а
Рецензенты
О. В.
Бушков
а, доктор химических наук,
заведующая лабораторией источников тока
(Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН);
А. В.
Шнайде
р, кандидат технических наук, доцент,
начальник кафедры пожарной автоматики
(Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России)
М268
ISBN 978-5-7996-1186-6
УДК 621.38:620.22(075.8)
ББК
32.85:30.3я73-1
© Уральский федеральный университет, 2014
© Марков В. Ф., Мухамедзянов Х. Н.,
Маскаева Л. Н., 2014
3
ОГ
ЛАВ
ЛЕНИЕ
От авторов
.................................................................................................. 8
1. Этапы развития электронной техники.
Классификация материалов
................................................................ 9
1.1. Развитие электроники ....................................................................... 9
1.2. Классификация материалов ............................................................ 11
2
.
Физические основы электронного материаловедения
.................. 16
2.1. Основные типы взаимодействий между атомами ......................... 16
2.2. Виды химической связи в соединениях ........................................ 17
2.2.1. Ионная связь .......................................................................... 17
2.2.2. Ковалентная связь ................................................................. 18
2.2.3. Вандерваальсова, или молекулярная, связь .......................... 21
2.2.4. Металлическая связь ............................................................. 22
2.3. Образование в твердом теле объемных разрешенных
энергетических зон. Принцип Паули ............................................... 23
2.4. Элементы зонной теории твердых тел .......................................... 26
2.5. Влияние агрегатного состояния
на электрические свойства веществ ............................................... 29
2.6. Особенности строения твердых тел ................................................ 30
3. Проводящие материалы
..................................................................... 34
3
.1. Физическая природа электропроводности металлов .................... 34
3.2. Зависимость электропроводности металлов от температуры ...... 37
3.3. Электрические свойства металлических сплавов ......................... 40
3.4. Сопротивление проводников на высоких частотах ....................... 41
3.5. Сопротивление тонких металлических пленок.
Размерный эффект ........................................................................... 42
3.6. Контактные явления в металлах ..................................................... 44
3.7. Медь ..........................................................................................
........ 45
3.8. Алюминий ......................................................................................
.. 47
3.9. Сверхпро
водящие металлы и сплавы ............................................ 48
4
3.10. Специальные сплавы ...................................................................... 51
3.11. Сплавы для термопар ..................................................................... 52
3.12. Сплавы для корпусов приборов .................................................... 52
3.13. Тугоплавкие металлы .................................................................... 53
3.14. Благородные металлы .................................................................... 55
3.15. Припои .......................................................................................
..... 56
3.16. Неметаллические проводящие материалы ................................... 57
4. Полупроводники
................................................................................... 58
4.1 Классификация полупроводниковых материалов .......................... 58
4.2. Собственные и примесные полупроводники ................................ 60
4.3. Температурная зависимость концентрации носителей заряда ..... 62
4.4. Подвижность носителей заряда в полупроводниках .................... 63
4.5. Электрофизические явления в полупроводниках ......................... 64
4.5.1. Фотопроводимость ................................................................. 64
4.5.2. Люминесценция ..................................................................... 66
4.5.3. Термоэлектродвижущая сила ................................................ 67
4.5.4.
Эффект Холла ........................................................................ 67
4.5.5. Эффект Ганна ......................................................................... 68
4.6. Кремний .......................................................................................
.... 68
4.6.1. Получение кремния ............................................................... 68
4.6.2. Свойства кремния .................................................................. 71
4.6.3. Марки кремния ...................................................................... 72
4.7. Германий .....................................................................................
..... 74
4.7.1. Получение германия .............................................................. 74
4.7.2. Свойства германия ................................................................. 75
4.8. Карбид кремния ................................................................................
76
4.9. Полупроводниковые соединения А
II
I
В
V
........................................ 77
4.10. Твердые растворы на основе соединений А
II
I
В
V
......................... 80
4.11. Полупроводниковые соединения A
I
I
B
VI
и ТРЗ на их основе ...... 83
4.12. Полупроводнико
вые соединения A
I
V
B
VI
и ТРЗ на их основе ..... 85
5. Диэлектрики
......................................................................................... 89
5.1. Классификация и основные свойства диэлектриков .................... 89
5.2. Электропроводность диэлектриков ................................................ 95
5.3. Потери в диэлектриках .................................................................... 97
5.4. Пробой диэлектриков ...................................................................... 99
5.5. Полимеры в электронной технике ............................................... 103
5
5.6. Ко
мпозиционные пластмассы и пластики ................................... 105
5.7. Электроизоляционные компаунды ............................................... 106
5.8. Неорганические стекла .................................................................. 107
5.9. Ситаллы .......................................................................................
... 109
5.10. Керамики .....................................................................................
... 110
5.11. Активные диэлектрики ................................................................. 112
5.11.1. Сегнетоэлектрики .............................................................. 112
5.11.2. Пьезоэлектрики .................................................................. 115
5.11.3. Пироэлектрики. Пироэлектрический эффект ................. 116
5.12. Электреты ....................................................................................
.. 117
5.13. Жидкие кристаллы ......................................................................... 117
5.14. Материалы для твердотельных лазеров ....................................... 120
6. Магнитные материалы
.................................................................... 121
6.1. Классификация магнитных материалов ....................................... 121
6.2. Магнитомягкие материалы ............................................................ 124
6.3. Магнитотвердые материалы ......................................................... 126
7. Способы получения монокристаллических материалов
........... 128
7.1. Выращивание монокристаллов из расплавов .............................. 129
7.2. Выращивание монокристаллов из растворов ............................. 135
7.3. Выращивание монокристаллов из газовой среды ...................... 139
8. Пленочные технологии
..................................................................... 141
8.1. Методы получения тонких пленок ............................................... 141
8.2. Термическое вакуумное напыление ............................................. 142
8.3. Катодное вакуумное распыление ................................................. 149
8.4. Ионно-плазменное распыление .................................................... 152
8.5. Магнетронное распыление ........................................................... 155
8.6. Лазерное распыление ..................................................................... 156
8.7. Элионные технологии ................................................................... 157
8.8. Эпитаксиальные процессы в технологии материалов
электронной техники ..................................................................... 158
8.8.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия ....................................... 160
8.8.2. Газофазная эпитаксия .......................................................... 162
8.8.3. Жидкофазная эпитаксия ..................................................... 163
8.8.4. Автоэпитаксия кремния ...................................................... 163
8.8.5. Гетероэпитаксия кремния ................................................... 165
6
8.8.6. Эпитаксия пол
упроводниковых соединений А
II
I
B
V
и ТРЗ на их основе .............................................................. 166
8.8.7. Эпитаксия карбида кремния ............................................... 169
8.9. Химические методы осаждения пленок ....................................... 170
8.9.1. Электрохимическое осаждение .......................................... 170
8.9.2. Анодное электрохимическое окисление ........................... 171
8.9.3. Пиролитическое осаждение ................................................ 172
8.9.4. Химическая металлизация .................................................. 172
8.9.5. Гидрохимическое осаждение .............................................. 174
9. Технологии подготовки и обработки
полупроводниковых материалов
..................................................... 175
9.1. Резка полупроводниковых материалов ........................................ 175
9.2. Шлифование и полирование полупроводниковых пластин ....... 178
9.3. Химическая обработка поверхности полупроводников ............. 180
9.4. Методы очистки поверхности ...................................................... 184
9.5. Фотолитография (операции, материалы) ..................................... 186
10. Материалы наноэлектроники: физические принципы,
свойства, технологии
....................................................................... 194
10.1. Предпосылки перехода от микро- к наноэлектронике ........... 194
10.2. Понятие наноматериалов и их виды ......................................... 196
10.3. Размерные эффекты .................................................................. 199
10.4. Внутренние размерные эффекты и их проявление ................. 201
10.5. Изменение объемных свойств наноматериалов ...................... 209
10.5.1. Зависимость теплоемкости, параметров
кристаллической решетки, температуры
фазовых переходов от размера частиц ........................ 209
10.5.2. Электрические свойства наноматериалов ................... 214
10.5.3. Магнитные и ферромагнитные характеристики
наноматериалов .............................................................. 216
10.5.4. Оптические характеристики наносред ........................ 217
10.5.5. Механические характеристики дисперсных сред ....... 218
10.5.6. Химические свойства наноматериалов ........................ 220
10.5.7. Нанокатализ ................................................................... 221
10.5.8. Биологически активные свойства наноматериалов .... 222
10.6. Методы получения наноматериалов ........................................ 223
10.6.1. Методы механического диспергиро
вания. Измельчение 224
7
10.6.2. Методы интенсивной пластической деформации.
Механическое воздействие различных сред ............... 226
10.6.3. Механохимический синтез ........................................... 228
10.6.4. Детонационный синтез и электровзрыв ...................... 229
10.6.5. Методы физического диспергирования. Распыление
расплавов. Метод испарения-конденсации .................. 230
10.6.6. Вакуум-сублимационные технологии получения
наноматериалов ............................................................. 236
10.6.7. Газофазный синтез ........................................................ 238
10.6.8. Плазмохимический синтез ........................................... 242
10.6.9. Получение наноматериалов с использованием
химических реакций ..................................................... 242
10.6.10. Термическое разложение и восстановление ............. 245
10.6.11. Коллоидно-химическое осаждение ............................ 246
10.6.12. Электрохимический метод ......................................... 246
10.6.13. Метод Ленгмюра – Блоджетт ...................................... 247
10.6.14. Биологические методы получения
наноразмерных материалов ....................................... 248
10.6.15. Технологии получения консолидированных
наноструктурных материалов ..................................... 248
10.7. Методы исследования и аттестации наноматериалов ............ 251
10.8. Технологии получения, функциональные свойства
и применение изделий наноэлектроники ................................ 257
10.8.1. Формирование квантовых точек
посредством эпитаксии ................................................. 257
10.8.2. Методы литографии ...................................................... 257
10.8.3. Методы получения нанотрубок ................................... 260
10.8.4. Формирование нанопроволок. Свойства
и применение нанопроводов ........................................ 261
10.8.5. Материалы и изделия нанофотоники .......................... 262
10.9.

Материалы и устройства молекулярной электроники

............ 264
10.9.1. Молекулы-проводники и молекулы-изоляторы ........... 264
10.9.2. Молекулы-диоды ............................................................ 265
10.9.3. Молекулы-транзисторы ................................................. 265
10.9.4. Молекулярные элементы памяти .................................. 266
Список рекомендуемой литературы ....................................................... 268
8
ОТ АВ
Т
ОР
ОВ
Материаловедение является основой современной промышлен-
ности, в первую очередь машиностроения, приборостроения, радио-
техники, электроники, сенсорной техники.
Приборами электронной техники в целом может считаться весь
комплекс изделий, принципы работы которых основаны на элект-
ронных явлениях и процессах, – от электронных ламп и кинеско-
пов до БИС. Однако в настоящее время к электронной технике глав-
ным образом относят полупроводниковые приборы и устройства,
а
остальные электронные приборы относят к радиоэлектронным
и электротехническим устройствам.
Различают производство полупроводниковых материалов и по-
лупроводниковых приборов и интегральных схем. Для производ-
ства всей номенклатуры полупроводниковых приборов исполь-
зуется до 20 тыс. наименований материалов. Специалист должен
уметь выбрать нужный материал с учетом поставленной задачи и
исходя из требуемых свойств. В ряде случаев нужный материал
синтезируется с заранее заданными характеристиками.
В учебном пособии рассматриваются основные электрические,
физико-химические и механические свойства проводниковых, по-
лупроводниковых и диэлектрических материалов, современные
методы их получения и области применения, даются характерис-
тики материалов с особыми магнитными свойствами.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по программам бакалавриата и магистратуры по направлениям под-
готовки «Химическая технология» и «Материаловедение и техно-
логии материалов», а также может быть полезно студентам других
сп
ециальностей и направлений, связанных с электронной техникой.
9
1.
ЭТ
А
ПЫ Р
А
ЗВИТИЯ
Э
ЛЕКТР
ОННОЙ ТЕХНИКИ.
КЛА
ССИФИКАЦИЯ МА
ТЕРИАЛОВ
Весь арсенал средств, которым располагает современная
эл
ектроника, был создан всего за несколько десятилетий. Еще в на-
чал
е XX в. человечество обходилось без радио, до середины XX
в. –
без телевидения и электронно-вычислительных машин. Все огром-
ное здание современной электроники строилось усилиями многих
изобретательных и талантливых умов.
1.1.
Развитие электроники
Использование электронных приборов в радиотехнике на-
чалось с того, что в 1904 г. Д. Флеминг изобрел двухэлектродную
лампу (диод) с накаленным катодом. В диоде использовалась термо-
эл
ектронная эмиссия, открытая в 1884 г. Т. Эдисоном, сущность ко-
торой, не зная об электронах, он не мог объяснить. Диод – это уже
эл
ектроника. Он был создан для конкретных технических нужд,
а
именно для детектирования высокочастотных колебаний. В 1907 г.
Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трех-
электродной, появилась возможность управлять током, протекаю-
щим в лампе между катодом и анодом, что позволило решить проб-
лему усиления электрических сигналов. К середине 1930-х гг. лам-
повая электроника была в основном сформирована.
Другим направлением в развитии электроники в 1930-е гг. было
создание специальных электронных приборов для сверхвысоких
ч
астот (СВЧ). В 1939 г. построены первые приборы для усиления
и генерирования колебаний СВЧ, названные пролетными клистро-
нами. В
1940 г. изобретен более простой отражательный клистрон.
10
В 1938–1940-е гг. сконструированы вакуумные триоды с плоскими
дисковыми электродами, нашедшие применение в СВЧ-диапазо-
не. В эти же годы для генерирования мощных СВЧ-колебаний раз-
рабатываются магнетроны.
С 1930-х гг. интенсивно развивалась полупроводниковая элект-
ро
ника. Ученые исследовали физические процессы в полупров
одни-
ках, влияние примесей на эти процессы, термоэлектрические и фо-
тоэлектрические свойства полупроводников, выпрямление пере-
менного тока полупроводниковыми приборами. Была разработана
ква
нтовая теория полупроводников, введено понятие подвижности
свободных мест кристаллической решетки полупроводника, полу-
чивших впоследствии название дырок, создана теория генерации
пар «электрон – дырка». Была экспериментально подтверждена
теория полупроводников, созданная школой советского академика
А. Ф. Иоффе.
Изобретателями транзистора являются Д. Бардин,
У. Брат-
тайн и У. Шокли. С изобретением транзистора
в 1948 г.
начался
новый этап в развитии радиоэлектроники – этап микроминиатю-
ризации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Применение тран-
зисторов вместо ламп позволило существенно сократить размеры
радиокомпонентов, уменьшить массу и объем РЭА и, что не менее
важно, снизить потребление электроэнергии и повысить надеж-
ность аппаратуры.
Развитие транзисторной электроники и совершенствование
технологии изготовления транзисторов привели к возникновению
нового направления в электронике –
микроэлектроник
и.
В 1960-е гг. были созданы первые интегральные схемы (ИС), в кото-
рых все элементы разрабатываются в едином технологическом про-
цес
се, нераздельно связаны и электрически соединены между собой
как единое целое, что позволило резко повысить надежность, еще
более уменьшить габариты и массу РЭА, повысить экономичность.
Интегральные схемы в середине 60-х гг. содержали до 100 эле-
ментов на полупроводниковом кристалле при размерах элементов
ок
оло 100 мкм. В начале 1970-х гг. появились большие интегральные
схемы (БИС), содержавшие на кристалле от 100 до
10
4
элементов
11
при размере элементов от 3 до 100 мкм. В конце 1970-х гг. созданы
сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие до
10
6
эле
-
ментов на кристалле при размере элементов от 1 до 3 мкм
. Дальней-
шее развитие микроэлектроники привело к освоению субмикрон-
ны
х размеров элементов микросхем. Исследования показали, что пре-
делом уменьшения размеров элементов является значение 0,2 мкм.
Однако достижение таких размеров связано с преодолением опреде-
ленных технологических трудностей. Иначе говоря, существуют
физические пределы развития интегральной микроэлектроники.
Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 1980-е гг.
развивалась
функциональная электроник
а,
по
зволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры
без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисто-
ров, транзисторов и т. п.), базируясь непосредственно на физичес-
ки
х явлениях в твердом теле. В функциональной электроник
е
используются такие механизмы, как оптические явления (опто-
электроника), взаимодействие потока электронов с акустическими
волнами в твердом теле (акустоэлектроника) и др.
Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зар
ож
-
дением нового направления –

наноэлектроник
и.

В на-
чал
е 1990-х гг. были созданы микроскопы, позволяющие не только
наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Нанотехнологии по-
зволяют, последовательно размещая нужные атомы и атомные
структуры в четком порядке и в точно определенном месте, кон-
струировать новые высокоэффективные эл
ектронные устройства.
1.2.
Классификация материалов
Из-за большого числа материалов, используемых в элект-
ронной технике, невозможно предложить их универсальную клас-
сификацию. Рассмотрим две основные:
По функциональному назначени
ю
материа-
лы электронной техники подразделяют на следующие группы:

основные (полупроводники, диэлектрики, магнитные мате-
риалы);
12

технологические (используемые в технологических процес-
сах): реактивы, подложки, защитные покрытия (SiO
2
, SiN, Al
2
O
3
),
металлы, сплавы, припои;

конструкционные (входящие в полупроводниковые изделия):
металлы, сплавы, стекла, керамика, клеи, пластмассы для корпу-
сов, токопроводящие материалы, защитные (лаки, эмали);

вспомогательные (газы для создания защитной атмосферы,
чистая вода, материалы для приспособлений).
По основным физическим свойства
м, оп-
ределяющим их использование:

по поведению в электрическом поле: проводниковые, полу-
проводниковые, диэлектрические;

по реакции на внешнее магнитное поле: диамагнетики, па-
рамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримаг-
нетики.
Самые важные группы электронных материалов составляют
проводники, полупроводники и диэлектрики. Именно они в боль-
ш
инстве случаев являются главными элементами электронных
приборов. Точную границу между ними провести трудно.
Проводниковыми
называют материалы, основным
электрическим свойством которых является сильно выраженная
электропроводность по сравнению с другими электротехнически-
ми материалами. Их применение в технике обусловлено в основ-
ном этим свойством, определяющим высокую удельную электри-
ческую проводимость при нормальной температуре.
Полупроводниковыми
называют материалы, кото-
рые являются по своей удельной проводимости промежуточными
между проводниковыми и диэлектрическими, их отличительным
свойством является сильная зависимость удельной проводимости
от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а так-
же от внешних энергетических воздействий – температуры, осве-
щенности и т. п.
Диэлектрическими
называют материалы, основным
электрическим свойством которых является способность к поля-
ризации и в которых возможно существование электростатиче
с-
13
ко
го п
оля. Реальный диэлектрик тем ближе по своим свойствам
к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем сла-
бее в нем выражены замедленные механизмы поляризации, связан-
ные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.
По своим свойствам диэлектрические материалы подразделяются
на пассивные и активные. На основе пассивных свойств диэлект-
рические материалы применяют в качестве электроизоляционных
материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Элект-
ро
изоляционными материалами называют диэлектрики, которые
не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью
и
золируют электрические цепи друг от друга или токоведущие
час-
ти устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведу-
щих частей (корпус, заземление). В этом случае величина диэлект-
р
ической проницаемости материала не играет особой роли или
должна быть минимальной, чтобы не вносить в схемы паразитные
емкости. В случае использования материала в качестве диэлект-
рика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров
при прочих равных условиях желательно иметь большую величи-
ну диэлектрической проницаемости материала.
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнето-
электрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры,
материалы для излучателей и затворов в лазерной технике и др.
Условно к проводникам относятся материалы с удельным элект-
рическим сопротивлением
r
< 10
–5
О
м·
м, а к диэлектрикам – мате-
риалы, у которых
r
> 10
8
О
м·
м. При этом надо заметить, что удель-
ное сопротивление хороших проводников может составлять всего
10
–8
О
м·
м, а у лучших диэлектриков превосходит 10
16
О
м·
м.
Удельное сопротивление полупроводников в зависимости
от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуа-
тации может изменяться в пределах 10
–5
...10
8
О
м·
м.
Хорошими проводниками электрического тока являются ме-
таллы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять относят-
ся к неметаллам. Двенадцать элементов могут проявлять полупро-
водниковые свойства. Кроме элементарных веществ, существуют
тысячи химических соединений, сплавов или композиций со сво
й-
14
ствам
и проводников, полупроводников или диэлектриков. В то же
время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свой-
ства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что
для металлов проводящее состояние является основным, а для по-
лупроводников и диэлектриков – возбужденным.
Еще по одной из классификаций, исходя из области примене-
ния, материалы, используемые в электронной технике, условно
подразделяют на электротехнические, конструкционные и специ-
ального назначения.
Электротехническим
и называют материалы,
х
арактеризуемые определенными свойствами по отношению
к
электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом
э
тих свойств. На практике различные материалы подвергаются
воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так
и их совокупности. По поведению в магнитном поле электротех-
нические материалы подразделяются на сильномагнитные (магне-
тики) и слабомагнитные. Большинство электротехнических мате-
риалов можно отнести к слабомагнитным или практически немаг-
нитным. Среди магнетиков следует также различать проводящие,
полупроводниковые и практически непроводящие, что определяет
частотный диапазон их применения.
В зависимости от условий эксплуатации к материалам, исполь-
зуемым в электронной аппаратуре, предъявляются очень жесткие
и разносторонние требования. Изоляционные материалы, напри-
м
ер, должны иметь низкие диэлектрические потери и высокую
электрическую прочность. Магнитные сердечники должны обла-
дать большой магнитной проницаемостью и повышенным удель-
ны
м электрическим сопротивлением. Материалы должны быть
по
возможности легкими, механически прочными, не бояться тря
с-
ки, вибраций и ударных нагрузок с большими ускорениями. Мате-
риалы, используемые для аппаратуры массового потребления, долж-
ны быть дешевыми. Технология изготовления из них изделий долж-
на быть простой, допускающей автоматизацию производства.
Материалы могут оказываться под воздействием электромаг-
ни
тных волн различных частот, многие из которых совпадают
с час-
15
тотами собственных колебаний частиц вещества. Поэтому при кон-
струировании аппаратуры необходимо рассчитывать системы с со-
средоточенными и распределенными параметрами. В первом слу-
ча
е размеры деталей малы по сравнению с длиной волны, а токи
в разных сечениях системы в один и тот же момент времени прак-
тически одинаковы.
Во втором случае токи в различных сечениях системы не-
од
инаковы и представляют собой функции не только времени, но
и размеров системы. К системам с распределенными параметрами
принадлежат волноводы, объемные резонаторы и другие детали,
применяемые в технике сверхвысоких частот.
16
2.
ФИЗИЧЕСКИЕ О
СНОВЫ
Э
ЛЕКТР
ОННОГ
О МА
ТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
2.1.
Основные типы взаимодействий
между атомами
Электрические свойства вещества тесно связаны с тем,
как его атомы взаимодействуют между собой. Кратко рассмотрим
основные типы взаимодействия между атомами, сначала простей-
ший случай на примере взаимодействия двух атомов. На рис. 2.1
схематически показана зависимость потенциальной энергии
U
двух
атомов от расстояния
R
между их ядрами для двух важных типич-
н
ых случаев. При этом энергия атомов в отсутствие взаимодейст
-
вия (
R
= 0) принята за начало отсчета. В случае
1
энергия везде
Рис. 2.1. Зависимость потенциальной энергии
U
двух атомов
от расстояния
R
между их ядрами
1
2
U
R
R
0
0
U
от
U
пр
17
поло
жительна и увеличивается при уменьшении расстояния. Это
означает, что между атомами действует сила отталкивания при лю-
бо
м значении
R
, а значит, образование молекулы невозможно. В слу-
чае
2
потенциальная энергия имеет минимум при некотором рас-
стоянии
R
0
. Здесь возможно образование устойчивой двухатомной
молекулы.
Кривая
2
разложена на части, соответствующие силам притяже-
ния (
U
пр
) и отталкивания (
U
от
). Кривую потенциальной энергии
2
можно истолковать как результат существования двух сил – при-
тяжения и отталкивания. Полная потенциальная энергия состоит
и
з суммы двух слагаемых: положительного
U
от
(отталкивание), быст-
ро убывающего при увеличении расстояния, и отрицательного
U
пр
(притяжение), уменьшающегося с расстоянием более медленно.
2.2.
Виды химической связи в соединениях
Различают следующие основные типы химической свя-
зи: а) ионная, или гетерополярная; б) ковалентная, или гомеопо-
лярная; в) вандерваальсова, или молекулярная; г) металлическая.
В типичных проводниках существенную роль играют только два
первых типа связи.
2.2.1.
Ионная связь
В случае ионной связи силы притяжения – кулоновские
электростатические силы. Такой тип связи характерен для двух-
атомных молекул щелочно-галоидных соединений, например в мо-
лекуле NaCl. При образовании такой молекулы единственный ва-
лентный электрон натрия 3
s
переходит на атом хлора (у которого
не хватает как раз одного электрона для завершения группы 3
p
),
вследствие чего образуются два иона – Na
+
и С1

, притягивающие-
ся друг к другу.
Такой переход электрона происходит потому, что он энергети-
чески выгоден, ибо вследствие притяжения между возникающими
ионами Na
+
и Сl

общая энергия этой системы оказывается мень-
18
ше, чем
в случае нейтральных атомов Na и С1. На больших рас-
стояниях взаимодействие ионов можно рассматривать приближен-
но как взаимодействие точечных зарядов и считать, что часть энер-
гии взаимодействия, связанная с силами притяжения, равна

e
2
/
R
.
С другой стороны, при малых
R
должны проявляться силы оттал-
кивания. Они обусловлены взаимным проникновением друг в дру-
га электронных оболочек атомов, а также отталкиванием одно-
именно заряженных ядер.
Во многих случаях с достаточным приближением можно счи-
тать, что величина силы отталкивания обратно пропорциональна
некоторой степени расстояния между ядрами. Поэтому полную
энергию взаимодействия можно представить в виде интерполяци-
онной формулы

2
–,
m
ae
U
RR
=
(2.1)
где
а
и
m
– некоторые постоянные, характеризующие силы оттал-
кивания. При
m
> 1 зависимость
U
(
R
) изображается кривой типа
2
(см. рис. 2.1) и имеет минимум при некотором равновесном рас-
стоянии
R
0
между ионами.
2.2.2.
Ковалентная связь
В наиболее чистом виде эта связь осуществляется в слу-
чае одинаковых, незаряженных атомов. Классическим примером
является молекула водорода. Возникновение связи можно объяс-
нить следующим образом.
Предположим, что два атома водорода в основном состоянии
сначала удалены на большое расстояние так, что никакого взаимо-
действия между ними нет. В этом случае распределение плотности
объемного заряда в каждом из атомов обладает сферической сим-
метрией. Каждый атом имеет в этом состоянии некоторую энер-
гию

Е
0
, так что полная энергия системы равна 2
Е
0
. Представим, что
расстояние
R
между ядрами атомов уменьшается. Вследствие взаи-
модействия между электронами и ядрами, входящими в со
став каж-
19
дого из ато
мов, изменится и распределение электронной плотнос-
ти, и полная энергия системы, которая теперь будет
Е
= 2
Е
0
+
U
(
R
).
Величина
U
(
R
) есть средняя энергия кулоновского взаимодействия
зарядов. При классическом рассмотрении задачи она оказывается
вс
егда положительной и увеличивается при уменьшении
R
, так
что наблюдается отталкивание двух атомов водорода. Поэтому факт
су
ществования молекулы Н
2
в классической теории не находит
никакого объяснения. Принципиально другой результат получает-
ся в квантовой механике.
Благодаря специфическим особенностям поведения тождест-
венных частиц (в данном случае электронов) средняя энергия ку-
лоновского взаимодействия может оказаться отрицательной. Ее
можно представить в виде суммы двух членов, один из которых
имеет чисто классический вид (и всегда положителен), второй же
и
меет различные знаки (и различную величину) в зависимости
от относительной ориентации спинов электронов. Этот второй член
называется обменной энергией. Если спины электронов парал-
лельны друг другу, то для полной энергии взаимодействия
U
(
R
)
получается кривая типа
1
(см. рис. 2.1). Кривые равной плотности
заряда в электронном облаке такой системы схематично изобра-
жены на рис. 2.2,
а
. В этом случае плотность заряда между атома-
ми
имеет минимум, и отрицательный заряд локализован у кажд
о-
го из ядер.
Рис. 2.2. Распределение электронной плотности
у двух взаимодействующих атомов водорода:
а
– электронные спины параллельны (отталкивание);
б
– электронные спины ан-
типараллельны (молекула Н
2
)
а
б
20
Энергия взаимодействия всегда положительна, а следователь-
но, два атома Н в таком состоянии отталкиваются. Если оба спина
ант
ипараллельны, то зависимость
U
(
R
) изображается кривой тип
а
2
(см. рис. 2.1); она имеет минимум, объясняющий возможность об-
ра
зования устойчивой молекулы Н
2
при
R
=
R
0
. Кривые равной
плотности заряда для этого случая показаны на рис. 2.2,
б
.
Здесь электронные облака обоих атомов как бы сливаются вмес-
те и образуют единое облако объемного заряда, охватывающее оба
ядра. Важным свойством ковалентной (гомеополярной) связи яв-
ляется ее насыщаемость. При сближении с молекулой Н
2
третьего
атома Н энергия взаимодействия изменяется только за счет класси-
ческого взаимодействия, обменная же энергия при этом не возни-
кает, поэтому третий атом Н будет отталкиваться от молекулы Н
2
.
Другая важная особенность гомеополярных связей заключает-
ся в их пространственной направленности, которая возникает по-
тому, что результирующее электронное облако, образуемое ва-
лентными атомными электронами, вытянуто вдоль определенных
направлений.
С другой стороны, для образования гомеополярной связи необ-
ходимо перекрытие электронных облаков взаимодействующих ато-
мов. Поэтому связываемые атомы ориентированы определенным
образом друг относительно друга.
Сказанное схематически поясняет рис. 2.3, где в двумерном
п
редставлении показано электронное облако атома углерода (
а
).
Оно характеризует некоторое результирующее электронное состоя-
ние, образованное суперпозицией одного состояния 2
s
и трех со-
стояний 2
р
.
Там же изображены соответствующие ему четыре направлен-
ные валентности (рис. 2.3,
б
). В действительности эти четыре ва-
ле
нтности лежат не в одной плоскости, а образуют тетраэдри-
че
ское расположение, составляя друг с другом углы 109,5°. Четкое
ра
зграничение между ковалентной и ионной связями не всегда
возможно.
Гомеополярную связь в чистом виде мы имеем в молекулах
из двух одинаковых атомов, например в молекуле водорода, где рас-
пределение электронной плотности
симметрично относительно
21
обоих ядер. Если оба атома различны, то и результирующее элект-
ронное облако в молекуле будет асимметрично и оба атома нельзя
уже считать незаряженными.
Ионную связь можно рассматривать как предельный случай
гомеополярной связи, когда электронное облако валентных элект-
ронов сосредоточивается вокруг одного из ядер. Она проявляется
преимущественно в соединениях щелочных металлов,
s
-электрон
которых слабо связан с ядром атома.
2.2.3.
Вандерваальсова, или молекулярная, связь
Изучение поведения реальных газов показывает, что меж-
ду нейтральными атомами, даже в случае, когда гомеополярные
(валентные) силы полностью отсутствуют, возникают силы при-
тяж
ения, быстро убывающие с расстоянием. Происхождение этих
так называемых вандерваальсовых, или дисперсионных, сил тоже
в основном квантовомеханическое. Вандерваальсовы силы игра-
ют
существенную роль в кристаллах благородных газов, а такж
е
в так называемых молекулярных кристаллах. Молекулярная связь
возникает между молекулами с ковалентным характером внутри-
молекулярного взаимодействия.
Межмолекулярное притяжение возникает при согласованном
движении валентных электронов в соседних молекулах, т. е. когда
в любой момент времени электроны соседних молекул максималь-
Рис. 2.3. Электронное облако 2
s
-электронов и 2
р
-электронов атома
углерода (
а
) и четыре его направленные валентности (
б
)
а
б
4
+
22
но удален
ы друг от друга и максимально приближены к положи-
тельным зарядам ядер соседних молекул (рис. 2.4). Тогда силы при-
тяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказы-
ваются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек
этих молекул.
За счет молекулярных связей образуется твердое состояние
инертных газов, водорода, кислорода, азота. Молекулярная связь
легко разрушается тепловым движением.
Рис. 2.4. Межмолекулярное взаимодействие
+
+
+
+
Молекула 1
Молекула 2
2.2.4.
Металлическая связь
Возникает между атомами с небольшим числом валент-
ных электронов, что характерно для металлов. При сближении та-
ких
атомов, как и при ковалентной связи, происходит перекрывание
эл
ектронных оболочек и обобществление валентных электронов
с той лишь разницей, что обобществленные электроны не локали-
зуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются между ато-
мами, образуя «электронный газ».
При этом атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в по-
ложительные ионы, силы отталкивания между которыми уравно-
ве
шиваются силами притяжения между ионами и электронами.
В
результате такой связи образуется кристаллическая структура,
в которой атомы металла находятся на строго определенном рас-
стоянии друг от друга в среде коллективизированных электронов
(рис. 2.5).
23
2.3.
Образование в твердом теле
объемных разрешенных энергетических зон.
Принцип Паули
Чтобы понять физические основы поведения электронов
в твердых телах, рассмотрим их поведение в изолированном ато-
ме. На
чнем с анализа разрешенных значений энергии для элект-
ро
на, находящегося под воздействием только одного атомного ядра.
При рассмотрении вопросов, связанных с физикой полупроводни-
ков, используются две дополняющие друг друга модели: зонная
модель и модель электронных связей. Рассмотрим сначала зонную
модель твердых тел.
Как известно, электрон, находящийся под воздействием куло-
новского потенциала атомного ядра, может иметь только вполне
определенные разрешенные значения энергии, т. е. электрон мо-
жет занимать только один из последовательности энергетических
уро
вней, расположенных ниже некоторого уровня с относительной
энергией, принимаемой за нуль:

24
0
222
0
,
8
n
zmq
E
hn

=-
e
(2.2)
г
де
z
– число протонов в ядре;
m
0
– масса свободного электрона;
e
0
– диэлектрическая проницаемость вакуума;
h
– постоянная План-
ка;
n
– положительное целое число.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Рис. 2.5. Расположение электронов в структуре с металлической связью
24
Если с атомом связано более одного электрона, электроны за-
полняют разрешенные уровни начиная с низших значений энер-
гии. В соответствии с принципом Паули один энергетический уро-
вень могут занимать не более двух электронов с противоположны-
ми спинами.
Рассмотрим случай, когда электрон занимает в атоме наивыс-
ший из занятых уровней, и пренебрежем более низкими заполнен-
ными уровнями. Когда два изолированных атома находятся на боль-
шо
м расстоянии друг от друга, электрон, связанный с каждым из ато-
мов, имеет энергию
E
n
, определяемую уравнением (2.2). Если два
атома приближаются друг к другу, то атомное ядро одного атома
начинает воздействовать на внешний электрон другого атома. В ре-
зультате потенциал, который определяет энергетические уровни
электрона, изменяется. Вследствие этого изменения все разрешен-
ные уровни энергии электрона сдвигаются – появляются возму-
щенные энергетические уровни.
Рассматривая двухатомную систему, следует принимать во вни-
мание также принцип Паули. Уровень энергии
E
n
, который может
содержать не более двух электронов с противоположными спина-
ми, связан с каждым из изолированных атомов, поэтому во всей
двухатомной системе может содержаться не более четырех элект-
ронов. Однако в случае, когда два атома сближаются и образуют
единую систему, с разрешенным уровнем энергии
E
n
могут быть
связаны только два электрона. Поэтому разрешенный уровень энер-
гии
E
n
изолированных атомов должен расщепиться на два подуро
в-
ня со слегка различающимися энергиями, чтобы сохранить место
для всех четырех электронов. Таким образом, сближение двух ато-
мов друг с другом не только слегка возмущает каждый уровень энер-
гии изолированного атома, но и расщепляет его на два незначи-
тельно отстоящих друг от друга уровня энергии. При более тесном
сближении следует ожидать более сильных взаимодействий, а рас-
щепление должно стать более выраженным.
По мере того как добавляются другие атомы, образующие крис-
таллическую структуру, силы, воздействующие на каждый элект-
рон, продолжают изменяться, и в результате происходят д
альней-
25
шие измен
ения энергетических уровней. В соответствии с прин-
ципом Паули каждый разрешенный уровень энергии электрона
имеет слегка различающуюся энергию, так что кристалл будет ха-
рактеризоваться большим числом различных близко расположен-
ных уровней энергии. Каждый из первоначальных квантовых уров-
ней изолированного атома расщеплен много раз и содержит по од-
ному уровню для каждого атома в системе. Если в системе имеется
N
атомов, то первоначальный энергетический уровень
E
n
расщеп-
ляется на
N
различных подуровней, образующих энергетическую
зону, которая может содержать не более 2
N
электронов (вследствие
сп
инового вырождения). Так как число атомов в кристалле обыч-
но
велико (порядка 10
22
), а полная ширина энергетической зоны
по порядку величины составляет несколько электронвольт, расстоя-
ние между
N
различными энергетическими уровнями в каждой зоне
много меньше тепловой энергии электрона при комнатной те
мпе-
ратуре
0,026
Т
kT
q

j==
эВ.
Поэтому электрон может легко пере
хо-
дить
с уровня на уровень. Таким образом, можно говорить о непре-
рывной зоне разрешенных энергий, в которой может находиться
2
N
электронов. Эта разрешенная зона ограничена максимальной
и минимальной энергиями. Она может быть отделена от соседних
разрешенных зон запрещенными энергетическими зонами. Воз-
можно также перекрытие этой зоны другими зонами.
Детальное поведение (перекрытие или наличие запрещенных
зон, а в последнем случае – ширина этих запрещенных зон) опре-
деляет электронные свойства конкретного материала. Зонная струк-
тура
– это важнейшая характеристика, которая отличает друг от др
у-
га проводники, полупроводники и диэлектрики.
Хотя каждый энергетический уровень первоначального изоли-
рованного атома расщепляется на зону, состоящую из
N
уровней,
диапазон разрешенных энергий для каждой зоны может быть раз-
личным. Более высокие энергетические зоны обычно охватывают
более широкий диапазон энергий, чем те, которые имеют относи-
тельно низкую энергию. Причину этого различия можно п
онять,
26
рассмотрев радиус боровской орбиты
r
n
, связанный с энергетичес-
ким уровнем, имеющий номер
n
:

222
0
2
0
0,0529нм.
n
nhn
r
zmqz
e
==
p
(2.3)
На более высоких энергетических уровнях (при больших
n
)
электрон связан слабее и может отходить дальше от атомного ядра.
Если электрон связан слабее, то он подходит ближе к соседним
атомам и в более сильной степени оказывается под их влиянием.
Это более сильное взаимодействие приводит к большему измене-
нию энергетических уровней, поэтому более широкие энергети-
ческие зоны соответствуют электронам в изолированных атомах,
обладающим более высокой энергией.
Наивысший разрешенный уровень в каждой зоне отделен за-
пре
щенной зоной
E
g
от наинизшего разрешенного уровня в следую-
щей зоне. Зонную диаграмму удобно изображать в виде двумер-
ной картины, на которой по вертикальной оси отложена энергия
эл
ектрона, а по горизонтальной – положение в кристалле. В та-
ком варианте диаграммы подчеркивается, что электроны в зонах
не связаны с отдельными атомами и могут находиться всюду внут-
ри кристалла.
В зависимости от ширины запрещенной зоны принято подраз-
делять электротехнические материалы следующим образом:
– проводники (металлы),
E
g
<
2
kT
,
– полупроводники,
2
kT
<
E
g
< 3 эВ,
– диэлектрики,
E
g
> 3 эВ.
Использование в качестве единицы энергии электронвольта
(1 эВ = 1,6 · 10
–19
Дж) удобно для физики полупроводников, так как
при этом удается часто избавиться от громоздких выражений.
2.4.
Элементы зонной теории твердых тел
Все тела, как говорилось выше, в зависимости от их элек-
трических свойств подразделяются на диэлектрики, полупровод-
ни
ки и проводники. Различие между ними наиболее наглядно
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2014
В. Ф. Марков, Х. Н. Мухамедзянов,
Л. Н. Маскаева
МА
ТЕРИАЛЫ
СОВРЕМЕННОЙ
Э
ЛЕКТР
ОНИКИ
Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по программам бакалавриата и магистратуры
по направлению подготовки 240100 «Химическая технология»,
по специальности 240306 «Химическая технология монокристаллов,
материалов и изделий электронной техники»
МИНИСТЕР
СТВО ОБР
А
ЗОВ
АНИЯ И НА
УКИ Р
О
ССИЙСК
ОЙ ФЕДЕР
АЦИИ
УР
АЛЬ
СКИЙ ФЕДЕР
АЛЬНЫЙ УНИВЕР
СИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГ
О ПРЕ
ЗИДЕНТ
А РО
ССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА
..
. .   
. . 
  


Приложенные файлы

  • pdf 4508284
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий