Материалы электронных средств

Ю. А. ГатчинВ. Л. ТкаличП. А. КамаевД. Д. СимаковЕ. Д. Хмелев

Материалы электронныхсредств

Санкт-Петербург2010

r a

a

Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского государственногоуниверситета информационных технологий,механики и оптики197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ГатчинЮ.А., ТкаличВ.Л., КамаевП.А., СимаковД.Д.,ХмелёвЕ.Д.

Материалы электронныхсредств

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2010

УДК 621.3:[621.315.5+621.315.6]+538.9

ГатчинЮ.А., ТкаличВ.Л., КамаевП.А.,СимаковД.Д.,ХмелёвЕ.Д.«Материалы электронных средств». Учебное пособие. СПб:СПбГУ ИТМО, 2010. 112 с.

В учебном пособии рассмотрены элементы кристаллофизики, а такжеосновные виды проводниковых, полупроводниковых и диэлектрическихматериалов электронных средств.

Предназначено для студентов и магистров факультетов КТиУ и ТМиТ,изучающих дисциплины «Физические основы микроэлектроники», «Ма-териаловедение и материалы электронных средств»: направления210202 — «Проектирование и технология электронно-вычислительныхсредств» для специалистов и 210200.05 — «Информационные технологиипроектирования электронных средств» для магистров техники и техно-логии, а также 200100 и 200101 — «Приборостроение» для бакалавров идипломированных специалистов.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Россий-ской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотех-ники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направ-лению подготовки 200100 — Приборостроение и специальности 200101 —Приборостроение (решение УМО по образованию в области приборо-строения и оптотехники от 29.04.10, протокол №3).

Печатается по решению Совета факультета КТиУ СПбГУ ИТМОот 13.04.10 (протокол №9) и решению Совета факультета ТМиТ СПбГУИТМО от 13.04.10 (протокол №7).

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, врезультате которого определены 12 ведущих университетов России, ко-торым присвоена категория «Национальный исследовательский универ-ситет». Министерством образования и науки Российской Федерации бы-ла утверждена Программа развития государственного образовательно-го учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петер-бургский государственный университет информационных технологий,механики и оптики» на 2009–2018 годы.

c○ Санкт-Петербургский государственныйуниверситет информационных технологий,механики и оптики, 2010c○ ГатчинЮ.А., ТкаличВ.Л., КамаевП.А.,СимаковД.Д., ХмелёвЕ.Д., 2010

Оглавление

Введение 5

1 Элементы кристаллофизики 7

1.1 Химическая связь в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Геометрия кристаллической решетки . . . . . . . . . . . 111.3 Дефекты структуры кристаллов . . . . . . . . . . . . . . 171.4 Аморфные твердые тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Проводниковые материалы 28

2.1 Общие сведения о проводниках . . . . . . . . . . . . . . 282.2 Медь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3 Алюминий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4 Никель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5 Хром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.6 Золото . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.7 Серебро . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.8 Платина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.9 Палладий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.10 Сравнение проводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Полупроводниковые материалы 37

3.1 Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Простые полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.1 Кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.2.2 Германий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3 Двойные полупроводниковые фазы . . . . . . . . . . . . 463.3.1 Соединения типа AIIIBV . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.2 Полупроводниковые сверхрешетки . . . . . . . . 483.3.3 Соединения типа AIIBVI . . . . . . . . . . . . . . . 50

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.3.4 Соединения типа AIVBVI . . . . . . . . . . . . . . . 513.3.5 Карбид кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.4 Очистка и получение монокристаллов . . . . . . . . . . 523.5 Легирование полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . 543.6 Методы получения тонких пленок . . . . . . . . . . . . 57

4 Диэлектрические материалы 62

4.1 Основные понятия о диэлектриках . . . . . . . . . . . . 624.1.1 Поляризация диэлектриков . . . . . . . . . . . . . 624.1.2 Токи смещения, электропроводность . . . . . . . 664.1.3 Диэлектрические потери . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2 Пассивные полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2.1 Основные сведения о полимерах . . . . . . . . . 694.2.2 Линейные полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.2.3 Порошковые пластмассы . . . . . . . . . . . . . . 724.2.4 Электроизоляционные компаунды . . . . . . . . 734.2.5 Неорганические стекла . . . . . . . . . . . . . . . 754.2.6 Ситаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2.7 Керамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3 Активные диэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3.1 Сегнетоэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3.2 Пьезоэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.3.3 Пироэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.3.4 Электреты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.3.5 Пористый кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.3.6 Жидкие кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.4 Тонкие диэлектрические пленки . . . . . . . . . . . . . . 93

A Справочные таблицы 96

Литература 106

4

Введение

Данное учебное пособие предназначено для студентов выс-ших учебных заведений, обучающихся по направлению 210202 —«Проектирование и технология электронных средств», а так-же для магистров по направлениям 210200.05 — «Информацион-ные технологии проектирования электронных средств», 200100 и200101 — «Приборостроение».

Учебное пособие может быть успешно использовано в учебномпроцессе целого ряда дисциплин данных направлений, таких как«Физические основы микроэлектроники», «Введение в специаль-ность», «Материаловедение и материалы электронных средств»,«Электроэлементы и передача данных в компьютерных систе-мах» и т. д.

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц(электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методахсоздания электронных приборов и устройств (вакуумных, газо-разрядных, полупроводниковых), используемых в основном дляпередачи, обработки и хранения информации1.

Для осмысленной работы в области электроники и микроэлек-троники необходимо изучать процессы, происходящие при взаи-модействии электронов и других заряженных и нейтральных ча-стиц с веществом, находящемся в любом из известных агрегатныхсостояний; основы физики твердого тела и физической химии;кристаллографию; науку о материалах в целом и материаловеде-ние в частности; физику элементарных частиц и физику плазмы;физику газового разряда и ионизованных газов; электрохимию;коллоидную химию; химию ультрадисперсных частиц и многоедругое и уметь применять эти знания на практике для созданияреально существующих и реально действующих приборов.

1Большой энциклопедический словарь. — М.: Сов. энцикл., 1991.

В первой главе рассмотрены основные элементы кристаллофи-зики, включая химические связи и геометрию кристаллическойрешетки, а также дефекты кристаллических структур и особен-ности аморфных твердых тел.

Вторая глава посвящена проводниковым материалам. Приве-дены общие сведения общие сведения о проводниках, рассмотре-ны такие материалы как медь, алюминий, никель, хром, золото,серебро, платина и палладий, дана их сравнительная характери-стика.

Третья глава посвящена полупроводниковым материалам. Вней рассмотрены основные понятия, а также простые проводни-ки и двойные проводниковые фазы. Уделено внимание вопросамочистки и получения монокристаллов, легирование полупровод-ников и методам получения тонких пленок.

В четвертой главе осуществлено рассмотрение основных ди-электрических материалов электронных средств (порошковыхпластмасс, электроизоляционных компаундов, неорганическихстекол, ситаллов, керамики, сегнетоэлектриков, пьезоэлектри-ков, пироэлектриков, электретов, пористому кремнию и нитридукремния). Уделено внимание рассмотрению ряда вопросов: поля-ризации диэлектриков, токам смещения, электропроводности идиэлектрическим потерям.

В приложении приведены сводные таблицы физико-химических свойств основных материалов электронных средств.

6

Глава 1

Элементы

кристаллофизики

1.1 Химическая связь в кристаллах

В твердых телах между частицами действуют различные посвоей природе силы, удерживающие эти частицы на определен-ных расстояниях друг от друга. Удаленные на бесконечно боль-шое расстояние, т. е. изолированные атомы не испытывают силвзаимодействия. Однако при уменьшении расстояния 𝑟а междуними возникают силы взаимодействия: притяжение — при боль-ших 𝑟а, и отталкивание — при существенно малых 𝑟а. В зависи-мости от преобладающего вида взаимодействия атомов их сум-марная потенциальная энергия (рис. 1.1) может быть выражена:

𝑈а =𝛼

𝑟𝑛а+

𝛽

𝑟𝑚а, (1.1)

где 𝛼 и 𝛽 — постоянные, характеризующие вид взаимодействия(притяжение или отталкивание), 𝑛 и 𝑚 — постоянные числа, от-носящиеся к рассматриваемому виду взаимодействия.

При некотором 𝑟0 наступает равновесие сил. Это означает, чтообразовавшаяся молекула имеет минимальную энергию взаимо-действующих атомов; расстояние 𝑟0 называется длиной валентнойсвязи. Обычно 𝑟0 составляет 1–2 A. Сущность теории валентныхсвязей заключается в том, что рассматривается обменное взаи-

Глава 1. Элементы кристаллофизики

0

Uа

rа

r0

Рис. 1.1. Энергия взаимодействия атомов

модействие нескольких электронов соседних атомов. Обменноевзаимодействие вследствие неразличимости электронов означа-ет, что электроны соседних атомов могут обмениваться местами,осуществляя связь между атомами. При образовании конденси-рованной фазы происходит перераспределение валентных элек-тронов и возникает химическая связь, которая характеризуетсяэнергией, длиной, кратностью связи и величиной углов междунаправлениями связи.

Под энергией связи понимается величина энергии, выделяемаяпри образовании молекулы из атомов, в среднем она составляет60–80 ккал/моль. С уменьшением длины связи энергия ее возрас-тает. Кратность связи характеризуется количеством электронныхпар, участвующих в образовании молекулы. Увеличение кратно-сти связи приводит к возрастанию ее энергии.

Геометрическая конфигурация молекул, содержащих большедвух атомов определяется взаимным расположением орбиталей,образующих направленные химические связи. Для определенияконфигурации молекул пользуются величиной углов между свя-зями.

Различают следующие виды связи между частицами:

∙ ионная, обусловленная электростатическим взаимодействи-ем разноименно заряженных ионов;

∙ ковалентная, обусловленная взаимодействием атомов, прикотором происходит обобществление валентных электроновс противоположными спинами;

8

1.1. Химическая связь в кристаллах

∙ ван-дер-ваальсова, обусловленная поляризационным эффек-том полей движущихся электронов взаимодействующих ато-мов;

∙ металлическая, обусловленная взаимодействием между по-ложительно заряженными ионами решетки кристалла иокружающими их свободно движущимися электронами.

Обычно в конденсированных фазах одновременно проявляет-ся действие нескольких видов связи [1].

Рассмотрим основные виды химической связи.Ионная связь. Кристаллы, в которых обнаруживается ион-

ный характер связи между частицами, содержат атомы, электрон-ная оболочка которых при обмене электронами стремится к ста-бильной конфигурации оболочки инертных газов. Энергия решет-ки ионных кристаллов описывается выражением

𝑈 = −𝐴𝑍1 𝑍2 𝑒2

𝑟+

𝐵

𝑟𝑛, (1.2)

где 𝐴 — постоянная Маделунга, зависящая от координационногочисла и типа кристаллической структуры, 𝑟 — расстояние междуближайшими соседними ионами, 𝑍1 и 𝑍2 — их заряды, 𝐵 и 𝑛 —величины, постоянные для данного химического соединения [2].

Здесь первый член относится к составляющей энергии, вы-званной силами притяжения, второй — к составляющей энергии,вызванной силами отталкивания.

В ионных кристаллах из-за сильного электростатического вза-имодействия обнаруживается высокая прочность межатомныхсвязей, вследствие чего они отличаются высокой температуройплавления, малым коэффициентом теплового расширения (ТКР),высокой теплопроводностью и твердостью, низкой электропро-водностью. В кристаллах чистых элементов ионная связь не на-блюдается [1].

Ковалентная связь. Кристаллы, в которых существует кова-лентная связь между частицами, содержат атомы, у которых воз-можно обменное взаимодействие валентных электронов с проти-воположно ориентированными спинами. Обобществленные элек-троны одновременно принадлежат всем взаимодействующим ато-мам, однако ни с одним из них они не связаны. При обобществле-нии двух электронов образуется одинарная связь. Например при

9


образовании молекулы Cl2 имеем:

Cl · + ·Cl → Cl··Cl.

Здесь каждый атом обобществляет только один электрон и обра-зуется единичная ковалентная связь, причем спаренные электро-ны имеют противоположные спины. Однако возможны взаимо-действия с большей кратностью связи, когда образуются двойные,тройные, и четырехкратные ковалентные связи с обобществлени-ем соответственно четырех, шести и восьми электронов.

Для ковалентных связей характерна пространственная насы-щенность и направленность связей. Кристаллы с ковалентной свя-зью отличаются высокими температурой плавления и твердостьюи низкой электропроводностью [1].

Ван-дер-ваальсова связь. Силы этого вида связи являютсядовольно слабыми силами электростатического притяжения ди-полей; длина связи и энергия примерно одинаковы в пределахкоординационной сферы. Сущность ван-дер-ваальсовых сил свя-зи состоит в том, что электрическое поле электронов, вращаю-щихся вокруг ядра атома, воздействует на движение электроновсоседнего атома. При этом происходит мгновенная взаимная по-ляризация электронных орбит с образованием диполей, электро-статическое взаимодействие которых вызывает ориентационныеи индукционные эффекты, осуществляющие связь в твердом те-ле. Энергия кристаллической решетки, вызванная наличием этихсил:

∆𝑈 = −~𝜔0𝑎2

2 𝑟6= − 𝑎

𝑟6, (1.3)

где 𝜔0 — собственная частота простого гармонического осцилля-тора, 𝑎 — поляризуемость осциллятора (атома) [2]. С увеличениемобъема атома и количества валентных электронов силы связи воз-растают. Подобные силы взаимодействия существуют в любыхкристаллах, однако их вклад в суммарную величину сил взаимо-действия атомов различен и для большинства веществ очень мал.

Твердые тела с ван-дер-ваальсовой связью между атомами яв-ляются хорошими изоляторами, они имеют низкую прочность итемпературу плавления [1].

Металлическая связь. Этот вид связи относится к нелока-лизованной химической связи и свойственен только металлам,где ионы образуют остов кристаллической решетки, внутри ко-

10

1.2. Геометрия кристаллической решетки

торой свободно перемещаются электроны, равномерно заполня-ющие весь кристалл.

Для металлов характерны высокие значения электроотрица-тельности и теплопроводности, что объясняется свободным пе-ремещением электронов в кристалле (подобно молекулам газа).Силы притяжения между ионами решетки и «газом» электроновобуславливают устойчивость систем в целом и являются сила-ми металлической связи. Поскольку связь не носит направлен-ный характер, то расположение ионов в решетке приближается кплотной упаковке шаров. Металлическая связь является ненасы-щенной.

Характер и величина сил связи определяет реакционную спо-собность тел, их микротвердость, теплопроводность и другие фи-зические свойства [1].

1.2 Геометрия кристаллической решетки

Кристаллами называются тела, ограниченные в пространствеплоскими поверхностями — гранями. Характерной особенностьюкристаллического состояния является наличие трехмерного стро-го периодического расположения в пространстве атомов, образу-ющих кристаллическую решетку. Одиночные кристаллы (разме-ром 10мкм и более) с визуально различными гранями, проявляю-щие анизотропию физических свойств, называются монокристал-лами. Такие кристаллы иногда достигают размера до 1м.

Значительно чаще встречаются твердые тела, состоящие измножества мелких (от 10−3 до 10мкм) кристаллов, ориентирован-ных друг относительно друга хаотично. Физические свойства та-ких тел изотропны и они называются поликристаллами.

Физические свойства тел тесно связаны с их кристалличе-ским строением, а некоторые свойства обнаруживают зависи-мость от кристаллографических направлений. Зависимость фи-зических свойств кристаллов от кристаллографических направ-лений называется анизотропией. К таким свойствам относятсяудельное электрическое сопротивление, коэффициент тепловогорасширения, модуль Юнга и др. Поэтому при создании прибороввысокие требования предъявляются к пространственной ориен-тации направлений «реза» кристаллических слитков на пластиныи поверхности монокристаллических подложек.

11


a0

b0

c0

na0

mb0

pc 0

x

y

z

O

Рис. 1.2. Элементарная ячейка

Закономерность распределения атомов в идеальных кристал-лах определяется размером ионов и характером сил их взаимо-действия. Остановимся на рассмотрении ионов геометрическойкристаллографии.

Точки пространства, где силы притяжения и отталкиванияуравновешиваются (рис. 1.1), называются узлами кристаллическойрешетки. Положение любой частицы в такой структуре описыва-ется вектором

�� = 𝑚��0 + 𝑛 ��0 + 𝑝 ��0, (1.4)

где векторы ��0, ��0, ��0 — кратчайшие расстояния между частица-ми — являются тремя некомпланарными векторами; 𝑚, 𝑛 и 𝑝 —произвольные целые числа.

Заметим, что перемещение элементарного кристалла парал-лельно самому себе на любой из векторов ��0, ��0 и ��0 приво-дит к совмещению узлов кристаллической решетки и называетсятрансляцией. Параллелепипед, построенный на кратчайших рас-стояниях 𝑎0, 𝑏0, 𝑐0 называется трансляционной ячейкой, представ-ляющей собой элементарную ячейку наименьшего объема. Пере-

P-тип I-тип F-тип

Рис. 1.3. Типы решеток

12


αβ

γ

ab

c

Рис. 1.4. Кристалл в общем виде

мещением элементарной ячейки в пространстве можно построитькристалл (рис. 1.2).

Если на элементарную ячейку приходится один атом (рис. 1.3),то такая ячейка называется примитивной, или P-решеткой. У неезаняты только угловые позиции. Если на элементарную ячейкуприходится больше одного атома, то она называется сложной. На-пример I-решетка, в центре которой расположен еще один атом(объемноцентрированная), или F-решетка, содержащая в углах и вцентре граней по одному атому (гранецентрированная). В общемвиде углы между гранями элементарной ячейки могут отличатьсяот прямых, а размеры ребер могут быть различными (рис. 1.4) [1].

О. Браве установил, что все известные кристаллы в зависи-мости от величины и взаимной ориентации ребер элементарнойячейки могут быть подразделены на 14 типов трансляционныхрешеток, образующих шесть сингоний1 (табл. 1.1) [2]. Совокуп-ность эквивалентных атомов, т. е. одинаковых атомов, одинаковорасположенных, которые можно совместить путем трансляции,образуют решетку Браве.

Таким образом, сложную структуру кристалла можно рассмат-ривать состоящей из нескольких вставленных друг в друга и со-ответственно смещенных решеток Браве.

Для описания положения атомов в кристаллической решет-ке, определения кристаллографических плоскостей и ориентациикристаллографических осей пользуются кристаллографическимисимволами. Координаты (𝑥, 𝑦, 𝑧) любого узла кристаллической ре-

1Иногда вместо понятия «сингония» используется термин «кристаллическая си-стема». Это приводит к путанице, т. к. различают семь кристаллографических си-стем, имеющих такие же названия, как и сингонии, однако тригональная (ромбо-эдрическая) кристаллическая система относится к гексагональной сингонии, т. к.имеет такую же по форме элементарную ячейку.

13


[[002]]

[[301]]

[[220]]

[[021]]

x

y

z

[[111]][[000]]

[[½½½]]

Рис. 1.5. Символы узла

x

y

z

[012]

[110]

[101]

[111][021]

[120]

Рис. 1.6. Кристаллографическиенаправления

шетки однозначно определяются набором трех чисел — 𝑚, 𝑛, 𝑝(𝑥 = 𝑚𝑎0, 𝑦 = 𝑛 𝑏0, 𝑧 = 𝑝 𝑐0) — которые называются символамиузла и записываются в форме

[[𝑚𝑛𝑝]

]В сложных решетках эти

символы принимают также дробные и отрицательные значения(рис. 1.5). Черточка над числом обозначает отрицательное значе-ние координаты, например,

[[1 1 3]

]. Отсчет ведется от произвольно

выбранного угла, принятого за начало координатной системы.Кристаллографические направления идентифицируются пря-

мыми, проходящими через две точки: узел, совмещенный с услов-ным началом координат, и ближайший узел на рассматриваемомнаправлении (рис. 1.6). При этом индексы ближайшего к началу

Сингония Характеристика ячейкиТриклинная 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90∘

Моноклинная 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛾 = 90∘, 𝛽 = 90∘

Ромбическая 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90∘

Тетрагональная 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90∘

Гексагональная 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛽 = 90∘, 𝛾 = 120∘

Кубическая 𝑎 = 𝑏 = 𝑐, 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90∘

Таблица 1.1. Сингонии

14


y

z

x

(001)

(010)

2m

2n

2p

m

n

p

(010)

(100)

(111)

(111)

Рис. 1.7. Индексы Миллера

координат узла на этой прямой являются индексами рассматрива-емого направления. Ось, проходящая через узел

[[𝑚𝑛𝑝]

], ближай-

ший на данном направлении к началу координат, обозначаетсякак [𝑚𝑛𝑝]-ось. Символы оси могут выражаться положительны-ми и отрицательными числами, например ось [1 1 1]. Обозначение„< >“ относится к системе эквивалентных кристаллографическихнаправлений.

Для обозначения кристаллографических плоскостей пользуют-ся индексами Миллера (рис. 1.7). Предположим, что некотораяплоскость отсекает на координатных осях кристаллической ре-шетки отрезки 𝑥 = 𝑚𝑎0, 𝑦 = 𝑛 𝑏0, 𝑧 = 𝑝 𝑐0, где 𝑚, 𝑛 и 𝑝 — целыечисла. Представим эти целые числа в в иде обратных величин 1

𝑚 ,1𝑛 ,

1𝑝 и приведем к общему знаменателю 𝐷. Тогда отношения 𝐷

𝑚 ,𝐷𝑛 ,

𝐷𝑝 , обозначаемые числами ℎ, 𝑘 и 𝑙 соответственно являются

целыми числами, характеризуют положение семейства кристал-лографических плоскостей и записываются в виде (ℎ 𝑘 𝑙). Числаℎ, 𝑘 и 𝑙 называются индексами Миллера и могут принимать какположительные, так и отрицательные значения. Таким образом,между целыми числами 𝑚, 𝑛 и 𝑝 имеется связь ℎ : 𝑘 : 𝑙 = 1

𝑚 : 1𝑛 : 1

𝑝 .

Пример 1.1. Пусть заданы числа

𝑚 =1

2, 𝑛 = 2, 𝑝 =

1

3;

тогда

1

𝑚:

1

𝑛:

1

𝑝= 2 :

1

2: 3, 𝐷 = 2,

15


и индексы Миллера принимают значения:

ℎ =𝐷

𝑚= 4, 𝑘 =

𝐷

𝑛= 1, 𝑙 =

𝐷

𝑝= 6.

По индексам Миллера можно найти положение кристаллогра-фической плоскости.

Пример 1.2. Пусть (ℎ 𝑘 𝑙) суть (6 4 3).Сначала находим целые числа:

𝑚 : 𝑛 : 𝑝 =1

6:

1

4:

1

3=

2

12:

3

12:

4

12= 2 : 3 : 4

Затем определяем положение кристаллографической плоско-сти:

𝑥 = 2 𝑎0, 𝑦 = 3 𝑏0, 𝑧 = 4 𝑐0.

Если грань кристалла параллельна какой-либо оси, то она пе-ресечет ось в бесконечности, т. е. 𝑥 (𝑦 или 𝑧) равен ∞, и индексМиллера соответственно равен 0. Если грань кристалла пересе-кает координатную ось в отрицательном направлении, то над со-ответствующим индексом ставится черточка, например (ℎ 𝑘 𝑙) дляотрицательного направления по оси 𝑦. Плоскости эквивалентнойсимметрии обозначаются {ℎ 𝑘 𝑙}, например {1 0 0} соответствуетплоскостям (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1).

Кристаллическую структуру сложного соединения можнопредставить, если вставить одну трансляционную решетку в дру-гую или сместить их друг относительно друга.

Для описания свойств кристаллов удобно пользоваться пред-ставлениями о регулярно расположенных соприкасающихсяшарах-ионах. В этом случае ионный радиус равен половине рас-стояния между двумя ближайшими соседями, а относительнаяплотность вещества или упаковки выразится как отношение сум-марного объема шаров-ионов к единице объема структуры. Мак-симальная плотность упаковки составляет 74%, что соответствуеткоординационному числу 12 (рис. 1.8, а).

Большинство полупроводников имеет структуру ячейки ал-маза, образованную взаимным проникновением двух гранецен-трированных F-решеток. В этих структурах можно выделить ио-ны, окруженные эквивалентно расположенными четырьмя илишестью другими ионами. Такие окружения называются соот-ветственно тетраэдрическими (рис. 1.8, б) или октаэдрическими

16

1.3. Дефекты структуры кристаллов

а б в

Рис. 1.8. Модели структуры кристаллов:а — плотнейшая упаковка атомов, б — тетраэдрическое окружение, в —

октоэдрическое окружение

(рис. 1.8, в), а междоузлии — тетраэдрическими или октаэдриче-скими порами. В вершинах тетраэдра или октаэдра расположеныодноименные ионы, например кислород с ионным радиусом 𝑅O.Тогда ион металла с радиусом 𝑟𝑚 расположится в тетраэдриче-ской поре, если

0,22 6𝑟𝑚𝑅O

< 0,41,

или в октаэдрической поре, если

0,41 6𝑟𝑚𝑅O6 0,73.

Все рассмотренное здесь относится к идеальным кристаллам,не содержащим нарушений периодического строения и химиче-ски строго однородным [1].

1.3 Дефекты структуры кристаллов

Существенное влияние на физические свойства твердых телоказывают дефекты кристаллического строения, которые прису-щи всем реальным кристаллам. Нарушения периодического рас-положения атомов в реальных кристаллах могут быть вызваныкак химическими, так и структурными дефектами.

Сведения о дефектах кристаллической структуры в настоящеевремя столь обширны и разносторонни, что изложение их здесь

17


а бРис. 1.9. Дефекты по Френкелю (а) и по Шоттки (б)

возможно лишь в основных чертах. Структурные дефекты под-разделяются на точечные, или нульмерные, линейные, или одно-мерные, поверхностные, или двумерные, объемные, или трехмер-ные [1].

Точечные дефекты. Здесь различают дефекты по Шоттки(вакансии), дефекты по Френкелю (парный дефект — вакансияи межузельный атом) и скопление вакансий. Точечные дефектывызывают нарушение структуры в зоне нескольких межатомныхрасстояний. Наличие точечных дефектов приводит к понижениюсвободной энергии кристалла. Точечные дефекты в значительноймере образуются в результате термического возбуждения, т. к.фононы с большой энергией вызывают смещение ионов при ихвзаимодействии. При воздействии излучения с достаточной энер-гией появляются радиационные нарушения — смещенные атомы.Точечные дефекты могут возникать вследствие пластической де-формации кристалла. Если в результате каких-либо внешних воз-действий атом «испаряется», т. е. покидает кристалл, то образует-ся вакансия — свободный узел кристаллической решетки (обозна-чается V), или точечный дефект по Шоттки (рис. 1.9, б). Причем«испаряемый» атом может перемещаться различным образом изанимать ряд положений.

Образование дефектов связано с увеличением внутреннейэнергии системы и энтропии. Концентрация вакансий выража-ется

𝑛ш = 𝑁𝑎𝑒(− 𝜀ш

𝑘 𝑇 ),

где 𝑁𝑎 — количество атомов в граммоле, 𝜀ш — энергия образованияодной вакансии, 𝑘 — постоянная Больцмана, 𝑇 — температура.

Пример 1.3. Для алюминия 𝜀ш = 0,75 эВ, и при 𝑇 = 300К находим𝑛ш = 1018 м−3, а при 𝑇 = 650К получаем 𝑛ш = 1025 м−3.

18


σb

Рис. 1.10. Обход линии дислокации по контору Бюргерса

Чтобы достичь более высокой 𝑛ш, производят закалку кри-сталла, чем фиксируют установившуюся при высокой 𝑇 большуюконцентрацию вакансий. Кроме рассмотренного точечного дефек-та, связанного с «испарением» атома, возможен переход атома вмеждуузлие. В этом случае образуется вакансия и дислоцирован-ный атом. Такой парный дефект называется дефектом по Френ-келю (рис. 1.9, а). Если 𝑛ф — число атомов, ушедших из узловрешетки, а 𝑁 ′

𝑎 — количество мест для междуузельной локализа-ции их, то аналогично предыдущему,

𝑛ф =√𝑁𝑎 𝑁 ′

𝑎 𝑒(−

𝜀ф𝑘 𝑇 ),

где 𝜀ф — энергия образования дефекта по Френкелю.Точечные дефекты мигрируют в объеме кристалла. Вакансия

и межузельный атом, взаимодействуя, могут аннигилировать. Об-разование рядом с имеющейся второй вакансии (дивакансии) свя-зано с меньшей, чем при образовании двух изолированных вакан-сий затратой энергии. Поэтому точечные дефекты могут образо-вывать скопления — комплексы дефектов [1].

Линейные дефекты. К линейным дефектам относятся дисло-кации. Различают краевые (или линейные) и винтовые (или спи-ральные) дислокации. Дислокации возникают в процессе ростакристаллов и при сдвиговых напряжениях. Линия, отделяющаядеформированную область кристалла от недеформированной илиискаженный ряд атомов от неискаженного, называется линиейили осью дислокации. В зоне дислокации имеется избыточнаяэнергия. Краевая дислокация обозначается символом ⊤ или ⊥, гдевертикальная черта указывает вдвигаемую плоскость, а горизон-тальная — показывает плоскость сдвига. Величина и направлениесдвига в решетке определяются вектором Бюргерса (��).

Обходя линию дислокации по контуру Бюргерса, можно опре-делить величину ��, который перпендикулярен линии дислока-ции (рис. 1.10).

19


σ

b

Рис. 1.11. Обход по контуру Бюргерса вокруг оси винтовой дислокации

Обход по контуру Бюргерса вокруг оси винтовой дислокациитакже дает величину вектора ��, который направлен параллельнооси дислокации (рис. 1.11).

Вокруг линии дислокации можно выделить область кристал-ла, находящуюся в упруго деформированном состоянии — ядродислокации, плотность энергии которой определяется 𝛾 = 1

2 𝐺𝜀2,где 𝐺 — модуль сдвига, 𝜀 — деформация. Поскольку 𝜀 ∼ 𝐵, энер-гия дислокации 𝐸д пропорциональна 𝐵2, и приближенно можносчитать 𝐸д = 𝐺𝐵2 𝑙д, где 𝑙д — длина дислокации.

Дислокации могут взаимодействовать между собой, что со-провождается тепловым эффектом дислокационной реакции. Ес-ли 𝐵2 >

(𝐵2

1 + 𝐵22

), где ��1 и ��2 — векторы Бюргерса образовав-

шихся дислокаций, то происходит самопроизвольное расщепле-ние дислокаций. Расщепление индифферентно, если 𝐵2 = 𝐵2

1 +𝐵22 ,

и невозможно при 𝐵2 < (𝐵21 + 𝐵2

2).Величина 𝐸д в среднем составляет 𝐸д ≈ 10−9 Дж/м. Поскольку

𝐸д ∼ 𝑙д, то дислокации проявляют тенденцию к самопроизвольно-му сокращению, что понижает их энергию. Плотность дислока-ций в отожженных кристаллах находится в пределах 106–1013 м−2,а в нарушенных — 1013–1018 м−2.

Дислокации при воздействии небольших внешних напряже-ний могут размножаться (�� → ��1 + ��2) и повышать свою концен-трацию в кристалле. Отсюда становится понятным, что к механи-ческой обработке кристаллов во избежание увеличения концен-трации дислокаций следует относится с большой осторожностью.При взаимодействии с V дислокации могут переползать перпен-дикулярно к плоскости скольжения. При аннигиляции двух дис-локаций противоположного знака ⊤ и ⊥ возможно образование V.Наличие дислокации экспериментально выявляется несколькими

20


Lд

Θр

A B

Рис. 1.12. Блоки

методами. В зоне выхода дислокации на поверхность образца ско-рость химического травления вещества значительно больше, чемв остальной части кристалла (механохимический эффект). В ре-зультате образуются ямки травления, которые наблюдаются с по-мощью оптического микроскопа [1].

Поверхностные дефекты. К поверхностным дефектам отно-сят дефекты, образующие мозаичную структуру поверхности:блоки, двойники, дефекты упаковки.

Блоки представляют собой участки с упорядоченным располо-жением атомов, граничащие с другими участками, отличающи-мися также упорядоченным расположением атомов, но несколь-ко другой ориентации упорядочения (рис. 1.12). Угол разориен-тации блоков (Θр) находится в пределах от нескольких секунд,

(110)

(110)

a0

a0

Рис. 1.13. Двойники

21


A

C

B

A

Рис. 1.14. Дефекты упаковки

до нескольких минут. В очень дефектных кристаллах угол Θр до-стигает ∼ 20∘. Размеры таких блоков колеблются от 10−8 до 10−3.Блоки разделены границей, образованной группой дислокаций, —краевых и винтовых. При малых разориентациях блоков величи-на Θр = 𝐵

𝐿д, где 𝐿д — расстояние между дислокациями. Блочная

структура увеличивает энергию кристалла, а межблочные грани-цы являются зонами интенсивного рассеяния носителей заряда изакрепления доменных стенок.

Экспериментальные наблюдения блоков осуществляются ме-тодами рентгеновской топографии.

Двойники в кристаллах возникают в процессе роста кристал-ла, а также в результате механических воздействий. Структу-ра двойника может рассматриваться как зеркальное отражениев двойниковой плоскости некоторой части кристалла (рис. 1.13).При этом двойниковой плоскостью является кристаллографиче-ская плоскость, а положение примыкающих к плоскости атомовсогласовано с остальной частью кристаллической решетки. Двой-ники различаются только ориентацией кристаллической решетки,а границы между ними мало изменяют энергию кристалла.

Дефекты упаковки представляют собой нарушения в распо-ложении периодически чередующихся слоев в сложных струк-турах кристаллов. Например, в плотноупакованной гранецентри-рованной кубической решетке на некоторый слой A накладыва-ются последовательно слои B и C, образующие плотноупакован-ную структуру (рис. 1.14). Таким образом, в сечении этой сло-истой структуры последовательность атомных слоев имеет видABCABCABC... Дефект упаковки состоит в нарушении этой по-следовательности, причем здесь возможны два типа нарушений —дефект вычитания и дефект внедрения.

22


Дефект типа вычитания отражает удаление какого-либо слояиз последовательности; например, в ABCBCABC отсутствует слой A.

Дефект типа внедрения отражает внедрение какого-либо дополнительного слоя; например, в последовательностиABCABCBABCABC внедрен слой B.

Дефект упаковки типа вычитания является «двойным» дефек-том упаковки, поскольку он эквивалентен двум дефектам типавнедрения (единичным дефектам), т. е. отсутствие слоя A эквива-лентно внедрению слоев C и B. Поэтому энергия дефекта типавычитания несколько больше энергии типа внедрения [1].

Объемные дефекты. К объемным дефектам монокристалловотносят ансамбли вакансий, образующих микропоры и микротре-щины. Если концентрация вакансий оказывается избыточной посравнению с равновесной, то обнаруживается направленное ихперемещение к пустотам, что существенно понижает энергию.Аналогичное перемещение вакансий наблюдается в области меж-зеренных границ с образованием микропор, закрепленных на гра-ницах. К объемным дефектам следует отнести поверхности реаль-ных кристаллов. Расстояние между поверхностями и соседнимислоями атомов несколько больше, чем между внутрилежащимислоями, поскольку атомы на поверхности не полностью окруженысоседями. Поверхность кристаллов не является атомарно гладкой,а содержит ступеньки [1].

Химические дефекты. Современные способы очистки ве-ществ позволяют значительно уменьшить концентрацию приме-сей, однако полная очистка вещества от наличия примеси не до-

а б

Рис. 1.15. Типы химических дефектов:а — примесный атом внедрения, б — примесный атом замещения

23


стигнута. Атомы примеси взаимодействуют с атомами основноговещества, могут находиться в нем в виде включений или образовы-вать твердый раствор. Включения обнаруживаются как самосто-ятельная фаза. При образовании твердого раствора атомы приме-си могут размещаться в междуузлиях кристаллической решетки(твердый раствор внедрения, рис. 1.15, а) или в узлах кристал-лической решетки (твердый раствор замещения, рис. 1.15, б). Дляобразования твердого раствора замещения необходимо, чтобы ра-диусы атомов примеси и кристалла имели близкую величину, азаряды их были одинаковыми. Если же заряды окажутся неоди-наковыми, то для сохранения электронейтральности протекаютдальнейшие изменения. В ряде случаев наблюдаются нарушениястехиометрического соответствия анионов и катионов. Включе-ния примеси и твердые растворы примеси вызывают искажениякристаллической решетки.

Кристаллические твердые тела могут быть представлены так-же в виде поликристаллов, состоящих из произвольно ориенти-рованных монокристаллических мелких зерен, разделенных меж-зеренной границей. Размер зерен, форма и число их граней раз-нообразны. Форма зерен должна обеспечивать заполнение всегообъема поликристалла. В поликристаллах межзеренные границычаще проходят по стыкам граней трех зерен, что соответству-ет равновесию сил поверхностного натяжения межзеренных гра-ниц на ребрах и вершинах зерен. Поэтому форма зерен близкак форме кубооктаэдра. Межзеренные границы чрезвычайно де-фектны: они являются стоками вакансий, примесей и пор и отли-чаются весьма разупорядоченной структурой. На границах зеренвозможно образование микротрещин из-за взаимодействия дис-локаций с границами [1].

1.4 Аморфные твердые тела

Существуют твердые тела, молекулы которых расположеныхаотически, однако в их взаимном положении сохраняется ближ-ний порядок. Такие тела называются аморфными. Состоят онииз некристаллических агрегатов, включающих тысячи молекул, исохраняют упругость формы. Аморфное тело рассматривают какпереохлажденную жидкость с большим коэффициентом вязко-сти, что практически исключает взаимный обмен местами сосед-

24

1.4. Аморфные твердые тела

них молекул. Поскольку внутренняя энергия аморфных тел всегдабольше внутренней энергии кристаллических тел, аморфное со-стояние является метастабильным, и аморфные тела проявляюттенденцию к кристаллизации.

Характерными признаками аморфных тел являются отсут-ствие точки плавления и изотропность физических свойств.

К органическим аморфным твердым телам относятся полиме-ры, которые образуются из молекул низкомолекулярного веще-ства — мономера. В результате реакции полимеризации радика-лов (R) создается сложная пространственная хаотическая струк-тура макромолекулы [ –R– ]𝑛. Молекулы полимеров имеют боль-шую длину и переплетаются между собой. Первичная структурааморфного тела образуется приблизительно параллельным рас-положением пучка макромолекул, называемым пачкой, или в ре-зультате сворачивания большого числа макромолекул в глобулы.Физико-химические свойства полимеров зависят от стереохими-ческого состояния цепей и взаимного расположения макромоле-кул. Полимеры могут изменять структуру вследствие образова-ния боковых ответвлений и более коротких молекул (деструкция).Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут нахо-диться в трех состояниях:

∙ стеклообразном;

∙ высокоэластичном;

∙ пластического течения.

В стеклообразном состоянии молекулы связаны между собойочень прочно и поэтому тела при механических воздействияхиспытывают незначительную деформацию. В высокоэластичномсостоянии даже при небольших нагрузках полимер испытываетзначительную обратимую деформацию. Это объясняется тем, чтомакромолекулы находятся в изогнутом состоянии и под воздей-ствием внешних усилий могут изменять свою форму без посту-пательного относительного перемещения. Если при нагреванииполимера его молекулы приобретают способность относительно-го перемещения, то полимер переходит в состояние пластическо-го течения, для которого характерны необратимые деформации.Переходы полимера из одного состояния в другое наблюдаютсяне при строго определенной температуре, а в некотором узкомтемпературном интервале. Такие полимеры относятся к термо-пластичным аморфным твердым телам. Существует другая груп-

25


— Si — O

Рис. 1.16. Кремнийкислородный тетраэдр

па полимеров — термореактивные, которые при нагревании сна-чала плавятся, затем прекращают плавится, и при дальнейшемповышении температуры наблюдается их деструкция.

Если радикалы R связаны между собой с помощью неорга-нических звеньев, то образуется новая группа аморфных твер-дых тел — элементоорганические полимеры, например кремний-органические:

Si

R

O

R𝑛

В качестве радикалов R могут быть группы CH3, C2H5 и др. Та-кие вещества отличаются химической стойкостью, негорючестью,высокой эластичностью, электрической прочностью, гидрофобно-стью. Для полимерных покрытий характерным является наличиевнутренних напряжений (𝜎𝑖), на возникновение которых оказы-вают влияние условия отверждения. Так, в эпоксидных смолахотвержденных при комнатной температуре, 𝜎𝑖 близки к нулю. От-верждение эпоксидных смол при высоких температурах приводитк возникновению 𝜎𝑖 ≈ 200 кг/см2. К неорганическим аморфнымтелам относятся стеклообразующие окислы SiO2, B2O3, P2O5.

Для объяснения природы стекловидного состояния таких ве-ществ высказано много гипотез, однако до настоящего времени несуществует единой теории строения. Наиболее привлекательнойоказалось гипотеза трехмерной апериодической сетки. Согласно

26

1.4. Аморфные твердые тела

этой гипотезе строение аморфного кварцевого стекла описывает-ся структурным элементом — кремнийкислородным тетраэдром,который показан на рис. 1.16. Более сложные стекла описываютсякислородным полиэдром, в центре которого находится характери-зующий элемент.

К аморфным твердым телам относятся также халькогенидныестекла, т. е. соединения с серой, селеном и теллуром (аналога-ми кислорода). Из табл. A.4 видно, что аморфные твердые телаобразуются путем соединения элементов групп I–IV–V (органиче-ские полимеры), II–III–IV–V–VI (кислородные стекла), III–IV–V–VI(халькогенидные стекла).

При определенных условиях или с течением времени воз-можно расстекловывание или девитрификация стеклообразую-щих веществ. Суть явления состоит в выделении кристалличе-ской фазы в общей аморфной среде. Поскольку аморфная сре-да имеет значительно больший коэффициент теплового расши-рения, чем кристаллическая фаза, то возникают существенные𝜎𝑖, приводящие к разрушению образцов. В многокомпонентныхаморфных телах вследствие образования микрорасслаивающихсясистем обнаруживаются микронеоднородности как химическогосостава, так и физических свойств. Поскольку структуру аморф-ных тел можно рассматривать в связи со строением жидкости,с одной стороны, и кристалло-химической структурой неоргани-ческих соединений — с другой, то к дефектам структуры такихаморфных тел следует отнести микропустоты, нарушения хими-ческой и структурной однородности примесными атомами, раз-рывы цепей или сеток [1].

27

Глава 2

Проводниковые

материалы

2.1 Общие сведения о проводниках

Проводниками электрического тока могут служить твердые те-ла, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлическиесплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным дляних блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теп-лоту. Среди материалов электронной техники металлы занимаютодно из важнейших мест.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы иразличные электролиты. Как правило, температура плавления ме-таллов высока, за исключением ртути и галлия, у которых онасоставляет 39∘С и 29,8∘С соответственно. Поэтому при нормаль-ной температуре в качестве жидкого металлического проводникаможет быть применена только ртуть. Другие металлы являютсяжидкими проводниками лишь при высоких температурах.

Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидкомсостояниях обусловлен движением свободных электронов, вслед-ствие чего их называют проводниками с электронной электро-проводностью или проводниками первого рода.

Электролитами, или проводниками второго рода, являютсярастворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а так-

2.2. Медь

же расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такиепроводники связано с переносом вместе с электрическими заря-дами частей молекул (ионов), в результате чего состав электроли-та постепенно изменяется, а на электродах выделяются продуктыэлектролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низкихнапряженностях электрического поля не являются проводника-ми. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронови положительных ионов в единице объема представляет собойособую равновесную проводящую среду — плазму.

К материалам высокой проводимости принято относить про-водники с удельным электрическим сопротивлением в нормаль-ных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наиболее распространеннымисреди этих материалов являются медь и алюминий [3].

2.2 Медь

Преимущества меди, которые обеспечивают ей широкое при-менение в качестве проводникового материала, следующие:

∙ малое удельное сопротивление;

∙ достаточно высокая механическая прочность;

∙ относительно высокая коррозионная стойкость;

∙ хорошая обрабатываемость;

∙ относительная легкость пайки и сварки [3].

Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чувстви-тельна к наличию примесей. Примеси оказывают сильное влия-ние на проводимость меди, снижая ее в зависимости от примесей:

∙ 5% — Zn, Cd, Ag;

∙ 25–40% — Ni, Sn, Al;

∙ 55% — Be, As, Fe, Si, P.

В то же время присадки многих металлов повышают механиче-скую прочность и твердость меди [3].

Получение меди. Медь получают путем переработки суль-фидных руд, чаще других встречающихся в природе. После рядаплавок руды и обжигов с интенсивным дутьем, медь обязательно

29

Глава 2. Проводниковые материалы

подвергают электролитической очистке. Можно получить различ-ную по физическим свойствам медь:

∙ методом холодной протяжки получают твердую медь (ТМ),которая имеет высокий предел прочности при растяжении,твердость и упругость при изгибе; проволока из твердой ме-ди несколько пружинит. Имеет малое относительное удли-нение при изгибе;

∙ методом отжига получится мягкая медь (ММ), которая пла-стична, обладает малой твердостью и прочностью, болеевысокой удельной проводимостью. Также обладает весьмабольшим относительным удлинением при разрыве [3].

Применение меди. Медь применяют в электротехнике:

∙ для изготовления проводов, кабелей, шин распределитель-ных устройств;

∙ обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведу-щих деталей;

∙ анодов в гальваностегии и гальванопластике, мощных гене-раторных ламп (ММ);

∙ неизолированные провода (ТМ);

∙ в качестве экранов кабелей;

∙ в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пле-нок, которые являются проводящими соединениями междуфункциональными элементами схемы;

∙ для спаев со стеклами [3].

2.3 Алюминий

Преимущества алюминия, которые обеспечивают ей широкоеприменение в качестве проводникового материала, следующие:

∙ легкий материал;

∙ малая плотность;

∙ дешевизна и доступность;

∙ распространен в природе (1-е место по количеству среди ме-таллов в земной коре).

30

2.4. Никель

Алюминий получают электролизом глинозема Al2O3 в распла-ве криолита Na3AlF6 [3].

Поверхность алюминия. Отдельно стоит поговорить о по-верхности алюминия, так как он активно окисляется покрываетсятонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлени-ем. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создаетбольшое переходное сопротивление в местах контакта алюмини-евых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обыч-ными методами. Поэтому для пайки алюминия используют уль-тразвуковые паяльники или пасты-припои. Более толстый слойокисла, который создает надежную электрическую изоляцию насравнительно высокие напряжения, получают с помощью элек-трохимической обработки алюминия.

Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила вэлектролитических конденсаторах. Ее используют также и в неко-торых типах выпрямителей и разрядников. На практике важноезначение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в ме-стах контакта алюминия и меди. Если область контакта подвер-гается воздействию влаги, то возникает местная гальваническаяпара с довольно высоким значением э. д. с., причем полярностьэтой пары такова, что на внешние поверхности контакта ток на-правлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый про-водник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому местасоединения медных проводников с алюминиевыми должны бытьтщательно защищены от увлажнения.

Пленки алюминия широко используют в интегральных микро-схемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обес-печивают связь между отдельными элементами схемы и внешниеприсоединения. Преимущества алюминия как контактного мате-риала состоят в том, что этот материал легко напыляется, облада-ет хорошей адгезией к кремнию [3].

2.4 Никель

Серебристо-белый металл с плотностью, равной плотности ме-ди, широко применяют в электровакуумной технике в качествематериала для арматуры электронных ламп, некоторых типов ка-тодов, так никель достаточно легко получить в чистом виде и вве-сти в него специальные легирующие присадки кремния, марган-ца и др.

31


К положительным свойствам никеля следует отнести доста-точную механическую прочность его после отжига при большомотносительном удлинении (𝛿𝑝 = 400 ÷ 600МПа, Δ𝑙

𝑙 = 35 ÷ 50%). Ондаже в холодном состоянии легко поддается всем видам механи-ческой обработки: ковке, прессовке, прокатке, штамповке и т. п.Из никеля можно изготовить различные по размерам и сложныепо конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками.Из всех примесей наиболее вредной оказывается сера, котораярезко снижает механическую прочность материала.

Ценным свойством никеля является химическая устойчивость,особенно к растворам щелочей, которые не действуют на негодаже в нагретом состоянии.

Помимо применения в электровакуумной технике никель ис-пользуют в качестве компонента ряда магнитных и проводнико-вых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытийизделий из железа. Очень близкими механическими и электри-ческими свойствами обладает кобальт. Его используют в качествесоставной части многих магнитных и жаростойких сплавов, а так-же сплавов с маленькими температурными коэффициентами ли-нейного расширения [3].

2.5 Хром

Весьма распространенный в земной коре элемент, обладаю-щий высокой стойкостью к окислению, а потому используемыйдля защитных покрытий изделий, в том числе эксплуатируемыхпри повышенных температурах. Хромирование производят элек-тролитически или с помощью насыщения хромом поверхностныхслоев стальных изделий посредством диффузии из внешней сре-ды.

Из тонких пленок хрома изготавливают резисторы и адгези-онные подслои для контактных площадок и токопроводящих со-единений в интегральных микросхемах, а также светонепрони-цаемые слои фотошаблонов. Электрические свойства хромовыхпленок очень чувствительны к условиям нанесения из-за погло-щения остаточных газов в процессе охлаждения. Однако хромобладает хорошей адгезией к стеклянным, ситалловым и керами-ческим подложкам. Кроме того, хром хорошо совместим с любымпроводящим материалом. Дополнительным преимуществом хро-

32

2.6. Золото

ма является легкость сублимации при получении пленок. Обычнодля этих целей используют вольфрамовый или молибденовый ис-паритель. Термообработка пленок хрома в вакууме вызывает по-нижение сопротивления вследствие эффектов отжига, отсутству-ющих у более тугоплавких пленок, таких, например, как тантал.

Хром входит в состав большого количества сплавов для нагре-вательных приборов, термопар, конструкционных нержавеющих,жаропрочных сталей и магнитных материалов [3].

2.6 Золото

Золото — блестящий металл желтого цвета, обладающий вы-сокой пластичностью. Предел прочности при растяжении золо-той проволоки составляет 150МПа, относительное удлинение приразрыве порядка 40%.

В электронной технике золото используют как контактный ма-териал, материал для коррозионно-устойчивых покрытий резона-торов СВЧ, внутренних поверхностей волноводов. Существеннымпреимуществом золота как контактного материала является егостойкость против образования сернистых и окисных пленок в ат-мосферных условиях как при комнатной температуре, так и принагревании. Тонкие пленки золота применяются в качестве полу-прозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковыхфотоэлементах, а также в качестве межсоединений и контактныхплощадок в пленочных микросхемах. В последнем случае из-заплохой адгезии к диэлектрическим подложкам пленки золота на-носят обычно а с адгезионным подслоем (чаще всего хрома). Вконтактах золота с алюминием происходит постепенное образо-вание ряда интерметаллических соединений, обладающих повы-шенным удельным сопротивлением и хрупкостью. Поэтому кон-такты тонких пленок золота и алюминия надежны [3].

2.7 Серебро

Серебро — белый, блестящий металл, стойкий к окислениюпри номарльной температуре; от других металлов отличается наи-меньшим удельным сопротивлением (0,0150мкОм·м).

Предел прочности при растяжении для серебряной проволокисоставляет около 200МПа, отнсоительное удлинение при разры-ве — порядка 50%.

33


Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов ваппаратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теп-лоемкости, теплопроводности и электрической проводимости се-ребра обеспечивают по сравнению с другими металлами наимень-ший нагрев контактов и быстрый отвод теплоты от контактныхточек. Серебро применяют также для непосредственного нанесе-ния на диэлектрики, в качестве электродов, в производстве кера-мических и слюдяных конденсаторов. Для этого применяют методвжигания или испарения в вакууме. Серебром покрывают внут-ренние поверхности волноводов для получения слоя высокой про-водимости. С этой же целью серебрению подвергают проводникивысокочастотных катушек.

Недостатком серебра является склонность к миграции внутрьдиэлектрика, на который оно нанесено, в условиях высокой влаж-ности, а также при высоких температурах окружающей среды.Про сравнению с другими благородными металлами серебро об-ладает пониженной химической стойкостью. В частности, сереброобладает склонностью к образованию непроводящих темных пле-нок сульфида Ag2S в результате взаимодействия с сероводородом,следы которого всегда присутствуют в атмосфере. Наличие вла-ги ускоряет протекание реакции. Поэтому серебряные контактыне рекомендуется применять по соседству с резиной, эбонитом идругими материалами, содержащими серу. Серебро хорошо пая-ется обычными припоями. Широкое применение серебра сдержи-вается его большим природным дефицитом [3].

2.8 Платина

Платина — белый металл, практически не соединяющийся скислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Плати-на прекрасно поддается механической обработке, вытягивается вочень тонкие нити и ленты. В отличие от серебра, платина не об-разует сернистых плеток при взаимодействии с атмосферой, чтообеспечивает платиновым контактам стабильное сопротивление,что очень важно. Она практически не растворяет кислород, про-пуская его через себя в нагретом состоянии.

Платину применяют для изготовления термопар, рассчитан-ных на рабочие температуры до 1600∘C. Особо тонкие нити изплатины диаметром около 0,001мм для подвесок подвижных си-

34

2.9. Палладий

стем в электрометрах и других чувствительных приборах полу-чают многократным волочением (способ обработки металлов дав-лением) биметаллической проволоки платина-серебро с последу-ющим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте(на платину азотная кислота не действует).

Вследствие малой твердости платина редко используется дляконтактов в чистом виде, но служит основой для некоторых кон-тактных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавыплатины с иридием; они не окисляются, имеют высокую твер-дость, малый механический износ, допускают большую частотувключений, однако дороги и применяются в тех случаях, когданеобходимо обеспечить высокую надежность контактов [3].

2.9 Палладий

Палладий — серебристо-серый металл, по внешнему виду на-поминающий платину, с наименьшим удельным весом и темпе-ратурой плавления из всех платиновых металлов; в чистом видемягок, пластичен, легко поддается обработке. Палладий по рядусвойств близок к платине и часто служит ее заменителем, так какдешевле в 4–5раз. Использование палладия в электровакуумнойтехнике обусловлено его способностью интенсивно поглощать во-дород. Последний, в отличие от других газов, диффундирует впалладий при сравнительно низких температурах (150–300∘C) иизбыточном давлении 0,015–0,1МПа, а затем вновь выделяется вчистом виде при нагревании палладия в вакууме до температур350–500∘C. Твердый палладий поглощает более чем 850-кратныйобъем водорода по отношению к собственному объему. Выде-ленным из палладия чистым водородом наполняют некоторыетипы газоразрядных приборов. Палладий и его сплавы с сереб-ром и медью применяют в качестве контактных материалов. Вотожженном состоянии палладий обладает хорошими механиче-скими свойствами: предел прочности при растяжении — порядка200МПа, относительное удлинение при разрыве — 40% [3].

2.10 Сравнение проводников

Удельное сопротивления алюминия в 1,6 раза больше удельно-го сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Бла-

35


годаря малой плотности обеспечивается большая проводимостьна единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и оди-наковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных,несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравне-нию с медью алюминий намного больше распространен в при-роде и характеризуется меньшей стоимостью. Недостатком медиявляется ее подверженность атмосферной коррозии с образова-нием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстровозрастает при нагревании, однако прочность сцепления окиснойпленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь не при-годна для слаботочных контактов. При высокой температуре вэлектрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металли-ческую поверхность. Металлическое отслаивание и термическоеразложение вызывает повышенный износ медных контактов присильных токах. Недостатками алюминия являются его низкая ме-ханическая прочность и значительная подверженность электро-миграции, что приводит к увеличению сопротивления или дажек разрыву межсоединений [3].

36

Глава 3

Полупроводниковые

материалы

3.1 Основные понятия

К полупроводникам относят вещества, занимающие промежу-точное положение по своей удельной электропроводности междупроводниками и диэлектриками.

Характерной особенностью полупроводников является зависи-мость их удельной проводимости от различных внешних пара-метров (температуры, освещения, электрического и магнитногополей и т. д.), а также от содержания примесей.

В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют насобственные и примесные [3].

Собственные полупроводники. Собственным полупроводни-ком называется полупроводник, в котором можно пренебречьвлиянием примесей при данной температуре. Ширина запрещен-ной зоны не очень высока. Каждый переход электрона из ва-лентной зоны в зону проводимости сопровождается образовани-ем дырки в валентной зоне. Концентрация подвижных носителейзаряда в таком полупроводнике увеличивается при увеличениитемпературы и уменьшении ширины запрещенной зоны. В со-стоянии термодинамического равновесия, концентрация электро-нов 𝑛𝑖 равна концентрации дырок 𝑝𝑖, что является характернойособенностью собственных полупроводников.

Глава 3. Полупроводниковые материалы

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

E

а

Si Si Si

Si B Si

Si Si Si

E

бРис. 3.1. Собственный (а) и примесный (б) полупроводники

Ширина запрещенной зоны характеризует энергетические за-траты, связанные с отрывом электронов от атома. При отрывеэлектрона образуется дырка. Атомы, потерявшие электроны, пре-вращаются в положительно заряженный ион, который может за-имствовать электрон соседнего атома, который превращается вион (рис. 3.1, а). В этом состоит механизм перемещения дырок покристаллу.

Под действием внешнего электрического поля движение ста-новится направленным. При этом дырки движутся к отрицатель-ному полюсу источника, электроны к положительному.

Рассмотренный случай собственной электропроводности поз-воляет оценить потенциальные возможности материала. Работабольшинства полупроводниковых приборов нарушается при по-явлении собственной электропроводности [3].

Примесные полупроводники. Примесный полупроводник —полупроводник, электрофизические свойства которого в основ-ном определяются примесями (рис. 3.1, б). Дефекты структуры, впервую очередь вакансии и междуузельные атомы, могут такжеиграть роль примесей.

При малой концентрации примеси в запрещенной зоне появ-ляются дополнительные дискретные энергетические уровни.

В зависимости от валентности, примеси могут отдавать элек-троны в зону проводимости или принимать их с уровней валент-ной зоны (рис. 3.2). Если валентность примеси превышает валент-

38

3.1. Основные понятия

Эc

ΔЭ

ΔЭД

Эв

E

z

а

Эc

ΔЭ

ΔЭА Эв

E

z

бРис. 3.2. Энергетические диаграммы полупроводников 𝑛-типа (а) и

𝑝-типа (б):ΔЭ — ширина запрещенной зоны, ΔЭД — энергия активации доноров, ΔЭА —

энергия активации акцепторов

ность основных атомов, то примесь является донорной. Если ва-лентность примеси меньше валентности основных атомов, то при-месь является акцепторной [3].

Донорные примеси. Если примеси поставляют электроны взону проводимости, то они называются донорными. Электронытаких примесей находятся на энергетических уровнях, располо-женных вблизи нижнего края зоны проводимости (рис. 3.2, а).Для перехода таких электронов в зону проводимости достаточноэнергии значительно меньшей энергии ионизации собственныхатомов полупроводника.

Концентрация электронов в таких материалах выше концен-трации дырок, поэтому они называются полупроводниками 𝑛-типа [3].

Акцепторные примеси. Если примеси захватывают электро-ны валентной зоны, они называются акцепторными. Электронытаких примесей находятся на энергетических уровнях, располо-женных вблизи верхнего края валентной зоны (рис. 3.2, б), и неучаствуют в электрическом токе.

Концентрация дырок в таких материалах больше концентра-ции электронов, поэтому они получили название полупроводни-ков 𝑝-типа [3].

39


Концентрация носителей заряда. Носители заряда, концет-рация которых больше, называют основными, носители заряда сменьшей концентрацией — неосновными.

Если в полупроводнике 𝑛-типа увеличивать число доноров, товозрастет скорость генерации основных носителей заряда. Одна-ко это приведет к росту скорости обратного процесса — рекомби-нации носителей заряда. Связь связь между равновесными кон-центрациями электронов 𝑛0 и дырок 𝑝0, также называемая соот-ношением «действующих масс» выражается уравнением:

𝑛0 𝑝0 = 𝑛2𝑖 , (3.1)

где 𝑛𝑖 — равновесная концентрация электронов в собственном по-лупроводнике. Из (3.1) видно, что в условиях термодинамическогоравновесия при заданной температуре произведение концентра-ций электронов и дырок есть величина постоянная, не зависящаяот содержания примесей [4].

3.2 Простые полупроводники

3.2.1 Кремний

Получение. Получение кремния полупроводниковой чистотысостоит из следующих этапов:

1. превращение кремния в легколетучее соединение, котороепосле очистки может быть легко восстановлено;

2. очистка соединения физическими и химическими методами;

3. восстановление соединения с выделением чистого кремния;

4. окончательная кристаллизационная очистка и выращиваниемонокристаллов.

Свойства. При нормальных условиях кремний весьма инер-тен, нерастворим в воде, не вступает в реакцию со многими кис-лотами.

При нагревании легко взаимодействует с галогенами, на воз-духе при температуре свыше 900∘C начинает интенсивно окис-ляться с образованием двуокиси SiO2, а при температуре 1100–1300∘C соединяется с азотом, образуя нитрид Si3N4. Растворимво многих расплавленных металлах (Al, Ga, Sn, Au, Ag), с рядом

40

3.2. Простые полупроводники

1,09

1,1

1,11

1,12

1,13

1,14

1,15

1,16

1,17

0 100 200 300 400

ΔЭ

, эВ

T, К

Рис. 3.3. Зависимость ширины запрещенной зоны кремния оттемпературы

металлов (Cr, Mo, Fe, Cu, Mg) образует устойчивые соединения —силициды.

Основные физические свойства сведены в табл. A.2. Зависи-мость ширины запрещенной зоны от температуры показана нарис. 3.3. При температуре свыше 250К можно приближенно счи-тать, что зависимость имеет линейных характер [3].

Поверхность кремния. Поверхность кремния после любойочистки при контакте с воздухом покрывается пленкой диокси-да (1 . . . 5нм). Это оказывает существенное влияние на электро-физические свойства материала, поэтому применяются пассиви-рующие покрытия, защищающие поверхность и сформированные𝑝–𝑛-переходы.

Наиболее широко применяются пленки SiO2, маскирующиесвойства которых используются при проведении процессов фо-толитографии и избирательной диффузии. На практике приме-няются слои толщиной 0,2 . . . 1,2мкм.

Лучшими защитными и диэлектрическими свойствами обла-дает нитрид кремния Si3N4. Слои толщиной порядка 0,1мкм притемпературах 1100 . . . 1200∘C непроницаемы для большинства до-норных и акцепторных примесей, используемых при диффузион-ном легировании кремния.

Аморфные покрытия способствуют уменьшению напряженийна границе раздела с подложкой. Слои Si3N4 всегда аморфны,

41


если температура кремниевой подложки ниже 900∘C. Электриче-ская прочность слоев нитрида кремния достигает 109 В/м, а ди-электрическая проницаемость, как у типичного ионного диэлек-трика, от 7 до 10 [3].

Легирование. Элементы V и III групп являются соответствен-но донорами и акцепторами. Энергия ионизации таких примесейсоставляет порядка 0,05 эВ [3].

Эпитаксия. В промышленности широко распространен спо-соб получения кремниевых эпитаксиальных слоев, основанныйна процессе водородного восстановления тетрахлорида кремния(см. раздел 3.6):

SiCl4 (газ) + 2H2 (газ) ↔ Si(тв) + 4HCl(газ).

Реакция протекает при температуре 1200∘C. Осаждение произво-дится на монокристаллические кремниевые подложки или, в рядеслучаев при изготовлении интегральных схем, на монокристалли-ческие диэлектрические подложки. Перед осаждением подложкиподвергаются травлению, для чего в поток газа-носителя добавля-ют пары HCl. Это позволяет удалить окисел с поверхности полу-проводника. Скорость роста регулируется соотношением газовыхпотоков реагентов и температурой. Оптимальной является ско-рость порядка 15 . . . 20нм/с. Толщина используемых слоев состав-ляет от 2 до 20мкм.

В процессе эпитаксии возможно легирование слоев путем до-бавления в газ паров соединений, содержащих примесные эле-менты (PCl3, AsH3, и т. п.).

Относительно невысокие температуры и низкие скорости кри-сталлизации позволяют получать эпитаксиальные слои с высокойчистотой и совершенной структурой [4].

Очистка и выращивание монокристаллов. Для очисткикремния применяются химические методы. Кристаллизационныеметоды используются для превращения поликристаллическогокремния в монокристаллы, выращиваемые методом Чохральскогои методом бестигельной зонной плавки [4].

Применение. Кремний является основным материалом приизготовлении транзисторов, аналоговых и цифровых интеграль-ных микросхем. В качестве активных элементов цифровых ИМСпреимущественно используются полевые МДП-транзисторы илибиполярные транзисторы.

Значительную долю полупроводниковых приборов составля-ют кремниевые дискретные приборы. Это выпрямительные, им-

42


пульсные и СВЧ-диоды, биполярные транзисторы, полевые тран-зисторы, приборы с зарядовой связью. Кремниевые транзисторымогут работать на частотах порядка 10 ГГц. На основе кремниясоздают лучшие стабилитроны (имеют напряжение стабилизацииот 3 до 400В) и тиристоры.

Наиболее масштабной областью применения кремниевых дис-кретных приборов является силовая электроника и силовая пре-образовательная техника (вентили, тиристоры, мощные транзи-сторы). Мощные кремниевые приборы могут работать при на-пряжении до 10кВ и пропускать ток в прямом направлении до7000А. Такие приборы используются в системах и устройствахпреобразования электрической энергии, в автомобилях, в источ-никах вторичного питания с бестрансформаторным входом, в ро-ботах, сварочных аппаратах, электротранспорте, устройствах бы-товой электроники и др.

Также применяются кремниевые фоточувствительные прибо-ры, особенно фотодиоды. Спектр чувствительности фотодетек-торов (0,3 . . . 1,1мкм) хорошо согласуется со спектром излуче-ния многих полупроводниковых источников света. Солнечные ба-тареи изготавливаются на основе кремниевых фотоэлементов.Принцип их действия основан на генерации неравновесных но-сителей заряда при поглощении фотонов и последующем их раз-делении внутренним полем 𝑝–𝑛-перехода. КПД кремниевых фо-тоэлементов составляет 10 . . . 12%.

Детекторы ядерных излучений, датчики Холла и, благодарясильной зависимости удельного сопротивления от механическихдеформаций, тензодатчики производятся на основе кремния.

Кремниевые приборы могут работать при температурах до180–200∘C [4].

3.2.2 Германий

Получение. Основными источниками промышленного полу-чения германия являются побочные продукты цинкового произ-водства, коксования углей, германиевые концентраты, получае-мые из медносвинцовоцинковых руд.

Получение германия:

1. получение тетрахлорида германия GeCl4, представляющегособой жидкость с температурой кипения 83∘C;

43


2. очистка методами экстракции и ректификации;

3. гидролиз:GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl;

4. восстановление двуокиси германия водородом:

GeO2 + 2H2650–700∘ C−−−−−−−→ Ge + 2H2O.

Данная стадия совмещается с плавлением образующегосяпорошка германия и направленной кристаллизацией распла-ва. В дальнейшем полученные слитки:

∙ подвергают зонной плавке для получения особо чистогогермания;

∙ или используют при выращивании легированных моно-кристаллов.

Свойства. Чистый германий обладает металлическим блес-ком, высокой твердостью и хрупкостью. Кристалл германия об-ладает структурой алмаза.

Кристаллический германий химически устойчив на воздухепри комнатной температуре. При нагревании свыше 650∘C окис-ляется, образуя двуокись GeO2.

При комнатной температуре германий нерастворим в воде, со-ляной и разбавленной серной кислотах. Растворим в смеси азот-ной и плавиковой кислот, растворе перекиси водорода.

При нагревании интенсивно взаимодействует с галогенами, се-рой и сернистыми соединениями. Германий практически не вза-имодействует с графитом и кварцевым стеклом, что позволяетиспользовать их при проведении металлургических процессов.Жидкий германий интенсивно поглощает водород, причем водо-род является электрически нейтральной примесью.

Основные физические свойства приведены в табл. A.2. Гер-маний обладает относительно невысокой температурой плавле-ния, малым давлением насыщенного пара при этой температу-ре, что существенно упрощает технику очистки и выращиваниямонокристаллов. Зависимость запрещенной зоны от температурыпредставлена на рис. 3.4 [3].

Легирование. Как правило, в качестве доноров и акцепторовиспользуют соответственно элементы V и III групп. Энергия иони-зации доноров численно близка к энергии ионизации акцепторов

44


0,62

0,64

0,66

0,68

0,7

0,72

0,74

0,76

0 100 200 300 400

ΔЭ

, эВ

T, К

Рис. 3.4. Зависимость ширины запрещенной зоны германия оттемпературы

и составляет порядка 0,01 эВ. В нормальных условиях атомы этихэлементов полностью ионизированы, поэтому концентрация но-сителей заряда определяется концентрацией примеси. Элементыдругих групп относительно слабо влияют на электропроводностьгермания [3].

Очистка и выращивание монокристаллов. Наиболее эффек-тивным способом получения монокристаллов с минимальным ко-личеством примесей является метод зонной плавки [3].

Применение. Германий используется, в первую очередь, вдиодах и транзисторах. Широко распространены выпрямитель-ные плоскостные диоды и сплавные биполярные транзисторы.

Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямыетоки от 0,3 до 1000А при падении напряжения не более 0,5В.Недостатком германиевых диодов являются невысокие обратныенапряжения.

Германиевые транзисторы могут быть низко- и высокочастот-ными, мощными и маломощными. Нанесение пленочной изоля-ции на SiO2 позволяет изготавливать германиевые транзисторыпо планарной технологии.

Германий, легированный золотом используется в импульсныхдиодах.

Благодаря высокой подвижности зарядов германий применяютпри изготовлении датчиков Холла.

45


Оптические свойства германия позволяют использовать егодля изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптическихлинз (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, а такжесчетчиков ядерных частиц.

Рабочие температуры германиевых приборов находятся в диа-пазоне от −60∘ до +70∘C. Невысокий верхний предел являетсясущественным недостатком германия [4].

3.3 Двойные полупроводниковые фазы

К двойным полупроводниковым фазам относят двойные по-лупроводниковые соединения и их твердые растворы. Свойствасоединений закономерно меняются в зависимости от среднегоатомного номера (см. табл. A.2):

𝑍ср =

∑𝑖

𝐶𝑖 𝑧𝑖∑𝑖

𝐶𝑖,

где 𝐶𝑖 — число атомов 𝑖-го компонента в формульной единице,𝑧𝑖 — порядковый номер 𝑖-го компонента.

Химические связи в таких соединениях являются смешан-ными, с преобладанием ковалентной составляющей (чаще кова-лентно-ионно-металлические, реже ковалентно-ионные). Ионнаясоставляющая обусловлена разностью электроотрицательностейатомов, входящих в соединение. Она приводит к появлению ди-польного момента, который усиливает рассеяние носителей заря-да. Это ведет к снижению подвижности носителей заряда. Чемсильнее выражена ионная составляющая, тем ниже подвижностьносителей заряда [5].

3.3.1 Соединения типа AIIIBV

Структура и химическая связь. Соединения такого типа об-разуются в результате взаимодействия элементов III группы пе-риодической системы с элементами V группы (см. табл. A.5), от-носятся к группе алмазоподобных полупроводников. Все имеютрешетку цинковой обманки — сфалерита (рис. 3.5, а), кроме нит-ридов индия, галлия и аллюминия — для них характерна струк-тура вюрцита (рис. 3.5, б). В обоих случаях элемент III группы

46

3.3. Двойные полупроводниковые фазы

а бРис. 3.5. Элементарные ячейки сфалерита (а) и вюрцита (б)

находится в окружении четырех элементов V группы. Обе струк-туры не имеют центра симметрии [5] [4].

Применение. Широкое применение соединения типа AIIIBV

нашли в оптоэлектронике: на их основе изготавливаются инжек-ционные лазеры, светодиоды, фотодиоды, фотоэлементы.

Квантовый выход растет с увеличением длины волны излуче-ния прибора, поэтому, если нет необходимости зрительного вос-приятия излучения, используют источники излучения ближнегоИК-диапазона спектра1.

Для генерации излучения видимой области ширина запрещен-ной зоны должна быть выше 1,7 эВ. Такой характеристикой об-ладают, например, GaN и GaP. Однако фосфид галлия обладаетнепрямой структурой зон, поэтому его легируют примесями, со-здающими изоэлектронные ловушки — азотом (для излучения взеленой области), цинком и кислородом (для красной люминес-ценции).

Принцип действия фотодиодов и фотоэлементов основан наразделении генерируемых светом носителей заряда внутреннимполем 𝑝–𝑛-перехода. Фотодиоды работают в режиме обратно-го включения. Для максимальной фоточувствительности и вы-

1Заметим, что плотность записи информации на оптические накопители темвыше, чем короче длина излучения, поэтому в этой обасти интересны источникиголубой области спектра.

47


сокого быстродействия необходимо, чтобы глубина оптическогопоглощения примерно соответствовала глубине залегания 𝑝–𝑛-перехода [4].

Арсенид галлия. Среди соединений типа AIIIBV наиболее ши-рокое применение нашел арсенид галлия GaAs. Его используютпри изготовлении приборов микро- и оптоэлектроники, солнеч-ной энергетики. Арсенид галлия применяется при создании тран-зисторов, интегральных схем, диодов, лазеров, солнечных элемен-тов и др. По объемам производства занимает третье место послекремния и германия. GaAs обладает более высокой чем кремнийтермической и радиационной стойкостью. Наиболее эффектив-ные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии ра-ботают на гетероструктурах AlGaAs/GaAs [4].

Твердые растворы нитрида галлия. На основе нитрида гал-лия GaN и его твердых растворов могут быть созданы эффектив-ные оптоэлектронные приборы.

Регулирование состава твердого раствора нитрида галлия поз-воляет получить твердые растворы с различными значениями ши-рины запрещенной зоны, что позволяет создавать светодиоды сширокой гаммой свечения [4].

3.3.2 Полупроводниковые сверхрешетки

Сверхрешетками называют полупроводниковые структуры,состоящие из периодической последовательности монокристалли-ческих слоев различного химического состава. Период чередова-ния слоев меньше длины свободного пробега электронов, но су-щественно больше периода кристаллической решетки. Свойствасверхрешетки зависят от состава слоев и от периода их чередо-вания.

Сверхрешетки подразделяются на композиционные (КСР), ле-гированные (ЛСР) и композиционно-легированные (КЛСР) сверх-решетки. Рассмотрим основные типы сверхрешеток — компози-ционные и легированные.

Композиционные сверхрешетки состоят из слоев полупровод-никовых материалов с различной запрещенной зоной. Легирован-ные сверхрешетки состоят из последовательности очень тонкихслоев одного полупроводника с разными типами электропровод-ности [4].

Композиционные сверхрешетки. При формировании компо-зиционных СР используют нелегированные или слаболегирован-

48


Эe2

Э

z

Эh1

Эe1

Эh2

d

ΔЭ1 ΔЭэф ΔЭ2

ΔЭc

ΔЭв

Рис. 3.6. Энергетическая диаграммаконтрвариантной сверхрешетки

Э

z

Эe2

d

Эe1

Эh2Эh1

ΔЭэфΔЭ1 ΔЭ2hν

ΔЭc

ΔЭв

Рис. 3.7. Энергетическая диаграммаковариантной сверхрешетки

ные полупроводниковые материалы с близкими периодами кри-сталлических решеток, что позволяет пренебрегать влиянием ме-ханических напряжений при искажениях структуры.

Гетеропереход композиционных сверхрешеток представляетсобой контакт полупроводников с одинаковым типом электропро-водности. Его особенностью является существование разрывовэнергетических зон на гетерограницах. По характеру разрывовкомпозиционные сверхрешетки делятся на контр- и ковариант-ные.

В контрвариантных сверхрешетках (сверхрешетках 1-го типа)(рис. 3.6) на гетерогранице имеет место полное взаимное перекры-тие запрещенных зон сопрягаемых материалов, а сумма разрывовудовлетворяет условию:

∆ЭВ + ∆ЭС = ∆Э1 − ∆Э2.

Контрвариантные СР создаются на основе гетерогенных си-стем GaAs/Al𝑥Ga1−𝑥As, GaSb/Al𝑥Ga1−𝑥Sb, InP/Ga𝑥In1−𝑥P𝑦As1−𝑦, атакже GaAs/Ga𝑥In1−𝑥As, GaAs/GaP𝑦As1−𝑦, InP/Ga𝑥In1−𝑥As1 и др.Для достижения высокой эффективности излучательной реком-бинации полупроводниковые слои должны обладать прямозоннойструктурой. Применение подобных структур в инжекционных ла-зерах позволяет увеличить мощность излучения лазеров, умень-шить пространственную расходимость светового пучка, снизитьпороговые плотности тока, благодаря чему увеличивается срок

1Индексы 𝑥 и 𝑦 определяют мольную долю соответствующих соединений втвердом растворе.

49


службы приборов. Управление толщиной слоев позволяет менятьдлину волн рекомбинационного излучения.

В случае ковариантных сверхрешеток (сверхрешеток 2-го ти-па) (рис. 3.7) разрывы валентной зоны и зоны проводимости од-ноименны по знаку, следовательно происходит частичное пере-крытие запрещенных зон и выполняется условие:

∆ЭС − ∆ЭВ = ∆Э1 − ∆Э2.

Эффективная ширина запрещенной зоны в таких сверхрешет-ках может быть меньше запрещенной зоны узкозонного ком-понента. Ступенчатая структура приводит к пространственномуразделению квантовых ям для электронов и дырок. Электронылокализуются в материале, имеющем меньшую работу выхода,запрещенная зона которого расположена выше по энергетиче-ской шкале. Композиции такого рода обладают непрямой зоннойструктурой. Излучательная рекомбинация происходит только пу-тем туннелирования через гетерограницу.

Подобные сверхрешетки формируются на основе компо-зиций GaSb/Ga𝑥In1−𝑥As𝑦Sb1−𝑦, InAs/InP𝑥As𝑦Sb1−𝑥−𝑦, GaSb/InAs,Ga𝑥In1−𝑥As/InP𝑦As1−𝑦 и др. [4].

Модулированное легирование. Композиционные сверхре-шетки с модулированным легированием позволяют создаватьструктуры, в которых носители заряда пространственно разделе-ны с породившими их атомами. В квантовых ямах формируетсядвухмерный электронный газ, при движении которого вдоль ге-терограницы в условиях низких температур имеет место высокаяподвижность носителей заряда (свыше 106 м2/(В·с)), объясняюща-яся отсутствием рассеяния на ионизированных примесях в неле-гированных областях [4].

3.3.3 Соединения типа AIIBVI

Свойства. К соединениям типа AIIBVI относятся халькогени-ды цинка, кадмия и ртути, исключая оксиды. Они имеют кри-сталлическую структуру сфалерита или вюрцита (рис. 3.5). Раз-ница между электроотрицательностями атомов соединения боль-ше, чем в соединениях AIIIBV (см. подразд. 3.3.1), поэтому ионнаясоставляющая химической связи больше.

Независимо от условий получения и легирования, полупровод-ники типа AIIBVI, кроме теллуридов кадмия и ртути, проявляют

50


электропроводность только одного типа. Сульфиды и селенидыцинка, кадмия и ртути являются полупроводниками 𝑛-типа. Тел-лурид цинка обладает дырочной проводимостью. Это свойствонакладывает ограничения на возможность применения таких со-единений.

Проводимость соединений типа AIIBVI может быть значительноизменена при термообработке в парах собственных компонентов.Это обусловлено появлением нестехиометрических дефектов, ве-дущих себя подобно донорам и акцепторам [4].

Применение. Среди соединений рассматриваемого типа наи-более широко применяются сульфиды цинка — для изготовлениялюминофоров, сульфид кадмия — для изготовления фоторезисто-ров, а также селенид цинка, применяемый при производстве си-них светодиодов и полупроводниковых лазеров с электроннымвозбуждением.

Для создания приемников дальнего ИК-излучения интересныузкозонные полупроводники типа AIIBVI, в частности твердые рас-творы Cd𝑥Hg1−𝑥Te.

Селенид и теллурид ртути применяются в высокочувствитель-ных датчиках Холла [4].

3.3.4 Соединения типа AIVBVI

Свойства. К группе соединение AIVBVI относятся халько-гениды германия, олова и свинца. Их свойства представленыв табл. A.2.

Все соединения кристаллизуются в структуре типа NaCl, име-ют ярко выраженную ионную составляющую химической связи.

Халькогениды свинца являются прямозонными полупроводни-ками, отличаются необычной зависимостью ширины запрещен-ной зоны от температуры — ∆Э возрастает с ростом температуры.В нормальных условиях подвижность электронов в соединенияххалькогенов со свинцом ниже чем у алмазоподобных полупро-водников с приблизительно такой же шириной запрещенной зо-ны, однако с понижением температуры наблюдается резкий ростподвижность носителей заряда.

Халькогениды свинца обладают высокой (на 1–2 порядка вы-ше, чем у полупроводников типа AIIIBV) диэлектрической прони-цаемостью [4].

51


Получение. Халькогениды свинца выращивают из газовойфазы. Метод Чохральского не применяется, т. к. халькогенидысильно диссоциируют вблизи зоны плавления. Также выращива-ние из газовой фазы позволяет контролировать давление паров,что позволяет контролировать концентрацию собственных точеч-ных дефектов [4].

Применение. Тонкие пленки халькогенида свинца облада-ют высокой фоточувствительностью в далекой ИК-области спек-тра, однако изготавливаемые фотодетекторы обладают невысо-ким быстродействием из-за высокой диэлектрической проницае-мости.

Перспективно применение такого типа соединений в инжек-ционных лазерах с длиной волны от 6 до 32мкм. Такие лазерыобладают возможностью перестраивать длину волны излученияпутем изменения рабочей температуры [4].

3.3.5 Карбид кремния

Применение. Были созданы практически все классическиеполупроводниковые приборы на основе карбида кремния, пре-восходящие кремниевые аналоги по всем параметрам, кроме пол-ного рабочего тока. Это связано с недостаточным структурнымсовершенством подложек из карбида кремния, из-за чего рабочаяплощадь приборов не превышает 3× 3 мм2. Также проблемой длявнедрения полупроводниковых приборов на основе SiC являетсяего высокая стоимость.

Преимуществом полупроводниковых приборов на основе кар-бида кремния является возможность работы в агрессивных сре-дах.

Важная особенность карбида кремния — способность излучатьв видимом диапазоне спектра. Используя различные политипы,а также изменяя примесный состав, можно получать любой цветсвечения — от красного до фиолетового. Благодаря этому свой-ству карбид кремния широко распространен в производстве све-тодиодов [4].

3.4 Очистка и получение монокристаллов

Метод Чохральского. Метод Чохральского применяется длявыращивания монокристаллов различных веществ. Этот метод

52

3.4. Очистка и получение монокристаллов

1 2 3 4 5

Рис. 3.8. Процесс выращивания монокристалла методом Чохральского:1 — плавление поликристалла, легирование; 2 — опускание штока; 3 — начало

роста монокристалла; 4 — вытягивание монокристалла из расплава; 5 -— готовыймонокристалл с остатками расплава

обеспечивает высокое структурное совершенство получаемых мо-нокристаллов. Схема метода показана на рис. 3.8.

Внутри герметичной камеры создается вакуум или защитнаягазовая атмосфера. Очищенный поликристаллический кремнийпомещается в разогреваемый тигель. После опускания штока про-изводят разращивание кристалла до требуемого диаметра.

Легирующие примеси вводят в расплав. Вращение тигля и кри-сталла вызывает равномерное распределение примеси в расплаве.

К недостаткам метода следует отнести загрязнение кристалловкислородом, содержащимся в кварцевом (SiO2) тигле, и дислока-ции, вызванные термическими напряжениями, которые, в своюочередь, обусловлены неоднородным распределением температу-ры в монокристалле [2].

Метод зонной плавки. Метод зонной плавки основан нанеодинаковой растворимости примесей в жидкой и твердой фа-зах, находящихся в состоянии равновесия. Отношение концен-траций примесей в твердой 𝑁тв и жидкой 𝑁ж фазах называетсякоэффициентом распределения 𝑘0 = 𝑁тв

𝑁ж. Метод зонной плавки

эффективен при 𝑘0 < 1, т. к. в этом случае примеси оттесняютсяв объем расплава.

Процесс (рис. 3.9) проводят в атмосфере защитных газов. Под-вергаемый очистке монокристалл помещают в графитовую лодоч-ку. С помощью индуктора, питаемого от высокочастотного гене-

53


1 2 3 4 5

Рис. 3.9. Схема метода зонной плавки:1 — тигель, 2 — очищенная зона с малым числом примесей, 3 — нагреватель, 4 —расплавленная зона, 5 — загрязненная зона. Стрелкой обозначено направление

движения подложкодержателя с подложкой

ратора, получают узкую расплавленную зону в начале образца,которую медленно перемещают вдоль слитка. Примеси, у кото-рых 𝑘0 < 1, концентрируются в расплавленной зоне и перемеща-ются вместе с ней к концу слитка. Требуемая степень очисткидостигается за несколько (5 . . . 8) проходов. Для ускорения про-цесса очистки создают несколько расплавленных зон.

Существуют модификации данного метода. Для химически ак-тивных в расплавленном состоянии веществ, таких как кремний,применяют бестигельную зонную плавку. Суть метода заключает-ся в том, что расплавленная зона удерживается между твердымиучастками слитка силами поверхностного натяжения. Такой про-цесс проводится в вакууме или атмосфере защитных газов. Приплавке в вакууме происходит испарение примесей из расплава,что позволяет эффективно очищать образец от кислорода.

Кристаллы, выращенные методом зонной плавки, имеют со-держание кислорода ниже, чем кристаллы выращенные методомЧохральского, однако уступают по однородности свойств и числуструктурных дефектов [2].

3.5 Легирование полупроводников

Для создания 𝑝–𝑛-перехода полупроводниковые материалы ле-гируют. Легирование может осуществляться как в процессе вы-ращивания монокристалла, так и на последующих стадиях обра-

54

3.5. Легирование полупроводников

ботки. Существует множество методов легирования полупровод-никовых материало. Рассмотрим основные из них.

Диффузия. Самым простым способом является термическаядиффузия примесей (ТДП). Диффузия имеет три механизма осу-ществления: обмен местами из одного равновесного состояния вдругое; движение по вакансиям; движение по межузлиям.

Метод ТДП имеет ряд недостатков:

∙ невозможность использования легирующих материалов вчистом виде (P — взрывоопасен, As, Sb — ядовиты), исполь-зуются их производные;

∙ для увеличения скорости процесса его приходится прово-дить при высоких температурах, что приводит к перерас-пределению ранее внедренных примесей;

∙ изотропность процесса приводит к боковой диффузии, чтонедопустимо в субмикронной технологии;

∙ использование многих материалов в качестве диффузанта поразным причинам ограничена;

∙ максимальная концентрация примеси находится на поверх-ности подложки [2].

Лазерное легирование. Лазерное легирование — процесс вве-дения примеси при воздействии лазерного излучения. Лазерноелегирование позволяет осуществить локальный нагрев участкаобразца, а также относительно просто производить регулировкутемпературы.

По способу подвода лазерного излучения различают две схе-мы: прямую и обратную. В прямой схеме лазерный луч попадаетна легируемую поверхность, в обратной схеме облучают с об-ратной стороны подложки. При использовании обратной схемыэнергия квантов излучения должна быть меньше, чем ширина за-прещенной зоны, иначе излучение будет поглощаться подложкой.

Существуют пять способов подвода легирующей смеси.

1. Легирование из газовой фазы под действием лазерного на-грева поверхности подложки. Лазерное излучение использу-ется только для нагрева поверхности образца, поэтому при-меняемое лазерное излучение, с одной стороны, должно об-ладать малым значением коэффициента оптического погло-щения в газовой фазе, т. е. не должно быть больше энергии

55


диссоциации 𝐸дис молекул газа, а с другой стороны большимкоэффициентом оптического поглощения в материале под-ложки:

𝐸д ≪ ℎ𝜈 ≪ 𝐸дис.

Также подложка должна обладать высокой адсорбционнойспособностью к атомам примеси.

2. Фотолизное лазерное легирование. Энергия лазерного излу-чения расходуется на диссоциацию атомов газа и нагрев по-верхности подложки, поэтому она должна быть больше иэнергии диссоциации, и ширины запрещенной зоны;

3. Имплантационно-лазерное легирование. Такой способ поз-воляет улучшить качество и дополнительно сформироватьлегированный слой, полученный методом ионной импланта-ции и лазерного отжига. Для проведения имплантационно-лазерного легирования необходимо сильное поглощение све-та в поверхностном слое полупроводника, для чего энергияквантов излечения должна быть больше ширины запрещен-ной зоны;

4. Лазерное легирование из контактного слоя. Лазерное излу-чение направляется на поверхность полупроводника, на ко-торую предварительно нанесен слой легирующего вещества.При большой толщине слоя трудно обеспечить высокую тем-пературу на контактной границе, при малой толщине не до-стигается необходимая глубина легированного слоя, что яв-ляется недостатками способа;

5. Лазерная имплантация примесей осуществляется по обрат-ной схеме, что позволяет использовать лазеры существен-но меньшей мощности. При этом удается осуществить плав-ление контактной области, диффузию и имплантацию. Дляпроведения легирования по этому методу необходимо ис-пользовать полупроводники с низким содержанием приме-сей, т. к. они вызывают поглощение энергии лазерного изле-чения в легируемом образце [2].

Ионное легирование. Ионное легирование — процесс внедре-ния примесей в подложку путем бомбардировки ее поверхностиионами примесей (рис. 3.10). Энергия ионам сообщается электри-ческим полем напряжением в сотни киловольт.

56

3.6. Методы получения тонких пленок

1

2

3

6

5

4

Рис. 3.10. Схема установки для ионного легирования:1 — диафрагменная щель, 2 — подложка, 3 — источник высокого напряжения, 4 —

источник ионов, 5 — фокусирующая система, 6 — магнитный сепаратор

Преимуществами этого метода являются низкие рабочие тем-пературы, большое число применяемых примесей, возможностьточного управления концентрацией примеси, относительная про-стота управления профилем распределения внедренных ионов ле-гирующих примесей [2].

Радиационное легирование. Большими возможностями обла-дает метод радиационного легирования, которое происходит поддействием потока нейтронов, направленного на кристалл и об-ладающего большой проникающей способностью. Это позволяетполучать монокристаллы с однородным распределением приме-сей. Данный метод применяется в основном для получения высо-коомных кристаллов кремния.

В природном кремнии содержится 3,09% устойчивого изото-па 30

14Si. При облучении потоком нейтронов такой изотоп превра-щается в нестабильный изотоп 31

14Si (имеющий период полураспа-да всего 9438 с), который в свою очередь превращается в устойчи-вый изотоп 31

15P:

3014Si + 𝑛0 → 31

14Si → 3115P + 𝑒−.

Для «залечивания» образовавшихся дефектов применяют вы-сокотемпературный отжиг [4].

3.6 Методы получения тонких пленок

Эпитаксией называется процесс роста слоев, решетка кото-рых определенным образом ориентирована относительно исход-

57


1

2

Рис. 3.11. Схема метода ТВН:1 — испаритель, 2 — подложка. Стрелками обозначены радиус-векторы от

испарителя к подложке

ного кристалла-подложки, который играет роль затравки. Расту-щие слои ориентируются с некоторым соответствием по отноше-нию к соприкасающейся атомарной плоскости, т. к. в этом слу-чае свободная энергия будет минимальна. Рост пленки осуществ-ляется при температурах меньших температуры плавления. Ес-ли материалы подложки и наращеваемого материала идентичны,то процесс называют гомоэпитаксиальным; если различны — ге-тероэпитаксиальным1. Подложка и выращиваемый слой могутиметь различные типы проводимости. Это позволяет создавать𝑝–𝑛-переходы [2].

Термическое вакуумное напыление. Процесс термическоговакуумного напыления2 (рис. 3.11) можно разделить на три эта-па:

1. нагрев в вакууме наносимого вещества до температуры ис-парения;

2. транспортирование пара от испарителя к подложке;

3. конденсация испаряемого вещества на подложке:

3.1. Зарождение зерен. Первым этапом конденсации пленокявляется адсорбция. Адсорбированные атомы сначаластатистически распределены по поверхности, затем ло-кализуются на участках с неоднородностями структурыповерхности (примеси, дефекты и т. п.).

1В этом случае кристаллические структуры слоя и подложки быть сходными.2Можно встретить другое название — PVD-процесс (англ. PVD — physical vapour

deposition — физическое осаждение пара).

58


∙ островковый режим — осаждаемые атомы связаныдруг с другом сильнее, чем с подложкой;

∙ послойный режим — осаждаемые атомы связаны сподложкой сильнее, чем между собой;

∙ промежуточный режим — сначала происходит по-слойной рост, затем начинается островковый режимроста.

3.2. Рост зерен. Вокруг зерен растут островки, являющиесяжидкими каплями или монокристаллами.

3.3. Объединение островков. При контакте граница остров-ков разрушается, от выделившейся теплоты островкирасплавляются, а при охлаждении образуют монокри-сталл. Межсоединения островков образуют сеть с пу-стотными каналами.

3.4. Заполнение каналов [2].

Молекулярно-пучковая эпитаксия. По своей сути, МПЭ ана-логична методу термического вакуумного напыления. Однакопозволяет осуществлять прецизионный контроль процесса и по-лучаемой структуры. Схема установки показана на рис. 3.12.

Процесс происходит в высоком вакууме — не ниже 10−8Па.Благодаря этому распространение молекулярных пучков проис-ходит по прямолинейным траекториям. Интенсивность испарениязависит от температуры нагревателей в испарительных ячейках.С помощью заслонок можно практически мгновенно прекратитьпоступление вещества на подложку. Преимуществами такого ме-тода являются:

∙ низкие скорости роста (порядка 1мкм/час) — позволяют ме-нять состав и концентрацию примесей в пределах моноатом-ного слоя;

∙ сравнительно низкие температуры роста;

∙ возможность получения резких профилей распределениякомпонентов состава и легирующих примесей;

∙ совместимость с другими технологическими процессами;

∙ возможность диагностики свойств эпитаксиальных пле-нок [2].

59


1

2

3

4

5

6

78

9

10

11

Рис. 3.12. Схема установки для проведения молекулярно-пучковойэпитаксии:

1 — масс-спектрометр, 2 — нагреватель, 3 — насосы, 4 — ионизационный датчик,5 — криопанели (позволяют уменьшить газоотделение от стенок камеры), 6 —

корпус вакуумной камеры, 7 — устройство вращения подложки, 8 —флуоресцентный экран, 9 — подложкодержатель с подложкой, 10 —

испарительные ячейки с заслонками, 11 — электронная пушка (картинадифракции электронов, отраженных от образца позволяет следить за

различными параметрами роста в реальном времени)

Эпитаксия из газовой фазы. Для эпитаксии из газовой фазы1

используется установка (рис. 3.13), содержащая реактор, через ко-торый прокачивается смесь инертного газа-носителя (как прави-ло, водород) и газа-реагента. Подложки, на которые необходимоосадить пленку нагреваются до температуры, при которой газ-реагент разлагается, образуя в качестве твердого продукта атомыполупроводника, которые осаждаются на подложку. Такой про-цесс называется пиролизом. Например, для кремния в качествегаза реагента используют силан (SiCl4):

SiCl4 + 2H2 � Si↓ + 4HCl↑ .

Для легирования в смесь газов добавляют гидриды примесныхэлементов [2].

Жидкостная эпитаксия. Жидкостная эпитаксия по сути яв-ляется методом Чохральского. Однако метод Чохральского не

1Можно встретить другое название — CVD-процесс (англ. CVD — chemicalvapour deposition — химическое осаждение пара).

60


3

4

2

1

Рис. 3.13. Схема установки для эпитаксии из газовой фазы:1 — смесь газов; 2 — нагреватели; 3 — подложки; 4 — подложкодержатель

обеспечивает прецизионного контроля за параметрами процесса.Для улучшения контроля применяют жидкостную эпитаксию,

управляемую электрическим током (рис. 3.14). При этом через вы-ращиваемый слой пропускают электрический ток. Вследствие эф-фекта Пельтье происходит охлаждение или нагрев границы раз-дела расплава и подложки. Контролируя величину протекающеготока и полярность, можно получать качественные пленки [2].

31

2

Рис. 3.14. Схема установки для жидкостной эпитаксии, управляемойэлектрическим током:

1 — расплав; 2 — подложка; 3 — электрические контакты

61

Глава 4

Диэлектрические

материалы

4.1 Основные понятия о диэлектриках

Условно к диэлектрикам относят материалы с удельным элек-трическим сопротивлением 𝜌 > 108Ом·м. С точки зрения зоннойтеории, диэлектриками условно называют вещества с ширинойзапрещенной зоны превышающей 3 эВ.

Характерными особенностями диэлектриков являются поляри-зация в электрическом поле, высокое удельное сопротивление,незначительное рассеяние электрического поля, электрическаяпрочность [4].

4.1.1 Поляризация диэлектриков

Основные понятия. При приложении электрического поля кдиэлектрику, не происходит переноса свободных носителей заря-да, т. к. их концентрация ничтожно мала. Однако при этом проис-ходит смещение связанных зарядов, вызывающее появление по-ляризованного состояния (рис. 4.1).

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризу-ющееся наличием электрического момента у любого элемента егообъема.

Различают поляризацию, возникающую под действием внеш-него электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), су-

4.1. Основные понятия о диэлектриках

E−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

−+ −+ −+

+ −

+ −

+ −

+ −

+ −

+ −

+ −

+ −

Рис. 4.1. Поляризация бесконечного плоского диэлектрика

ществующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляриза-ция диэлектриков появляется под действием механических напря-жений.

Способность различных материалов поляризоваться в элек-трическом поле характеризуется относительной диэлектрическойпроницаемостью 𝜀 = 𝐶д 𝐶0, где 𝐶д — емкость конденсатора с дан-ным диэлектриком, 𝐶0 — емкость того же конденсатора в вакууме(т. е. геометрическая емкость между электродами).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость 𝜀𝛼 связана сотносительной диэлектрической проницаемостью: 𝜀𝛼 = 𝜀0 𝜀, где𝜀0 = 8,854 · 10−12Ф/м — электрическая постоянная.

Количественной характеристикой поляризации служит поля-ризованность диэлектрика. Поляризованностью 𝑃 называют век-торную физическую величину, равную отношению электриче-ского момента 𝑑𝑝 элемента диэлектрика к объему 𝑑𝑉 этого эле-мента и выражаемую в Кл/м2: 𝑃 = 𝑑𝑝/𝑑𝑉 [3].

Механизмы поляризации. Существуют различные механиз-мы поляризации:

∙ Электронная поляризация представляет собой упругое сме-щение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов(рис. 4.2). Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связа-на с потерями.

∙ Ионная поляризация обусловлена смещением упруго свя-занных ионов из положения равновесия на расстояния,меньшие периода кристаллической решетки. Время проте-кания — порядка 10−13 с. Потерь нет.

∙ Дипольно-релаксационная поляризация происходит под дей-

63

Глава 4. Диэлектрические материалы

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

а

E+ −

+ −

+ −

+ −

+− +− +−

+− +− +−

+− +− +−

б

Рис. 4.2. Деформация электронных оболочек атомов при поляризациидиэлектриков:

а — при отсутствии электрического поля; б — при приложении электрическогополя

ствием электрического поля, которое вызывает преимуще-ственную ориентацию диполей (рис. 4.3). Протекает с поте-рями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Болеемедленная по сравнению с электронной и ионной поляриза-цией. После снятия поля, частицы постепенно разориенти-руются. Характерна для жидкостей, состоящих из полярныхмолекул.

∙ Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионныхдиэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например внеорганических стеклах. В этом случае слабо связанные ио-ны смещаются на расстояния, превышающие постояннуюрешетки. После снятия электрического поля ионы постепен-но возвращаются к центрам равновесия.

∙ Электронно-релаксационная поляризация возникает за счеториентации избыточных «дефектных» электронов и дырок вэлектрическом поле.

∙ Резонансная поляризация — ориентация частиц, собствен-ные частоты которых совпадают с частотами внешнего элек-трического поля.

∙ Миграционная поляризация обусловлена наличием в мате-риале слоев с различной проводимостью, образованием объ-емных зарядов, имеет большие потери и является поляриза-цией замедленного действия.

∙ Спонтанная (самопроизвольная) поляризация существуеттолько у сегнетоэлектриков (см. раздел 4.3.1) [3].

64


−+ −

+ −+ −+

− + −+ −

+

−+

−+−

+

−+

−+

а

+ −

+ −

+ −

+ −

− + − + − +−+

− + −+− +

−+

− +

− + −+ − +

E

б

Рис. 4.3. Схема дипольно-релаксационной поляризации:а — в отсутствие электрического поля; б — при воздействии электрического поля

Классификация диэлектриков по механизмам поляризации.

∙ Линейные диэлектрики (имеющие линейную зависимостьзаряда конденсатора от напряжения).

– Неполярные диэлектрики — газы, жидкости и твердыевещества, обладающие в основном только электроннойполяризацией. К ним относятся водород, бензол, сера,полиэтилен.

– Полярные диэлектрики — органические жидкие, по-лужидкие и твердые вещества, имеющие одновремен-но электронную и дипольно-релаксационную поляри-зации. К ним относятся кремнийорганические соедине-ния, капрон, фенолформальдегидные смолы.

– Ионные диэлектрики. В этой группе целесообразно вы-делить две подгруппы материалов:

* диэлектрики с ионной и электронной поляризация-ми (кварц, слюда, корунд, TiO2);

* диэлектрики с ионной, электронной и релаксацион-ной поляризацией (неорганические стекла, керами-ка).

∙ Нелинейные диэлектрики (зависимость заряда от напряже-ния принимает форму петли гистерезиса). К этому классудиэлектриков относятся только сегнетоэлектрики (вещества,обладающие спонтанной поляризацией) [3].

65


4.1.2 Токи смещения, электропроводность

При поляризации происходит смещение зарядов в веществе,что обуславливает появление токов в диэлектрике, называемыхтоками смещения.

При электронной и ионной поляризациях, токи смещениякратковременны, их обычно не удается зафиксировать прибором.Токи смещения при замедленной поляризации, наблюдаемые умногих технических диэлектриках, называются абсорбционнымитоками 𝐼абс.

При постоянном напряжении абсорбционные токи проходяттолько в периоды коммутации. При переменном напряжении ониимеют место в течении всего времени приложения электрическо-го поля.

Наличие небольшого количества свободных носителей заря-дов, а также их инжекция из электродов, обуславливает возник-новение небольшого сквозного тока 𝐼скв. После завершения про-цессов поляризации через диэлектрик проходит только сквознойток.

Таким образом, плотность тока в диэлектрике (тока утеч-ки) 𝐽ут является суммой плотностей абсорбционного 𝐽абс и сквоз-ного 𝐽скв токов:

𝐽ут = 𝐽абс + 𝐽скв.

Плотность тока смещения определяется скоростью измене-ния электрической индукции ��, включающие в себя мгновенные(электронное, ионное) и замедленные смещения зарядов:

𝐽см =𝑑��

𝑑𝑡= 𝐽абс.

В слабых электрических полях носителями зарядов в диэлек-триках в большинстве случаев являются ионы. В сильных элек-трических полях, в связи с процессами ударной ионизации, начи-нает преобладать электронная проводимость.

Сопротивление диэлектрика (сопротивление изоляции) 𝑅из,заключенного между двумя пластинами, к которым приложенонапряжение 𝑈 , вычисляется по формуле:

𝑅из =𝑈

𝐼ут −∑

𝐼пол,

где∑

𝐼пол = 𝐼абс — сумма токов, вызванных замедленными меха-низмами поляризации.

66


У твердых диэлектриков различают объемную и поверхност-ную электропроводности. Для оценки этих величин используютудельное объемное 𝜌V и удельное поверхностное 𝜌S сопротивле-ния.

Удельное объемное сопротивление 𝜌V находят по формуле:

𝜌V = 𝑅𝑆

ℎ,

где 𝑅 — объемное сопротивление, 𝑆 — площадь электрода, ℎ —толщина образца.

Удельное поверхностное сопротивление 𝜌S рассчитывают поформуле:

𝜌S = 𝑅S𝑑

𝑙,

где 𝑅S — поверхностное сопротивление образца между параллель-но поставленными электродами шириной 𝑑, отстоящими друг отдруга на расстояние 𝑙.

Полная проводимость твердого диэлектрика есть сумма объ-емной и поверхностной проводимостей:

1

𝑅из=

1

𝑅+

1

𝑅S.

Величина, характеризующая время, в течении которого на-пряжение на обкладках конденсатора, отключенного от питания,уменьшается вследствие разрядки в 𝑒 раз, называется постояннойвремени 𝜏0:

𝜏0 = 𝑅из 𝐶 = 8,85 · 10−12 𝜌 𝜀.

При длительной работе под напряжением сквозной ток че-рез твердые или жидкие диэлектрики с течением времени мо-жет уменьшаться или увеличиваться. К уменьшению приводитэлектрическая очистка материала от ионов посторонних приме-сей. Увеличение говорит о старении материала, которое вызываетрост концентрации свободных носителей заряда.

4.1.3 Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощ-ность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося вэлектрическом поле.

67


Для характеристики способности диэлектрика рассеиватьэнергию в электрическом поле используют угол диэлектрическихпотерь и тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь 𝛿 называют угол, дополняющийдо 90∘ угол сдвига фаз 𝜙 между током и напряжением в емкостнойцепи.

Чем больше рассеивается мощность в диэлектрике, тем мень-ше угол сдвига фаз 𝜙 и тем больше угол диэлектрических по-терь 𝛿.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg 𝛿 характеризует от-ношение активной составляющей проводимости к емкостной со-ставляющей.

Виды диэлектрических потерь.

∙ Потери на электропроводность. Потери этого вида свой-ственны диэлектрикам, обладающим заметной электропро-водностью. Значение тангенса угла диэлектрических потерьможет быть найдено по формуле

tg 𝛿 =1,8 · 1010

𝜀 𝑓 𝜌, (4.1)

где 𝜀 — диэлектрическая проницаемость, 𝑓 — частота, 𝜌 —удельное электрическое сопротивление диэлектрика.

∙ Релаксационные потери. Такой вид потерь характерен длядиэлектриков с замедленными видами поляризации, прояв-ляются при высоких частотах электрического поля, когдасказывается отставание поляризации от изменения поля. Ре-лаксационные потери зависят от времени релаксации 𝜏0 ипериода изменения поля:

– при 𝜏0 ≪ 1𝜔 , происходит полная поляризация, потерь

практически нет;

– при 𝜏0 ≫ 1𝜔 , происходит незначительная поляризация,

потери низки;

– при 𝜏0 ≈ 1𝜔 , время поляризации сравнимо с периодом

изменения поля, потери максимальны.

∙ Ионизационные потери. Данный вид потерь наблюдается вгазах и пористых твердых диэлектриках. Тангенс угла ди-электрических потерь можно найти по формуле (4.1). Ак-тивные ионизационные потери в порах можно приближенно

68

4.2. Пассивные полимеры

рассчитать по формуле:

𝑃а. и = 𝐴1𝑓 (𝑈 − 𝑈и)3,

где 𝐴1 — эмпирическая константа, 𝑈и — пороговое напряже-ние ионизации.Ионизационные потери приводят к разогреву пор.

∙ Резонансные потери. Резонансные потери связаны с резо-нансной поляризацией, проявляются при совпадении часто-ты электрического поля с собственной частотой колебанияосцилляторов. Фактически в этих условиях конденсатор ве-дет себя как активное сопротивление.

∙ Потери на гистерезис. Характерны только для сегнетоэлек-триков, которым свойственна доменная поляризация, сопро-вождающаяся в переменных полях диэлектрическим гисте-резисом. Потери на гистерезис существуют до точки Кюри.

4.2 Пассивные полимеры

4.2.1 Основные сведения о полимерах

Полимеры — высокомолекулярные соединения, получаемыепутем многократного повторения различных групп атомов, назы-ваемых «мономерами», соединенных в длинные макромолекулыхимическими или координационными связями. Реакцию образо-вания полимера из мономеров называют полимеризацией. Поли-меризация соединений с двойными связями, как правило, проте-кает по цепному механизму. Для начала цепной реакции необхо-димо, чтобы в исходной инертной массе зародились активные ча-стицы. В цепных реакциях одна активная частица вовлекает в ре-акцию тысячи неактивных молекул, образующих длинную цепь.Первичными активными центрами являются свободные радика-лы и ионы. Радикалы — это части молекулы, образующиеся приразрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон(например, метил CH3—, фенил C6H6—, этиловая группа C2H5—и т. д.). Образование первоначальных радикалов и ионов можетпроисходить под действием теплоты, света, различных ионизиру-ющих излучений, специально вводимых катализаторов.

Помимо реакции полимеризации могут быть более сложныеслучаи образования высокомолекулярного соединения. Такова,

69


например, поликонденсация — реакция, связанная с перегруппи-ровкой атомов полимеров и выделением из сферы реакции во-ды или других низкомолекулярных веществ. Полимеры, получен-ные путем поликонденсации, как правило, обладают понижен-ными электрическими свойствами по сравнению с материала-ми, полученными по реакции полимеризации. Основной причи-ной этого является наличие в поликонденсационных диэлектри-ках остатков побочных низкомолекулярных веществ (воды, кис-лот, спирта), которые, распадаясь на ионы, увеличивают прово-димость материала [3].

Классификация полимеров по форме макромолекул. В зави-симости от пространственной структуры макромолекул полимерыделят на два основных типа — линейные, разветвленные и про-странственные.

∙ Линейные полимеры — это соединения, макромолекулы ко-торых представляют собой длинные цепи, молекулы кото-рых химически инертны по отношению друг к другу и свя-заны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса.

∙ Разветвленные полимеры образованы цепями с боковымиответвлениями (число ответвлений и их длина различны).Разветвленные полимеры более прочны, чем линейные.

∙ Пространственные полимеры содержат реакционно-способ-ные группы, которые при нагревании соединяются множе-ством прочных поперечных связей и полимер оказываетсясшитым.

Линейные и разветвленные полимеры размягчаются (плавят-ся) при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такоесвойство полимеров называется термопластичностью, а сами по-лимеры — термопластичными, или термопластами. Термопластич-ные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так каксвязи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов. Ктермопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полисти-рол и др. Пространственные полимеры при нагревании остаютсятвердыми, а при достижении температуры плавления разруша-ются [3].

Структурные формы и состав полимерных цепей. Макромо-лекулы могут быть регулярными и нерегулярными. Полимер по-строен регулярно, если соблюдается совершенный дальний поря-док расположения звеньев по цепи. Гибкие нерегулярные мак-

70


ромолекулы имеют тенденцию сворачиваться в сфероподобныеструктуры, называемые глобулами. Поверхность глобулы намно-го меньше поверхности вытянутой макромолекулы, поэтому меж-молекулярное взаимодействие при контакте глобул оказываетсяслабым. Глобулярной структурой объясняется непрочность неко-торых органических полимеров.

Жестким полимерным цепям трудно сворачиваться в глобулы.За счет сил межмолекулярного взаимодействия несколько сосед-них макромолекул могут организоваться в пачки (пучки парал-лельных молекул). Полимеры с гибкими макромолекулами регу-лярного строения обладают способностью образовывать кристал-лическую фазу, которая характеризуется упорядоченным распо-ложением молекул. В кристаллической фазе обычно наблюдаетсяскладывание молекулярных цепей, т. е. их изгиб через определен-ные интервалы под углом 180∘ и встраивание в плоскости в видегармошки. При кристаллизации сильно разбавленных растворовможно получить небольшие пластинчатые кристаллы некоторыхполимеров (например, полиэтилена). В кристаллическом полиме-ре макромолекулы плотно упакованы и им трудно проявлять своюгибкость. Такие полимеры обычно являются жесткими материа-лами с высоким модулем упругости и малой деформируемостью.

По химическому составу полимеры можно разделить на ор-ганические и элементоорганические. К органическим полимерамотносят такие высокомолекулярные соединения, у которых глав-ная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кисло-родом, азотом, серой и фосфором.

Элементоорганическими называют такие полимеры, главнаяцепь которых не содержит атомов углерода, но обрамляется ор-ганическими группами. Наиболее распространенными представи-телями этих материалов являются кремнийорганические соедине-ния (полиорганосилоксаны) [3].

Электрические свойства полимеров Строение макромолекулво многом определяет электрические свойства полимеров. Все хи-мические связи углерода с другими элементами в той или инойстепени полярны из-за различия электроотрицательностей ато-мов, участвующих в связи. Суммарный дипольный момент моле-кулы определяется векторной суммой дипольных моментов от-дельных связей. Если молекула имеет симметричное строение,то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешиватьдруг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равеннулю.

71


Вещества с несимметрично построенными звеньями полимер-ных молекул являются дипольными и обычно обладают невысо-кими или средними электрическими характеристиками. Высоко-молекулярные углеводороды с симметрично построенными моле-кулами практически неполярны или слабополярны, и они имеютмалое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкуюудельную проводимость. [3]

4.2.2 Линейные полимеры

Линейные полимеры — это соединения, макромолекулы кото-рых представляют собой длинные цепи, молекулы которых хи-мически инертны по отношению друг к другу и связаны междусобой лишь силами Ван-дер-Ваальса.

Неполярные полимеры — полимеры, у которых мономерныезвенья макромолекул не обладают дипольным моментом. Наибо-лее важное значение из них имеют полиэтилен, полипропилен,полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4). Эти полимерыимеют наибольшее техническое значение из материалов, получа-емых полимеризацией.

Полярные полимеры — полимеры, у которых из-за асимметриистроения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная по-ляризация. Поэтому они обладают более высокими диэлектриче-скими потерями, чем неполярные полимеры (особенно на высокихчастотах), и большими значениями диэлектрической проницае-мости. Удельное поверхностное сопротивление этих материаловсильно зависит от влажности окружающей среды [4].

4.2.3 Композиционные порошковые пластмассы

Композиционные порошковые пластмассы предназначены дляизготовления изделий методом горячего прессования или литьяпод давлением, и состоят из связующего вещества (искусствен-ные смолы — пространственные или линейные полимеры) и на-полнителей (древесная мука, очесы хлопчатника, каолин, кварце-вый песок, асбестовое или стеклянное волокно и т. д.). Кроме того,в массу добавляют красители и для получения наилучших техно-логических свойств — пластификаторы. Наполнитель удешевляетпластмассу и в то же время улучшает механические характери-стики изделия. В ряде случаев при введении наполнителя (напри-

72


мер, кварцевой муки, талька и др.) наблюдается улучшение элек-трических свойств диэлектриков. При массовом производстве из-делий одинаковой формы и размеров применение пластическихмасс обеспечивает высокую производительность труда.

В качестве связующего вещества используют феноло-формальдегидные, крезоло-формальдегидные, анилино-формаль-дегидные, карбамидо-формальдегидные, меламино-формальде-гидные, фурфурольные, кремнийорганические и другие смолы.Наилучшими электрическими свойствами среди композиционныхпластмасс обладают материалы на основе анилино-формальдегид-ной смолы.

Применение композиционных пластмасс в радиоэлектроникев качестве электроизоляционных и чисто конструкционных ма-териалов очень широко: из них изготавливают корпусы радио-приемников, телевизоров, измерительных приборов, наушники,ламповые панельки, клеммные щитки, головки кнопок, рукоятки,штепсельные разъемы и др. Изготовление таких изделий обыч-ной механической обработкой было бы весьма трудоемко, прес-сование же из пластмассы позволяет получить их за одну техно-логическую операцию.

Слоистые пластики — разновидность композиционных пласт-масс, в которых в качестве наполнителя используют листовые во-локнистые материалы. К слоистым пластикам относятся гетинакси текстолит.

∙ Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитан-ной феноло-формальдегидной смолой или другими смоламиэтого же типа. Широко используется для дешевого изготов-ления плат в низковольтной бытовой аппаратуре.

∙ Текстолит — пластик, аналогичный гетинаксу, но его изго-тавливают из пропитанной хлопчатобумажной ткани. Сре-ди слоистых пластиков обладает наибольшей способностьюпоглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивлятьсяраскалыванию. Текстолит и стеклотекстолит (на основе стек-лоткани) очень широко используют в качестве основы дляизготовления печатных плат современных компьютеров [3].

4.2.4 Электроизоляционные компаунды

Компаундами называют смеси различных изоляционных ве-ществ (смол, битумов, эфиров, масел и т. д.), которые в момент

73


применения находятся в жидком состоянии и твердеют послеохлаждения или в результате происходящих в них химическихпроцессов.

Классификация компаундов по назначению. По назначениюэлектроизоляционные компаунды делятся на пропиточные и за-ливочные:

∙ Пропиточные компаунды служат для заполнения пор, капил-ляров и воздушных включений в электроизоляционных ма-териалах, используемых главным образом, для обмоток элек-трических машин, катушек аппаратов, трансформаторов идругих электротехнических конструкций. После пропиткиповышается электрическая прочность материала и всей кон-струкции в целом, улучшаются теплопроводность, теплоот-дача обмоток, что позволяет увеличить мощность электри-ческих машин и аппаратов при тех же размерах, увеличива-ются механическая прочность, влагостойкость, срок службывсей конструкции.

∙ Заливочные компаунды используют для заполнения сравни-тельно больших полостей, промежутков между различнымидеталями, для защиты изоляции от увлажнения, для увели-чения пробивного напряжения, для улучшения теплоотвода,повышения механической прочности и т. д. [3].

Классификация компаундов по отношению к нагреванию.

По отношению к нагреванию электроизоляционные компаундыделятся на термопластичные и термореактивные:

∙ Термопластичные компаунды, твердые при нормальной тем-пературе, при нагревании размягчаются, становятся пла-стичными и переходят в жидкое состояние. При охлажде-нии снова затвердевают. Расплавление и отвердевание этойгруппы компаундов можно производить многократно. Дляизготовления этих компаундов часто применяются нефтя-ные битумы в сочетании с растительными и минеральнымимаслами, канифолью и некоторыми термопластичными по-лимерами. К их числу относятся битумные компаунды.

∙ Термореактивные компаунды в момент их применения нахо-дятся в жидком состоянии, а затем затвердевают в результа-те происходящих в них химических реакций. Отвердеваниекомпаундов этой группы происходит под действием отвер-

74


дителя или катализатора. После отвердевания компаунд ста-новится твердым, неплавким и не растворимым в обычныхрастворителях. Эта группа компаундов также делятся накомпаунды горячего и холодного отвердевания. Компаундыгорячего отвердевания переходят в твердое состояние приспециальной термической обработке, а компаунды холодно-го отвердевания переходят в твердое состояние под действи-ем отвердителей. Из термореактивных компаундов наиболееширокое распространение в электронной технике получилиэпоксидные компаунды, отличающиеся высокой механиче-ской прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хо-рошими электрическими свойствами. Однако, при работе сэпоксидными компаундами следует помнить, что в неотвер-девшем состоянии смолы, а также пары отвердителей явля-ются токсичными веществами, поэтому необходимо защи-щать от попадания смолы открытые участки кожи лица ирук, а технологический процесс проводить под вытяжкой.Отвердевшие эпоксидные композиции не токсичны.

Компаунды широко применяют для пропитки и заливки от-дельных узлов электро- и радиоаппаратуры: трансформаторов,дросселей, конденсаторов. Их используют также для герметиза-ции и опрессовки дискретных полупроводниковых приборов иинтегральных микросхем. Некоторые разновидности эпоксидныхкомпаундов обладают высокой оптической однородностью и про-зрачностью к излучению в видимой и ближней инфракраснойобластях спектра. Благодаря этим свойствам они находят приме-нение в качестве оптических согласующих (иммерсионных) средпри выводе излучения из светодиодов [3].

4.2.5 Неорганические стекла

Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества,в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальнийпорядок в расположении частиц.

По химическому составу неорганические стекла подразделя-ют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства ди-электриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидногостекла составляет стеклообразующий окисел. К числу стеклооб-разующих окислов относятся SiO2, B2O3, GeO2, P2O5. Наиболь-шее распространение получили силикатные стекла (т. е. на основе

75


SiO2) благодаря высокой химической устойчивости, а также деше-визне и доступности сырьевых компонентов. Для придания опре-деленных физических свойств, а также из технологических сооб-ражений в состав силикатных стекол вводят окислы различныхметаллов (наиболее часто — щелочных и щелочно-земельных).

Сырьем для изготовления стекол служат следующие матери-алы: кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, поташ K2CO3, извест-няк CaCO3, доломит CaCO3·MgCO3, сульфат натрия Na2SO4, бу-ра Na2B4O7, борная кислота H3BO3, сурик Pb3O4, полевой шпатAl2O3·6 SiO2·K2O и др.

Сырьевые материалы измельчают смешивают и загружают встекловарочную печь. В результате образуется однородная стек-ломасса, которая и идет на выработку листового стекла или стек-лянных изделий.

Формовку изделий из стекла осуществляют путем выдува-ния, центробежного литья, вытяжки, прессования, отливки и т. п.Необходимо отметить, что стеклообразное состояние материалаполучается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случаемедленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, истекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности [3].

Классификация стекол по химическому составу. Силикат-ные стекла по составу можно разделить на три группы:

∙ Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия).В эту группу входит число кварцевое стекло (плавленыйкварц). Стекла данной группы обладают высокой нагрево-стойкостью, высокими электрическими свойствами, но изних трудно изготавливать изделия, особенно сложной кон-фигурации и с малыми допусками по размерам.

∙ Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначитель-ным их содержанием. Эта группа стекол состоит из двухподгрупп:

– натриевые;

– калиевые и калиево-натриевые. В эту группу входитбольшинство обычных стекол. Они отличаются пони-женной нагревостойкостью, легко обрабатываются принагреве («технологичны»), но имеют пониженные элек-трические свойства.

∙ Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окис-

76


лов (например, силикатно-свинцовые и бариевые). Эти стек-ла, обладая удовлетворительной обрабатываемостью, имеютповышенные электрические свойства, приближающиеся принормальной температуре к электрическим свойствам стеколпервой группы [3].

Классификация стекол по техническому назначению

∙ Электровакуумные стекла. Используются при изготовленииэлектронных ламп, электронно-лучевых и рентгеновскихтрубок, фотоумножителей, счетчиков частиц, ламп накали-вания, газоразрядных ламп, галогенных ламп, импульсныхисточников света и т. д. Электровакуумные стекла должныиметь высокие диэлектрические характеристики и (во из-бежание растрескивания спаев) согласованный с металлами(или стеклами) коэффициент теплового расширения. Отно-сятся к группе боросиликатных или алюмосиликатных сте-кол с добавками щелочных окислов.

∙ Изоляторные стекла.Стекла легко металлизируются и ис-пользуются в качестве герметизированных вводов в метал-лические корпусы различных приборов (конденсаторов, ди-одов, транзисторов и др.). Другим элементом изоляции, ча-сто встречающимся в дискретных полупроводниковых при-борах, является стеклянная буса, изолирующая металличе-ские выводы прибора от фланца корпуса, на котором рас-полагается полупроводниковый кристалл с 𝑝–𝑛-переходами.Обычно в качестве материала для таких изоляторов исполь-зуют щелочное силикатное стекло.

∙ Цветные стекла. При добавлении некоторых веществ прида-ют силикатным стеклам соответствующую окраску: CaO —синюю, Cr2O3 — зеленую, MnO2 — фиолетовую и коричне-вую, UO3 — желтую, Na2SeO3 — розовую, что используетсяпри изготовлении светофильтров, эмалей и глазурей.

∙ Лазерные стекла. Стекло может быть использовано в ка-честве рабочего тела в твердотельных лазерах. Активнымипримесями служат чаще всего ионы Nd3+, концентрация ко-торого может достигать 6%. Достоинством таких стекол, кро-ме высокой концентрации активных частиц, является воз-можность изготовления активных элементов больших раз-меров (до 1,8м длиной и до 70мм диаметром) практически

77


любой формы с очень высокой оптической однородностью.Недостатки — невысокая монохроматичность выходного из-лучения и низкая теплопроводность.

∙ Стекловолокно — волокно из тонких стеклянных нитей. Егополучают из расплавленной стекломассы методом вытяжкичерез фильеру с последующей быстрой намоткой на бобину.В такой форме стекло демонстрирует необычные для стекласвойства: не бьется и не ломается, а вместо этого легко гнет-ся без разрушения. Это позволяет ткать из него стеклоткань,изготавливать гибкие световоды и т. д. Основными достоин-ствами стекловолокна являются высокая механическая проч-ность, высокая термостойкость, негорючесть, малая гигро-скопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Дляпроизводства стекловолокна используют щелочные алюмо-силикатные, бесщелочные и малощелочные алюмоборосили-катные стекла [3].

4.2.6 Ситаллы

Ситаллы — это стеклокристаллические материалы, получае-мые путем почти полной стимулированной кристаллизации сте-кол специально подобранного состава. Они занимают промежу-точное положение между обычными стеклами и керамикой. Повнешнему виду ситаллы представляют собой плотные материалыбелого и от светло-бежевого до коричневого цвета. Они отли-чаются повышенной механической прочностью, могут иметь какочень маленький, так и большой коэффициент линейного расши-рения, высокую теплопроводность и удовлетворительные элек-трические характеристики.

Технология получения ситалла состоит из нескольких опера-ций. Сначала получают изделие из стекломассы теми же спосо-бами, что и из обычного стекла. Затем его подвергают чаще всегодвухступенчатой термической обработке при температурах 500–700∘C и 900–1100∘C. На первой ступени происходит образованиезародышей кристаллизации, на второй — развитие кристалличе-ских фаз. Содержание кристаллических фаз к окончанию техно-логического процесса достигает порядка 95%, размеры оптималь-но развитых кристаллов составляют 0,05–1мкм. Таким образом,ситаллы отличаются от стекол тем, что в основном имеют кри-сталлическое строение, а от керамики — значительно меньшимразмером кристаллических зерен.

78


Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимиче-скими и каталитическими процессами. В первом случае центрамикристаллизации служат мельчайшие частицы металлов (серебра,золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствую-щих окислов, входящих в состав стекла, под влиянием облученияс последующей термообработкой для проявления изображения.Для инициирования фото-химической реакции обычно использу-ют ультрафиолетовое излучение. При термообработке происхо-дит образование и рост кристаллитов вокруг металлических ча-стиц. Одновременно при проявлении материал приобретает опре-деленную окраску. Стеклокристаллические материалы, получае-мые таким способом, называют фотоситаллами.

Технология изготовления ситаллов упрощается, если в ка-честве катализаторов кристаллизации использовать соединения,ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристалли-зующиеся из расплава. К числу таких соединений относятсяTiO2, FeS, B2O3, Cr2O8, V2O6, фториды и фосфаты щелочных ищелочно-земельных металлов. При каталитической кристаллиза-ции необходимость в предварительном облучении отпадает. По-лучаемые при этом стеклокристаллические материалы называюттермоситаллами.

По техническому назначению ситаллы можно подразделитьна установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы ши-роко используют в качестве подложек гибридных интегральныхмикросхем и дискретных пассивных элементов (например, тон-копленочные резисторы), деталей СВЧ-приборов и некоторых ти-пов электронных ламп. Достоинством ситалловых конденсаторовявляются повышенная электрическая прочность по сравнению скерамическими конденсаторами [3].

4.2.7 Керамика

Керамика — большая группа диэлектриков с различными свой-ствами, объединенные общностью технологического цикла.

Особенности технологического цикла. Любая технологиче-ская схема керамического производства включает в себя:

1. Измельчение и смешивание исходных компонентов.Эта операция производится в шаровых и вибрационныхмельницах. В качестве мелющих тел используют керамиче-ские или стальные шары различного диаметра. Мельницы

79


бывают как сухого, так и мокрого измельчения. Более тон-кое измельчение достигается в водной среде.

2. Пластификация массы и образование формовочного полу-фабриката. Полученная в мельнице смесь пластифицируетсяорганическим пластификатором. Пластификаторы подразде-ляют на водорастворимые и расплавляемые. Наиболее частоиспользуют поливиниловый спирт и парафин.

3. Формование заготовок. Формование осуществляется мето-дом прессования, протяжкой через мундштук или горячимлитьем под давлением. Крупногабаритные изделия сложнойформы формуют путем литья жидкой керамической массыв гипсовые формы.

4. Спекание. Спекание изделий производят в туннельных элек-трических печах при температуре 1300∘С и выше. При спе-кании происходит выжигание пластификатора, завершаютсяхимические реакции между компонентами. За счет слияниячастиц фиксируется форма изделия, материал приобретаетнеобходимую механическую прочность и заданные физиче-ские и электрические свойства.

В процессе обжига вследствие испарения влаги, выгоранияпластификатора и уплотнения материала происходит усадка из-делий, т. е. уменьшение их размеров. В зависимости от соста-ва измельченной смеси, количества пластификатора и режимовобжига усадка изменяется в широких пределах и может превы-шать 20%. Принимая во внимание это обстоятельство, необходимопри формовке заготовок давать им завышенные размеры. Заранееоценить усадку довольно трудно, поэтому допуски на размеры ке-рамических изделий, особенно крупногабаритных, сравнительновелики (до 5% от линейного размера) [3].

Классификация керамики Керамику по техническому назна-чению можно подразделить на установочную керамику и конден-саторную керамику.

Установочная керамика. К установочной керамике относят-ся материалы, из которых изготовляются основания конденса-торов, разнообразные изоляторы, планки, панели, каркасы ка-тушек, корпуса резисторов, подложки интегральных микросхем.Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционныесвойства и прочность.

80


∙ Изоляторный фарфор — низкочастотный установочный ма-териал. Изготавливается из специальных сортов глины,кварцевого песка и полевого шпата. Обладает низкой пори-стостью и высокой плотностью, водонепроницаемостью, до-вольно высокой электрической и механической прочностью.На высоких частотах использование затруднено из-за высо-ких диэлектрических потерь.

∙ Радиофарфор — занимает промежуточное положение меж-ду высокочастотными и низкочастотными диэлектриками.Улучшение свойств обусловлено вводом в состав исходнойсмеси окиси бария, резко снижающей диэлектрические по-тери.

∙ Ультрафарфор — высокочастотная керамика, дальнейшееусовершенствование радиофарфора, отличается повышен-ным содержанием глинозема(> 80%). Сочетает в себе низ-кие диэлектрические потери с высокой механической проч-ностью и удовлетворительными технологическими парамет-рами. Предназначен для установочных деталей и конденса-торов, к которым предъявляются повышенные требования.

∙ Алюминоксид — высокочастотная керамика, сочетающаянизкие диэлектрические потери на радиочастотах, высокуюнагревостойкость (до 1600∘С), большую механическую проч-ность и хорошую теплопроводность (в 10 . . . 20 раз больше,чем у изоляторного фарфора). Высокая абразивность алю-миноксида затрудняет его механическую обработку. Алю-миноксид на 90 . . . 95% состоит из глинозема (Al2O3). Исполь-зуется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах по-лупроводниковых приборов и подложек интегральных мик-росхем.

∙ Поликор — разновидность алюминоксида. Прозрачен, поэто-му его применяют для изготовления колб некоторых спе-циальных источников света. Обладает высокой плотность,поэтому можно обеспечить высокую чистоту обработки по-верхности. Вследствие этого поликор является ценным ма-териалом для осаждения пассивных элементов гибридныхинтегральных схем.

∙ Брокерит — высокочастотная керамика на основе окиси бе-риллия (BeO). Обладает самой высокой теплопроводностью

81


среди неметаллических материалов. Применяется для изго-товления подложек интегральных схем и в особо мощныхприборах СВЧ. Недостатком данной кермаки является то,что порошок BeO токсичен, что требует соблюдения стро-гих мер техники безопасности.

∙ Цельзиановая керамика — состоит из цельзиана(BaO·Al2O3·2 SiO2), BaCO3 и каолина (Al2O3·2 SiO2·2H2O).Обладает низким температурным коэффициентом, повы-шенной электрической прочностью и низкими диэлек-трическими потерями. Из недостатков можно выделитьтолько сравнительно небольшую механическую прочность.Применяется при изготовлении каркасов высокостабильныхиндуктивных катушек.

∙ Стеатитовая керамика — высокочастотная керамика на ос-нове талька (3MgO·4 SiO2·H2O). Обладает малой абразивно-стью и незначительной усадкой при обжиге (1–1,5%), поэто-му из нее можно изготавливать мелкие детали с высокойточностью в размерах. Стеатитовую керамику применяют вкачестве опорных плат, изолирующих колец, деталей корпу-сов полупроводниковых приборов.

∙ Форстеритовая керамика — керамика на основе ортосилика-та магния (2MgO·SiO2). Имеет небольшие диэлектрическиепотери, высокое значение удельного объемного сопротив-ления и хорошую механическую прочность, характеризу-ется повышенным коэффициентом линейного расширения,благодаря которому форстеритовую керамику применяют вэлектровакуумной технике как изолятор для согласованногоспая с металлами [3].

Конденсаторная керамика. Конденсаторную керамику ис-пользуют для производства высокочастотных и низкочастотныхконденсаторов высокого и низкого напряжения. Основные требо-вания, предъявляемые к этой керамике, — возможно более вы-сокое значение диэлектрической проницаемости. Это позволяетснизить габариты конденсаторов и уменьшить их массу.

∙ Тиконды — специальная керамические материалы, использу-емая для высокочастотных конденсаторов, в состав которойвходит титан. Среди тикондов можно выделить рутил (TiО2),перовскит (CaTiO3), титанат стронция (SrTiO3).

82

4.3. Активные диэлектрики

E

P

Рис. 4.4. Петля диэлектрического гистерезиса

∙ Термоскомпенсированные тиконды — к ним относятсятитано-цирконивая керамика (твердые растворы TiO2–ZrO2),лантановая керамика (LaAlO3–CaTiO3) и станнатная кера-мика (CaSnO3–CaTiO3–CaZrO3). Данная группа материа-лов отличается повышенной температурной стабильностьюсвойств, которой добиваются за счет снижения диэлектри-ческой проницаемости. Соответственно из данной керамикиизготавливают высокочастотные термостабильные конден-саторы.

∙ Сегнетокерамика — низкочастотная конденсаторная кера-мика (BaTiO3, твердые растворы с сегнетоэлектрически-ми свойствами). Обладает весьма высокой диэлектрическойпроницаемостью 𝜀, но не отличается температурной стабиль-ностью.

Также в качестве конденсаторных материалов используютустановочную керамику (ультрафарфор, стеатитовую и цельзи-ановую керамики) [3].

4.3 Активные диэлектрики

4.3.1 Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики — твердые диэлектри-ки (некоторые ионные кристаллы и пьезоэлектрики), обладающиев определенном интервале температур собственным электриче-

83


ским дипольным моментом, который может быть переориентиро-ван за счет приложения внешнего электрического поля. Наличиеявления гистерезиса по отношению к электрическому дипольно-му моменту дало второе название данных веществ — ферроэлек-трики, которым пользуются в иностранной литературе.

Типичный представитель сегнетоэлектриков — сегнетова соль,двойная соль винной кислоты KNaC4H4O6 · 4Н2О; именно ее на-звание лежит в основе термина «сегнетоэлектрик». Более про-стыми сегнетоэлектриками являются, например, титанат барияBaTiO3 и титанат свинца PbTiO3.

Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация(то есть собственный дипольный момент) и происходит пере-стройка кристаллической структуры, носит название температу-ры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками); пе-реход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответ-ствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) инеполярная (параэлектрик — нелинейный диэлектрик, не облада-ющий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическаяпроницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кю-ри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетовасоль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Дру-гие характеристики сегнетоэлектриков, такие как диэлектриче-ская проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень боль-ших значений (104 и выше).

Отличительными чертами сегнетоэлектриков являются так-же высокие значения диэлектрической проницаемости, наличиепьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов (но не всепьезо- и пироэлектрики являются сегнетоэлектриками), зависи-мость показателя преломления от величины приложенного элек-трического поля [3].

Применение сегнетоэлектриков. В техническом применениисегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важней-шими из которых следует считать:

1. изготовление малогабаритных низкочастотных конденсато-ров с большой удельной емкостью;

2. использование материалов с большой нелинейностью поля-ризации для диэлектрических усилителей, модуляторов идругих управляемых устройств;

84


3. использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительнойтехнике в качестве ячеек памяти;

4. использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриковдля модуляции и преобразования лазерного излучения;

5. изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрическихпреобразователей [3].

4.3.2 Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поля-ризации диэлектрика под действием механических напряжений(прямой пьезоэлектрический эффект — рис. 4.5, а). Существу-ет и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновениемеханических деформаций под действием электрического поля(рис. 4.5, б).

Пьезоэффект имеет линейный характер и в случае прямогопьезоэффекта описывается следующим выражением:

𝑃 = 𝑑 · 𝜎,

где 𝑃 — поляризованность, 𝜎 — механическое напряжение, возни-кающее в диэлектрике при упругом деформировании, 𝑑 (Кл/Н) —пьезомодуль, являющийся коэффициентом пропорциональности,характеризующим способность диэлектрика к пьезоэффекту.

Для обратного пьезоэффекта между относительной упругойдеформацией 𝑙−𝑙0

𝑙0= Δ𝑙

𝑙 и напряженностью электрического поля 𝐸существует следующая связь:

∆𝑙

𝑙= 𝑑 · 𝐸.

σ

σ

+++++++++

− − − − − − − −−

а+ −

б

Рис. 4.5. Пьезоэффект:а — прямой, б — обратный

85


Физической причиной пьезоэффекта является асимметричное,упругое смещение зарядов в ионных или сильнополярных диэлек-триках, в результате которого в структуре диэлектрика возника-ют диполи.

В качестве пьезодиэлектриков применяют:

∙ монокристаллический кварц (𝑑 ∼ 10−12Кл/Н), который об-ладает пьезоэффектом в определенном кристаллографиче-ском направлении, имеет высокую добротность (малые ди-электрические потери), поэтому применяется для созданиярезонаторов, обеспечивающих стабильность и точность ча-стоты механических колебаний в электромеханических си-стемах генераторов, фильтров, приборов времени;

∙ сегнетоэлектрики в виде однодоменных сегнетоэлектриче-ских кристаллов LiTaO3, LiNbO3 (𝑑 ∼ 10−10Кл/Н), имеющихболее высокую, чем у кварца добротность в области высокихи сверхвысоких частот (1010 Гц);

∙ сегнетоэлектрическая керамика (пьезокерамика), например,твердые растворы PbZrO3–PbTiO3 (ЦТС) с большой остаточ-ной поляризованностью, используется для ультразвуковыхпреобразователей электрических колебаний в механические(ультразвуковые излучатели для гидроакустики, дефекто-скопии, механической обработки, громкоговорители, теле-фоны) и наоборот, механических колебаний в электрические(микрофоны, датчики давления, датчики деформации);

∙ полимерная пленка, в частности, поливинидиленфторид(CH2–CF2) (𝑑 ∼ 10−11Кл/Н), используемая для различныхдатчиков давления и деформации, менее чувствительная, ноболее дешевая и технологичная, чем сегнетокерамика, поз-воляющая получать элементы с большой рабочей поверхно-стью [3].

4.3.3 Пироэлектрики

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, сильно из-меняющие поляризованность 𝑃 при изменении температуры 𝑇 .Количественно пироэффект характеризуется пироэлектрическимкоэффициентом 𝑝 = −𝑑𝑃

𝑑𝑇 .Пироэффект обратим, то есть изменение 𝑃 также вызывает

изменение 𝑇 .

86


Физическая природа пироэлектричества связана с изменениемспонтанной или остаточной поляризованности, поэтому имеет ме-сто, в первую очередь, у сегнетоэлектриков, которые в качествепироэлектриков используют чаще всего. При этом, как и в слу-чае сегнетоэлектрических пьезоэлектриков, для обеспечения пи-роэлектрических свойств производится поляризация кристаллови керамики в сильном электрическом поле вблизи точки Кюри.

Среди сегнетоэлектрических кристаллов наибольшей стабиль-ностью пироэлектрических свойств обладают кристаллы тантала-та и ниобата лития LiTaO3, и LiNbO3, а из керамик чаще всегоиспользуется керамика системы ЦТС.

Пленочные полимеры типа поливинидиленфторида имеютнезначительную чувствительность, но используются благодарядешевизне и простой технологии изготовления.

Пироэлектрики применяют как чувствительные элементы вприемниках оптического излучения в ИК-области и в датчикахтемпературы [3].

4.3.4 Электреты

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохра-няющее поляризацию и создающее в окружающем его простран-стве электрическое поле, т. е. электрет является формальным ана-логом постоянного магнита.

Классификация электретов по способу получения.

∙ Термоэлектреты (рис. 4.6, а) получают из охлажденного всильном электрическом поле расплава полярных диэлектри-ков (канифоль, пальмовый воск). Способны сохранять поля-ризацию в течении многих месяцев и даже лет.

∙ Фотоэлектреты (рис. 4.6, б) изготавливают из материалов,обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кад-мия), при одновременном воздействии света и электрическо-го поля. Длительно сохраняют заряды в темноте и разряжа-ются при освещении.

∙ Электроэлектреты (короноэлектреты) получают за счет по-явления заряженных дефектов в результате бомбардировкиповерхности диэлектрика ионами, образовавшимися при га-зовом разряде в сильном электрическом поле (рис. 4.6, в).

∙ Радиоэлектреты (рис. 4.6, г) создают при помощи облучения

87


−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

−+

+

−

а

+

−

+ +++

− −

hν

−−

б

+

−

+ +

+

+

− −

− − −

в

+

− − −

−

г

− − −

+ + +

д

Рис. 4.6. Виды электретов:а — термоэлектрет с остаточной поляризацией; б — фотоэлектрет; в —

электроэлектрет; г — радиоэлектрет; д — трибоэлектрет

диэлектрика частицами высоких энергий.

∙ Трибоэлектреты (рис. 4.6, д) получают воздействуя на ди-электрик трением. Разрушение молекул при этом приводитк несимметричному расположению зарядов.

Электреты могут быть использованы для изготовления мик-рофонов и телефонов, измерения механических вибраций, в ка-честве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей ат-мосферного давления и влажности, электрометров, в клавишныхвычислительных машинах, в электрофотографии и во многих дру-гих случаях [3].

4.3.5 Пористый кремний

Пористый кремний — кремний, испещренный порами, то естьимеющий пористую структуру.

Традиционным способом получения пористого кремния явля-ется электрохимическое травление пластин монокристаллическо-го кремния (c-Si) в этаноловом растворе плавиковой кислоты HF.При положительном потенциале на кремниевом электроде (ано-де) протекают многоступенчатые реакции растворения и восста-новления кремния. Вторым электродом (катодом) обычно служитплатиновая пластина. При подходящем выборе плотности элек-

88


трического тока на поверхности c-Si происходит формированиепористого слоя.

Важнейшей характеристикой пористого кремния, определяю-щей большинство его физических параметров, является степеньпористости или пористость (П). Она определяется выражением:

П = 𝜌Si −𝜌пор-Si𝜌Si

,

где 𝜌Si и 𝜌пор-Si — плотности монокристаллического и пористогокремния соответственно.

В настоящее время (2005 год) значения пористости могут ва-рьироваться от 5 до 95%.

Применение пористого кремния:

∙ Создание толстых диэлектрических пленок. Для созданиякремниевых приборов, работающих при высоких напряже-ниях, существует необходимость в толстых диэлектриче-ских слоях толщиной более 10мкм. Однако диэлектрическиепленки SiO2, получаемые окислением обычного кремния немогут быть толще нескольких микрон. Оказалось, что по-ристый кремний хорошо подходит для решения этой зада-чи. Если этот материал подвергнуть термическому окисле-нию, то за счет развитой системы пор молекулы кислородаспособны проникнуть на всю толщину пористого кремния ипривести к полному его окислению.Оптимальными для этих целей являются слои с пористо-стью около 50%. Важно отметить, что процесс формированиядиэлектрических пленок с использованием пористых слоевпроисходит при температурах более низких, чем при тради-ционном термическом окислении кремния.

∙ Буферные слои. Низкопористый кремний (П < 30%) ока-зался эффективным буферным слоем при эпитаксии) моно-кристаллических пленок других полупроводников на крем-нии. Основным условием выращивания качественных сло-ев является близость величин постоянных решеток кремнияи наносимого материала. Однако можно выращивать слоис большим рассогласованием решеток, если использоватьпромежуточные (буферные) слои. Использование буферно-го слоя пористого кремния позволило решить задачу выра-щивания качественных пленок полупроводников GaAs, PbS,

89


PbTe и др. при выращивании структур на подложке крем-ния.

∙ Создание светоизлучающих приборов. Основной интерес кпористому кремнию вызван его способностью эффектив-но, в отличие от монокристаллического кремния излучатьсвет в видимом диапазоне. Это может быть использованодля создания значительно более дешевых светоизлучающихустройств (светодиодов, плоских цветных дисплеев).

∙ Создание световодов. Для целей интегральной оптики при-меняются планарные световоды, представляющие собойпленочную структуру, в которой свет распространяется вслое с высоким показателем преломления, ограниченном сдвух сторон слоями с меньшим показателем преломления(эффект полного внутреннего отражения). Для пористогокремния этот показатель зависит от пористости (чем большепористость, тем меньше показатель преломления), и поэто-му формирование многослойных структур с разной пористо-стью позволяет получать на их основе волноводные элемен-ты с низким уровнем потерь.

∙ Выращивание наноразмерных структур. В пористом крем-нии в ходе электрохимического травления возможно полу-чать квантовые точки, квантовые нити, элементы с различ-ной фрактальной размерностью. Поэтому пористый крем-ний с П > 50% следует рассматривать как один из мате-риалов наноэлектроники. Более того, перспективным можетоказаться заполнение пор другими химическими соедине-ниями, что даст возможность формировать дополнительныенизкоразмерные элементы в объеме пористого кремния [5].

4.3.6 Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы (ЖК) обладают, с одной стороны, текуче-стью, способностью находится в каплевидном состоянии, а с дру-гой — для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего,оптическая анизотропия.

Силы, обеспечивающие упорядоченную структуру жидкогокристалла, слабы, поэтому свойства ЖК сильно зависят от внеш-них факторов.

Жидкокристаллическое состояние образуют в основном орга-нические соединения с палочкообразной формой молекул. При-

90


а б в

Рис. 4.7. Схематическое изображение строения жидких кристаллов:а — смектическое, б — нематическое, в — холестическое

мером такого вещества служит 𝑝-метоксибензилиден-𝑝′-𝑛-бутила-нилин (МББА):

��

TT

��

TT

�� TTCH3 O CH N ��

TT

��

TT

�� TT C4H9

По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы делятсяна три вида: смектические, нематические и холестерические. [3]

Смектическая фаза. Смектическая фаза характеризуетсяслоистым строением (рис. 4.7, а). Центры тяжести удлиненныхмолекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга.В каждом слое молекулы ориентированы параллельно друг дру-гу. Текучесть обеспечивается взаимным скольжением слоев, чтообуславливает высокую вязкость. Из-за высокой вязкости смекти-ческие ЖК не получили широкого распространения в технике. [3]

Нематическая фаза. В данной фазе длинные оси молекулориентированы вдоль одного общего направления — нематиче-ского директора. Однако центры тяжести расположены беспо-рядочно, поэтому порядок симметрии ниже, чем у смектическихЖК (рис. 4.7, б). В нематической фазе возможно взаимное сколь-жение молекул вдоль нематического директора. [3]

Для управления световым лучом и для визуального отображе-ния информации интересны нематические ЖК. Объем нематиче-ского жидкого кристалла разбивается на домены, различающие-ся направлением преимущественной ориентации, вследствие чеговозникает оптическая неоднородность среды и наблюдается силь-

91


ное рассеяние света. Различают гомогенную (горизонтальную) игомеотропную ориентации молекул относительно подложек.

Рассмотрим конструкцию электрооптической ячейки на жид-ких кристаллах (рис. 4.8). Между стеклянными пластинами, раз-деленными диэлектрическими прокладками, находитя слой ЖК(5–30мкм). На внутренние поверхности нанесены управляющиеэлектроды. Ячейка может работает как на просвет (рис. 4.8, а),так и на отражение (рис. 4.8, б), но тогда один из электродоввыполняют непрозрачным.

Динамическое рассеяние света наблюдается в жидких кристал-лах с отрицательной диэлектрической анизотропией и невысоким(порядка 106Ом·м) удельным сопротивлением. При гомеотропнойориентации, ячейка прозрачна для падающего света. При при-ложении напряжения происходит поворот диполей, ориентацияизменяется на гомогенную.

Для наблюдения полевых электрооптических эффектов ис-пользуют нематические ЖК с повышенным (не менее 109Ом·м)удельным сопротивлением. В этом случае можно подавить вих-ревые потомки жидкости, вызываемые ионной электропроводно-стью.

Соответствующей обработкой подложек добиваются гомоген-ной ориентации молекул с закручиванием текстуры по азимутуна 90∘. В результате слой ЖК получает способность поворачиватьплоскость поляризации входящего света на четверть оборота.

При наложении внешнего электрического поля, за счет поло-жительной диэлектрической анизотропии происходит раскручи-вание спиральной структуры и ориентация молекулярных осейпо направлению поля. При гомеотропной ориентации молекулспособность поворачивать плоскость поляризации исчезает, по-скольку свет распространяется вдоль оптической оси. Помещаяна входе и выходе поляризатор и анализатор, преобразуют моду-ляцию поляризации света в амплитудную. Изменением напряже-ния на электродах можно регулировать светопропускание опти-ческой ячейки, т. е. интенсивность выходящего света. Для полу-чения цветных изображений в ЖК вводят молекулы красителя.

К преимуществам индикаторов на ЖК относятся:

∙ хороший контраст при ярком освещении;

∙ низкая потребляемая мощность;

∙ совместимость с интегральными схемами по рабочим пара-

92

4.4. Тонкие диэлектрические пленки

1 2 3 4

а

5

б

Рис. 4.8. Электрооптическая ЖК-ячейка: а — работа на просвет (гомогеннаяориентация молекул), б — работа на отражение (гомеотропная ориентация

молекул), 1 — стеклянные подложки, 2 — прозрачные электроды, 3 —диэлектрические прокладки, 4 — жидкий кристалл, 5 — непрозрачный

(отражающий) электрод

метрам и конструкции;

∙ сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.

Недостатками устройств на ЖК являются невысокое быстро-действие, а также подверженность процессам электро- и фотохи-мического старения. [3]

Холестическая фаза. Холестическая фаза похожа на немати-ческую, но ее структура дополнительно закручена вокруг оси,перпендикулярной молекулярным осям. В результате получаетсяслоистая винтовая структура, с шагом спирали порядка 300нм.

Световые лучи, проходящие сквозь такую структуру испыты-вают селективные отражения. Если плоский слой холестериче-ского ЖК освещать белым светом, то в отраженном свете он бу-дет казаться окрашенным, причем окраска может изменяться взависимости от угла наблюдения.

Шаг винтовой спирали зависит от внешних воздействий, вчастности от температуры. Это позволяет изготавливать цвето-вой термометр. [3]

4.4 Тонкие диэлектрические пленки

В современной микроэлектронике широко используются раз-личные виды тонких диэлектрических пленок. Наиболее широко

93


применяются тонкие пленки SiO2, Si3N4 и тонкие пленки поли-кристаллического кремния (которые, строго говоря, не являютсядиэлектрическими, но методы их получения аналогичны методамполучения тонких пленок SiO2 и Si3N4 (см. раздел 3.6). Рассмот-рим их поподробнее.

Диоксид кремния SiO2. Чаще всего применяется в качествеподзатворного диэлектрика. Наиболее распространенным спосо-бом получения тонких пленок SiO2 является термическое окис-ление. Слой двуокиси кремния формируется на кремниевой пла-стине за счет химического взаимодействия в приповерхностнойобласти полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислородсодержится в окислительной среде, с которой контактирует по-верхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температу-ры 𝑇 = 900–1200∘C. Однако в настоящее время толщина подза-творных диэлектриков снизилась более чем на порядок и при-близилась к 5–10нм. Сформировать такие окислы обычным тер-мическим окислением сложно, т. к. процессы нагрева и охлажде-ния полупроводниковых пластин в диффузионных печах оченьинерционны, что не позволяет точно контролировать технологи-ческие режимы окисления и, следовательно, приводит к разбро-су электрофизических параметров полупроводниковых структур.Поэтому тонкие (10–20нм) и ультратонкие (менее 10нм) окислыформируются методом быстрой термической обработки (БТО).

Особенностью этого метода является быстрый нагрев и охла-ждение подложек с использованием некогерентных источниковсвета. Обработка полупроводниковых пластин осуществляется врежиме теплового баланса с длительностью нагрева от единиц додесятков секунд. Существенным достоинством технологии БТОявляется возможность отслеживать процесс окисления в реаль-ном режиме времени с точностью до долей секунды.

Но и это не решает всех проблем. При дальнейшей миниатю-ризации микросхем на основе SiO2 возникает проблема: при тол-щине подзатворного диэлектрика меньше 1нм токи утечки воз-растают экспоненциально. Для преодоления этого ограниченияпредлагается использовать в качестве подзатворного диэлектрикадиоксид гафния HfO2, а также другие диэлектрики с высокой ди-электрической проницаемостью 𝜀 (high-k диэлектрики). Преиму-ществами HfO2 являются: относительно высокая константа ди-электрической проницаемости (𝑘 = 14–25) при большой ширинезапрещенной зоны (∆Э = 8–5,7 эВ) и термодинамически стабиль-ная граница раздела с кремнием [5].

94

4.4. Тонкие диэлектрические пленки

Нитрид кремния Si3N4. Наряду с защитными диэлектриче-скими пленками диоксида кремния в производстве полупровод-никовых приборов и интегральных микросхем все более широкоеприменение находят пленки нитрида кремния. Пленки нитридакремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов,используемых в обычной планарной технологии, чем пленки ди-оксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получают бо-лее тонкими. Это является важным фактором для фотолитогра-фии, способствующим увеличению ее разрешающей способно-сти. Пленки нитрида кремния можно выращивать во много разбыстрее, чем пленки диоксида кремния, и при более низких тем-пературах. Их можно выращивать различными способами:

∙ реакцией взаимодействия кремния с азотом (или аммиаком);

∙ реакцией взаимодействия силана (SiH4) с аммиаком;

∙ методом открытой трубы;

∙ методом реактивного катодного осаждения;

∙ и другие способы.

Нитрид кремния используется в микроэлектронике для мас-кирования поверхности кремниевой подложки при проведениипроцессов локальной диффузии, локального окисления, локаль-ного травления, а также для защиты готовых структур от окру-жающей среды [5].

Поликристаллический кремний. Пленки поликристалличе-ского кремния применяются при изготовлении тонкопленочныхтранзисторов (в качестве материала затвора), солнечных элемен-тов, сенсоров.

95

Приложение A

Справочные таблицы

Свойства металлов

ТаблицаA.1.Свойства

металлов.

Ïåð

èîä

ðåø

åòêè, í

ì

ac

Ìåòàëë

Òèï êðèñòàëëè÷åêîéñòðóêòóðû

Ïëîòíîñòü,Ìã/ì3

Òåìïåðàòóðàïëàâëåíèÿ, °C

Óäåëüíàÿ òåïëî‐ïðîâîäíîñòü, Âò/(ì•Ê)

Òåìïåðàòóðíûé êîýô. ëèíåé‐íîãî ðàñøèðåíèÿ, •10 , Ê−1 6

l α

Óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå, •10 , Îì•ì 8 ρ

Òåìïåðàòóðíûé êîýô. óäåëü‐íîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, •10 , Ê−1 3

ρ α

Ðàáîòà âûõîäàýëåêòðîíîâ, ýÂ

Àáñîëþòíàÿ óäåëüíàÿòåðìî-ÝÄÑ, ìêÂ/Ê

Ìàãíèòíîåñîñòîÿíèå

0,49

4In

7,31

156,

885

338,

44,

93,

8—

ÄÒåò

ðàã

.0,

458

—A

l2,

7166

021

821

2,65

4,1

4,25

−1,

3Ï

Ã.

ö.

ê.

0,40

4—

V6,

1119

1931

8,3

22,6

3,6

4,12

+0,

9Ï

Î.

ö.

ê.

0,30

3 =

57°

41′

αBi

9,80

271

8,4

13,4

1,07

4,2

4,4

−75

,0Ä

Ðîì

áîý

äð.

0,47

4—

W19

,25

3420

154

5,5

5,6

5,0

4,54

+2,

0Ï

Î.

ö.

ê.

0,31

6

—Fe

7,87

1539

7411

,79,

76,

64,

31+

16,6

Ô76

9Î

. ö.

ê.

0,28

6—

Au

19,3

210

4631

114

,22,

253,

94,

3+

1,5

ÄÃ.

ö.

ê.

0,40

7

0,49

5Ir

22,6

524

4714

66,

55,

44,

14,

7+

1,0

ÏÃ.

ö.

ê.

0,38

40,

563

Cd

8,65

321

97,6

297,

64,

04,

1+

2,1

ÄÃåê

ñ.0,

296

0,40

9C

o8,

8414

9470

13,4

4,3

6,0

4,4

+20

,1Ô

1131

Ãåê

ñ.0,

251

0,53

0M

g1,

7465

116

726

4,5

2,6

3,64

+4,

5Ï

Ãåê

ñ.0,

321

—C

u8,

9310

8440

616

,61,

684,

34,

4+

1,5

ÄÃ.

ö.

ê.

0,36

1—

Mo

10,2

226

2014

76,

05,

24,

34,

3+

6,3

ÏÎ

. ö.

ê.

0,31

5—

Na

1,01

9813

272

4,3

5,5

2,35

−8,

7Ï

Î.

ö.

ê.

0,42

8—

Ni

8,91

1455

88,5

13,5

6,8

6,7

4,50

−19

,3Ô

358

Ã.

ö.

ê.

0,35

2N

b—

8,58

2469

53,2

7,1

15,0

4,0

3,99

−0,

7Ï

Î.

ö.

ê.

0,33

0

0,76

6G

a5,

9129

,829

,318

40,1

3,9

3,96

—Ä

Ðîì

áè÷.

0,45

3*

97

Приложение A. Справочные таблицы

Продолж

ениетаблицы

A.1. Ï

åðèîä

ðåø

åòêè, í

ì

ac

Ìåòàëë




Óäåëüíàÿ òåïëî‐ïðîâîäíîñòü, Âò/(ì•Ê)

Òåìïåðàòóðíûé êîýô. ëèíåé‐íîãî ðàñøèðåíèÿ, •10 , Ê−1 6

l α

Óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå, •10 , Îì•ì 8 ρ

Òåìïåðàòóðíûé êîýô. óäåëü‐íîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, •10 , Ê−1 3

ρ α

Ðàáîòà âûõîäàýëåêòðîíîâ, ýÂ

Àáñîëþòíàÿ óäåëüíàÿòåðìî-ÝÄÑ, ìêÂ/Ê

Ìàãíèòíîåñîñòîÿíèå

Rh

0,38

0—

1963

ÏÃ.

ö.

ê.

12,4

215

28,

53,

944,

64,

75+

1,6

Pb

0,49

5—

327

ÄÃ.

ö.

ê.

11,3

435

,028

,519

4,2

4,0

−1,

2

Sn

0,58

30,

318

232

ÏÒåò

ðàã

.7,

2965

26,2

11,3

4,5

4,38

−1,

1Pd

0,38

8—

1554

ÏÃ.

ö.

ê.

12,0

276

,212

,510

,23,

84,

8−

10,3

Pt

0,39

2—

1772

ÏÃ.

ö.

ê.

21,4

776

9,0

9,8

3,9

5,32

−5,

1Re

0,27

60,

446

3190

ÏÃåê

ñ.21

,03

706,

617

,23,

55,

0−

7,5

Rb

0,57

0—

39,5

ÏÎ

. ö.

ê.

1,53

35,6

9011

,34,

72,

13−

8,2

Ag

0,40

9—

962

ÄÃ.

ö.

ê.

10,5

045

318

,81,

504,

14,

3+

1,5

Ta

0,33

1—

2996

ÏÎ

. ö.

ê.

16,6

645

,26,

612

,43,

24,

12−

2,5

Ti

0,29

50,

468

1670

ÏÃåê

ñ.4,

5122

9,2

473,

03,

95+

4,5

Th

0,50

9—

1750

ÏÃ.

ö.

ê.

11,7

235

,311

,313

3,3

3,36

−3,

0C

r0,

288

—18

90À

38Î

. ö.

ê.

7,19

894,

415

3,0

4,48

+18

Cs

0,61

4—

28,5

ÏÎ

. ö.

ê.

1,90

18,4

9718

,35,

01,

81+

0,2

Zn

0,26

60,

495

419,

5Ä

Ãåê

ñ.7,

1311

339

,75,

454,

24,

24+

1,5

Zr

0,32

30,

515

1885

ÏÃåê

ñ.6,

5129

,55,

941

4,4

4,0

+5,

2

Hg

0,34

60,

671

−39

ÄÐîì

áîý

äð.

13,5

**7,

9**

182*

*94

,7**

0,9

**4,

52**

+8,

1**

Примечания:

*—

𝑏=

0,452нм;**—парам

етрыданыдляжидкогосостояния;Д—диам

агнетик;П—парам

агнетик;Ф

—ферром

агнетик;

А—антиферром

агнетик,цифрауказы

вает

температуруКюри;г.ц.к.—гранецентрированная

кубическая;о.ц.к.—объем

ноцентриро-

ванная

кубическая.

98

Свойства полупроводников


полупроводниковы

хматериалов.

Ïîëóïðîâîäíèê

Zñð


ac



Óäåëüíàÿ òåïëî‐ïðîâîäíîñòü, Âò/(ì·Ê)

Òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíòëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ, Ê−1

Ñòðóêòóðà ýíåðãåòè÷åñêèõçîí

Øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû,ýÂ

Ïîä

âèæ

íîñ

òü,

ì /

(Â·ñ

)2

ýëåêòðîíîâ

äûðîê

Ñòàòè÷åñêàÿ äèýëåêòðè÷åñ‐êàÿ ïðîíèöàåìîñòü

Âûñîêî÷àñòîòíàÿ äèýëåêòðè‐÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü

Ïåð

èîä

ðåø

åòêè

10,

íì

×

Èçìåíåíèå çàïðåùåííîé çîíû,d( Ý)/dT 10 , ýÂ/Ê 4 ×

Δ

Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ïðè h = ÝΔ ν

Si

—À

ë5,

4307

—2,

3314

1415

02,

6Í

åïð.

1,12

−2,

8415

0048

011

,9—

3,44

Ge

—À

ë5,

6575

—5,

327

937

605,

8Í

åïð.

0,67

−3,

939

0019

0016

,0—

4,00

C—

Àë

3,56

7—

3,52

4300

—3,

2Í

åïð.

5,47

—18

0012

005,

7—

2,42

SiC

10Ñ

ô4,

3596

—3,

215

2830

500

3,28

Íåï

ð.

2,39

−5,

810

0060

9,72

6,52

2,68

SiC

10Ãåê

ñ3,

0809

—3,

216

2830

500

2,48

Íåï

ð.

3,02

−5,

536

060

10,0

6,70

2,75

BN

6Ñ

ô3,

615

—3,

4930

0050

03,

5Í

åïð.

7,5

——

—7,

14,

52,

1BN

6Ãåê

ñ2,

504

—2,

2627

0080

—Ï

ð.

3,85

——

—4,

153,

252,

2A

lN10

Â3,

111

—3,

2624

0020

04,

8Ï

ð.

5,88

—80

148,

54,

82,

2G

aN19

Â3,

189

—6,

1117

0013

04,

4Ï

ð.

3,40

−6,

044

030

9,0

5,35

2,3

InN

28Â

3,53

3—

6,88

1100

803,

5Ï

ð.

1,6

−8,

350

—15

,08,

42,

9A

lP14

Ñô

5,46

36—

2,37

2000

904,

2Í

åïð.

2,45

−3,

580

309,

97,

63,

0G

aP23

Ñô

5,45

09—

4,13

1467

110

5,9

Íåï

ð.

2,27

−4,

719

012

011

,19,

13,

45In

P32

Ñô

5,86

88—

4,78

1070

674,

6Ï

ð.

1,35

1−

2,8

4600

150

12,4

9,5

3,45

AlA

s23

Ñô

5,66

05—

3,60

1770

85,

2Í

åïð.

2,16

8−

4,0

280

—10

,18,

163,

5G

aAs

32Ñ

ô5,

6532

—5,

3212

3846

6,4

Ïð.

1,42

4−

4,0

9500

450

13,1

10,4

3,65

InA

s41

Ñô

6,05

84—

5,67

942

265,

3Ï

ð.

0,36

0−

3,5

3300

046

014

,611

,83,

52

99


Продолж


A.2.

Ïîëóïðîâîäíèê

Zñð


ac



Óäåëüíàÿ òåïëî‐ïðîâîäíîñòü, Âò/(ì·Ê)

Òåìïåðàòóðíûé êîýô.ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ, Ê−1

Ñòðóêòóðà ýíåðãåòè÷åñêèõçîí

Øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû,ýÂ

Ïîä

âèæ

íîñ

òü,

ì /

(Â·ñ

)2

ýëåêòðîíîâ

äûðîê

Ñòàòè÷åñêàÿ äèýëåêòðè÷åñ‐êàÿ ïðîíèöàåìîñòü

Âûñîêî÷àñòîòíàÿ äèýëåêò‐ðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü

Ïåð

èîä

ðåø

åòêè

10,

íì

×

Èçìåíåíèå çàïðåùåííîéçîíû, d( Ý)/dT 10 , ýÂ/Ê 4 ×

Δ

Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ïðè h = ÝΔ ν

Ñô

3,82

2Ï

ð.

ZnS

236,

260

4,09

1830

166,

23,

74−

3,8

140

100

9,6

2,4

5,4

6,13

55Í

åïð.

Ñô

AlS

b32

—4,

2810

6556

4,2

1,61

−3,

520

055

012

,03,

410

,26,

0959

Ïð.

Ñô

GaS

b41

—5,

6171

235

6,2

0,72

6−

3,7

4000

1400

15,7

3,82

14,4

6,47

94Ï

ð.

Ñô

InSb

50—

5,78

525

184,

90,

172

−3,

078

000

750

17,7

3,96

15,7

4,13

6Ï

ð.

Ñô

CdS

326,

714

4,82

1750

205,

42,

48−

5,0

300

508,

82,

55,

3

2,69

Ïð.

ÂBeO

64,

393,

0325

5030

05,

26,

0—

——

—1,

71—

3,25

3Ï

ð.

ÂZnO

195,

213

5,68

2300

305,

43,

43—

200

180

8,75

1,96

3,75

5,85

0Ï

ð.

Ñô

HgS

48—

7,73

1480

—20

2,0

—70

0—

31,0

——

5,66

87Â

Ïð.

ZnSe

32—

5,26

1520

197,

142,

70−

4,5

600

288,

12,

895,

4Ñ

ô4,

299

Ïð.

CdSe

417,

011

5,81

1264

4,5

4,3

1,75

−4,

690

050

9,7

—6,

2

Ñô

6,10

33Ï

ð.

ZnTe

41—

5,63

1295

208,

32,

28−

4,1

530

309,

67—

7,28

Ñô

Ïð.

6,48

34C

dTe

50—

5,86

1098

6,5

6,2

1,51

−4,

112

0060

10,2

—7,

1

Ñô

6,08

4Ï

ð.

HgSe

57—

8,25

790

2,0

1,8

0,6

—20

000

—26

,0—

—

6,46

3Ï

ð.

NaC

lH

gTe

66—

8,09

670

2,2

6,8

0,02

5,0

2500

020

048

,03,

8—

5,41

02Ï

ð.

ÂZnS

23—

4,10

1020

*16

6,14

3,68

−5,

228

0—

8,3

2,4

5,4

5,93

6Ï

ð.

NaC

lPbS

49—

7,61

1078

144

19,4

0,41

4,2

600

700

180,

04,

120

6,12

4Ï

ð.

NaC

lPbSe

58—

8,15

1065

9419

,40,

284,

012

0010

0022

7,0

4,6

24PbTe

676,

462

—8,

1692

011

519

,8Ï

ð.

0,32

4,3

1800

900

428,

05,

3N

aCl

35

Примечания:Ал—алмаз;Сф—сф

алерит;В—вю

рцит;Гекс

—гексагональная;*—температурафазовогоперехода.

100

Свойства диэлектриков


диэлектрическихматериалов.

Ìàò

åðèàë

Ïëî

òíîñ

òü,

Ìã/

ì3

Óäå

ëüíîå

îáúåì

íîå

ñîïðîò

èâë

å‐íèå,

Îì ·

ì

Ýëå

êòð

è‐

÷åñê

àÿïðî÷

íîñ

òü,

ÌÂ/ì

Ïðèìå÷

àíèå

Äèýë

åêòð

è÷å

ñêàÿ

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òü

Òàí

ãåíñ

óãëà

äèýë

åêòð

è‐

÷åñê

èõ

ïîò

åðü,

ïðè

= 1 Ì

Ãö

f

Òåì

ïåð

àòóð‐

íû

é ê

îýô

ôè‐

öèåí

ò äè

ýëåê‐

òðè÷å

ñêîé

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òè,

· 10

, Ê−

16

lα

Ïîë

èýò

èëå

í0,

92 ..

. 0,9

72,

2 ... 2

,4−

(200 ..

. 300

)40 ..

. 150

*Í

àãðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 9

0 ... 1

05°C

(2 ..

. 4) · 1

0−4

10 ..

. 10

1415

Ïîë

èïðîï

èëå

í0,

92 ..

. 0,9

32,

0−

(200 ..

. 300

)30 ..

. 130

*Í

àãðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 1

05°C

(3 ..

. 5) · 1

0−4

10 ..

. 10

1215

Ïîë

èñò

èðîë

1,05 ..

. 1,1

02,

5 ... 2

,6−

(150 ..

. 200

)20 ..

. 110

*Í

àãðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 7

5°C

(2 ..

. 3) · 1

0−4

10 ..

. 10

1415

Ïîë

èòå

òðà‐

ôòî

ðýò

èëå

í2,

15 ..

. 2,2

1,9

... 2

,2−

(150 ..

. 300

)40 ..

. 250

*Í

àãðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 3

00°C

(2 ..

. 3) · 1

0−4

10 ..

. 10

1415

Ïîë

èâè

íèë‐

õëîð

èä

1,2

... 1

,33,

4 ... 3

,5—

20 ..

. 50

Íàã

ðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 6

0 ... 8

0°C

0,01 ..

. 0,0

510

..

. 10

913

Ïîë

èýò

èëå

í‐

òåðåô

òàëà

ò1,

43,

0 ... 3

,540

0 ... 6

00*

20 ..

. 180

Ïðî÷

íîñ

òü ï

ðè

ðàñ

òÿæ

åíèè

äî 2

00 Ì

Ïà

(2 ..

. 20) ·

10−

410

..

. 10

1214

Ïîë

èêàð

áî‐

íàò

û1,

17 ..

. 1,2

23,

0 ... 3

,250 ..

. 100

*30 ..

. 150

Õîë

îäîñ

òîéêîñò

üíèæ

å −

100°

C(2 ..

. 60) ·

10−

310

..

. 10

1415

Ïîë

èâè

íèë‐

èäå

íô

òîðèä

1,76

6,6

—40

Îáëà

äàåò

ïüå

çîñâ

îéñò

âàìè

0,17

1012

Ïîë

èìåò

èë‐

ìåò

àêðèëà

ò1,

18 ..

. 1,1

93,

6—

15 ..

. 25

Ïðî÷

íîñ

òü ï

ðè

èçã

èáå

100

ÌÏ

à0,

01 ..

. 0,0

210

..

. 10

1011

Ïîë

èàì

èäû

(êàï

ðîí

)1,

13 ..

. 1,1

64

... 6

—20 ..

. 25

Ïðî÷

íîñ

òü â

îëîê

îíïðè ð

àñòÿ

æåí

èè

äî 4

00 Ì

Ïà

0,02 ..

. 0,1

10 ..

. 10

1112

101


Продолж


A.3.

Ìàò

åðèàë

Ïëî

òíîñ

òü,

Ìã/

ì3

Óäå

ëüíîå

îáúåì

íîå

ñîïðîò

èâë

å‐íèå,

Îì ·

ì

Ýëå

êòð

è‐

÷åñê

àÿïðî÷

íîñ

òü,

ÌÂ/ì

Ïðèìå÷

àíèå

Äèýë

åêòð

è÷å

ñêàÿ

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òü

Òàí

ãåíñ

óãëà

äèýë

åêòð

è‐

÷åñê

èõ

ïîò

åðü,

ïðè

= 1 Ì

Ãö

f

Òåì

ïåð

àòóð‐

íû

é ê

îýô

ôè‐

öèåí

ò äè

ýëåê‐

òðè÷å

ñêîé

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òè,

· 10

, Ê−

16

lα

Ïîë

èèìèäû

Ïîë

èóð

åòàí

û

Ôåí

îïëà

ñòû

Ãåò

èíàê

ñ

Ñòå

êëî

òåêñ‐

òîëè

òÝ

ïîê

ñèäí

ûå

êîì

ïàó

íäû

Ñëþ

äà

Êâà

ðöåâ

îåñò

åêëî

Ùåë

î÷íû

åñè

ëèêàò

íû

åñò

åêëà

Ñèòà

ëëû

1,3

... 1

,5

1,2

1,4

... 2

,0

1,3

... 1

,4

1,6

... 1

,8

1,2

... 1

,9

2,6

... 2

,8

2,2

2,2

... 3

,0

2,4

... 2

,8

3,5

3 ... 4

4 ... 6

6 ... 7

5,5

... 6

4 ... 6

,5

6 ... 8

3,8

6 ... 1

1

5 ... 1

0

— — — — — —

10 ..

. 20

—

3 ... 5

00

—

30 ..

. 200

*

20 ..

. 25

5 ... 1

7

15 ..

. 30

10 ..

. 16

20 ..

. 45

*10

0 ... 2

50

40 ..

. 400

*

40 ..

. 400

*

20 ..

. 85

Êðàò

êîâ

ðåì

åííàÿ

íàã

ðåâ

îñòî

éêîñ

òüäî

500

°CÑ

òîéêîñ

òü ê

îêèñ‐

ëèòå

ëÿì

Ôåí

îëô

îðìàë

üäå‐

ãèäí

àÿ ñ

ìàç

êà

Âäî

ëü ñ

ëîåâ

ñâîé

ñòâà

õóæ

åÍ

àãðåâ

îñòî

é‐

êîñ

òü 1

80 ..

. 300

°CÂîç

ìîæ

íî

îòâå

ðæ‐

äåíèå

ïðè 2

0°C

Âäî

ëü ñ

ëîåâ

ñâîé

ñòâà

õóæ

åÍ

èçê

àÿ ò

åïëî

ïðî‐

âîäí

îñòü

Äîï

óñêàþ

ò ñï

àéñ

ìåò

àëëà

ìè

Ïðî÷

íîñ

òü ï

ðè

èçã

èáå

äî 2

00 Ì

Ïà

(0,6 ..

. 2) · 1

0−3

0,02 ..

. 0,0

3

0,01 ..

. 0,5

0,04 ..

. 0,0

8

0,02 ..

. 0,0

4

0,01 ..

. 0,0

2

(1 ..

. 6) · 1

0−4

(2 ..

. 3) · 1

0−4

(2 ..

. 7) · 1

0−3

(1 ..

. 80) ·

10−

3

10 ..

. 10

1516

10 ..

. 10

1213

10 ..

. 10

712

10 ..

. 10

811

10 ..

. 10

811

10 ..

. 10

1214

10 ..

. 10

1214

10 ..

. 10

1415

10 ..

. 10

610

10 ..

. 10

812

102

Свойства диэлектриков

Продолж


A.3.

Ìàò

åðèàë

Ïëî

òíîñ

òü,

Ìã/

ì3

Óäå

ëüíîå

îáúåì

íîå

ñîïðîò

èâë

å‐íèå,

Îì ·

ì

Ýëå

êòð

è‐

÷åñê

àÿïðî÷

íîñ

òü,

ÌÂ/ì

Ïðèìå÷

àíèå

Äèýë

åêòð

è÷å

ñêàÿ

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òü

Òàí

ãåíñ

óãëà

äèýë

åêòð

è‐

÷åñê

èõ

ïîò

åðü,

ïðè

= 1 Ì

Ãö

f

Òåì

ïåð

àòóð‐

íû

é ê

îýô

ôè‐

öèåí

ò äè

ýëåê‐

òðè÷å

ñêîé

ïðîí

èöà‐

åìîñ

òè,

· 10

, Ê−

16

lα

Èçî

ëÿòî

ðíû

éô

àðô

îð2,

4 ... 2

,75

... 8

—25 ..

. 85

Ùåë

î÷íû

å îê

ñèäû

â ñ

òåêëî

ôàç

å10

..

. 10

911

0,02 ..

. 0,0

3

Óëü

òðàô

àðô

îð3,

2 ... 3

,48,

0 ... 8

,80 ..

. 140

25 ..

. 30

Íå

ñîäå

ðæ

èò

ùåë

î÷íû

õ äî

áàâ

îê10

..

. 10

1213

(1 ..

. 10) ·

10−

4

Ðóò

èëî

âàÿ

êåð

àìèêà

3,8

70 ..

. 80

−(7

0 ± 1

00)

10 ..

. 20

Ýëå

êòð

îõèìè÷å

ñêîå

ñòàð

åíèå

10 ..

. 10

1315

(4 ..

. 5) · 1

0−4

Ïåð

âîñê

èòî‐

âàÿ

êåð

àìèêà

3,8

140

... 1

50−

(130

0 ± 2

00)

10 ..

. 20

Ýëå

êòð

îõèìè÷å

ñêîå

ñòàð

åíèå

10 ..

. 10

1113

(3 ..

. 4) · 1

0−4

Àëþ

ìèíîê

ñèä

3,9

8,5

... 9

,510

0 ... 1

2025 ..

. 30

Íàã

ðåâ

îñòî

éêîñò

üäî

1 6

00°C

10 ..

. 10

1315

10 ..

. 10

1415

Ïîë

èêîð

3,9

980 ..

. 100

30 ..

. 45

Îïòè

÷åñê

èïðîç

ðà÷

åí10

..

. 10

1415

(1 ..

. 2) · 1

0−

4

Áðîê

åðèò

—6

... 7

40 ..

. 80

30 ..

. 45

Òåï

ëîâð

îäîí

îñòü

äî 2

50 Â

ò/(ì ·

Ê)

1016

(2 ..

. 3) · 1

0−

4

Ñòå

àòèòî

âàÿ

êåð

àìèêà

2,9

... 3

,06

... 8

70 ..

. 180

25 ..

. 40

Ìàë

àÿ ó

ñàäê

àïðè î

áæ

èãå

1016

(6 ..

. 8) · 1

0−

4

Ñåã

íåò

îêå‐

ðàì

èêà

5 ... 6

äî 2

0 00

0—

4 ... 1

0Í

åëèíåé

íû

åñâ

îéñò

âà10

..

. 10

911

0,05 ..

. 0,3

*Верхниепределыэлектрической

прочность

указаныдлятонкихпленок.

103


I II III IV V VI1

H4 5 6 7 8

Be B C N O13 14 15 16

Al Si P S31 32 33 34

Ga Ge As Se49 50 51 52

In Sn Sb Te81 82 83

Tl Pb Bi

Таблица A.4. Группы аморфных тел

IIB IIIA IVA VA VIA

25 6 7

B C N

313 14 15 16

Al Si P S

430 31 32 33 34

Zn Ga Ge As Se

548 49 50 51 52

Cd In Sn Sb Te

680

Hg

Таблица A.5. Элементы, образующие полупроводниковые соединения.

104

Литература

1. Беккер Я. М. Материалы для микроэлектронных ЭВМ (физи-ческие свойства). — Ленинград: ЛИТМО, 1979. — 64 с.

2. Марголин В. И., Жабрев В. А., Тупик В. А. Физические основымикроэлектроники. — М.: Издательский центр «Академия»,2008. — 400 с.

3. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техни-ки. — 6-е, стер. изд. — СПб.: Издательство «Лань», 2004. —368 с.

4. Сорокин В. С., Антипов Б. Л., Лазарева Н. П. Материалы иэлементы электронной техники. — М.: Издательский центр«Академия», 2006. — Т. 1. Проводники, полупроводники, ди-электрики. — 448 с.

5. Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупро-водников и диэлектриков. — М.: «МИССИС», 2003. — 480 с.

6. Скворцов А. М. Физика отказов и надежность больших инте-гральных схем. Учебное пособие. — Л.: ЛИТМО, 1987. — 99 с.

7. Ткалич В. Л., Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А. Исследованиеконцентраторов механических напряжений и микродеформа-ций элементной базы микро- и наноэлектроники // Научно-технический вестник. — 2006. — № 30. Фундаментальные иприкладные исследования информационных систем и техно-логий.

8. Коробейников А. Г., Титов А. Н, Гатчин Ю. А. Методыисследования характеристик оптических кристаллов калий-

105

ЛИТЕРАТУРА

гадолиниевого вольфрамата // Известия ВУЗов. Приборо-строение. — 2006. — № 3. — С. 70–73.

9. Титов А. Н., Гатчин Ю. А. Выращивание, спектроско-пия и эффективная перестраиваемая генерация кристалловKYW:Yb:Tm вблизи 1,9мкм // Научно-технический вестникСПбГУ ИТМО. — 2006. — № 14. Информационные технологии,вычислительные и управляющие системы.

10. Справочник по электротехническим материалам / Под ред.Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. — 3-е, пе-рераб. изд. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр отд-ние, 1988. —Т. 3. — 728 с.

11. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. —СПб.: «Лань», 2002.

12. Булычев А. Л. и др. Электронные приборы. — М.: Лайт Лтд.,2000. — 200 с.

106

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного кон-курса, в результате которого определены 12 ведущих универ-ситетов России, которым присвоена категория «Национальныйисследовательский университет». Министерством образования инауки Российской Федерации была утверждена Программа раз-вития государственного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Санкт-Петербургский государ-ственный университет информационных технологий, механики иоптики» на 2009–2018 годы.

Кафедра проектирования компьютерныхсистем

1945–1966 РЛПУ (кафедра радиолокационных приборов и

устройств). Решением Советского правительства в августе1945 г. в ЛИТМО был открыт факультет электроприборостроения.Приказом по институту от 17 сентября 1945 г. на этом факуль-тете была организована кафедра радиолокационных приборов иустройств, которая стала готовить инженеров, специализирую-щихся в новых направлениях радиоэлектронной техники, такихкак радиолокация, радиоуправление, теленаведение и др. Орга-низатором и первым заведующим кафедрой был д. т. н., профес-сор С.И. Зилитинкевич (до 1951 г.). Выпускникам кафедры при-сваивалась квалификация инженер-радиомеханик, а с 1956 г. —радиоинженер (специальность 0705).

В разные годы кафедрой заведовали доцент Б.С.Мишин, до-цент И.П. Захаров, доцент А.Н.Иванов.

1966–1970 КиПРЭА (кафедра конструирования и производ-

ства радиоэлектронной аппаратуры). Каждый учебный планспециальности 0705 коренным образом отличался от предыдущихпланов радиотехнической специальности своей четко выражен-ной конструкторско-технологической направленностью. Оканчи-

107

вающим институт по этой специальности присваивалась квали-фикация инженер-конструктор-технолог РЭА.

Заведовал кафедрой доцент А.Н.Иванов.1970–1988 КиПЭВА (кафедра конструирования и производ-

ства электронной вычислительной аппаратуры). Бурное разви-тие электронной вычислительной техники и внедрение ее вовсе отрасли народного хозяйства потребовали от отечественнойрадиоэлектронной промышленности решения новых ответствен-ных задач. Кафедра стала готовить инженеров по специальности0648. Подготовка проводилась по двум направлениям — автома-тизация конструирования ЭВА и технология микроэлектронныхустройств ЭВА.

Заведовали кафедрой: д. т. н., проф. В. В.Новиков (до 1976 г.),затем проф. Г.А.Петухов.

1988–1997 МАП (кафедра микроэлектроники и автоматизации

проектирования). Кафедра выпускала инженеров, конструкто-ров, технологов по микроэлектронике и автоматизации проекти-рования вычислительных средств (специальность 2205). Выпуск-ники этой кафедры имеют хорошую технологическую подготовкуи успешно работают как в производстве полупроводниковых ин-тегральных микросхем, так и при их проектировании, используясовременные методы автоматизации проектирования. Инженерыспециальности 2205 требуются микроэлектронной промышленно-сти и предприятиям-разработчикам вычислительных систем.

Кафедрой с 1988 г. по 1992 г. руководил проф. С.А.Арустамов,затем снова проф. Г.А.Петухов.

С 1997 ПКС (кафедра проектирования компьютерных систем).

Кафедра выпускает инженеров по специальности 210202 «Про-ектирование и технология электронно-вычислительных средств».Область профессиональной деятельности выпускников включаетв себя проектирование, конструирование и технологию электрон-ных средств, отвечающих целям их функционирования, требова-ниям надежности, проекта и условиям эксплуатации. Кроме того,кафедра готовит специалистов по защите информации, специаль-ность 090104 «Комплексная защита объектов информатизации».Объектами профессиональной деятельности специалиста по за-щите информации являются методы, средства и системы обеспе-чения защиты информации на объектах информатизации.

С 1996 г. кафедрой заведует д. т. н., профессор Ю.А. Гатчин. Завремя своего существования кафедра выпустила 4364 инженеров.

108

На кафедре защищено 65 кандидатских и семь докторских дис-сертаций.

На кафедре проектирования компьютерных систем осуществ-ляется магистерская подготовка по направлению 210200.05 —«Информационные технологии проектирования электронныхсредств».

Кафедра измерительных технологийи компьютерной томографии

Кафедра измерительных технологий и компьютерной томогра-фии, в прошлом кафедра часового производства и приборов точ-ной механики, была создана одновременно с основанием универ-ситета, который ведет свою историю от образования в 1900 г. ре-месленного училища цесаревича Николая. Основателем кафедрыявляется Норберт Болеславович Завадский — первый заведующиймеханико-оптического отделения этого училища.

В 1920 г. после революции механико-оптическое отделение бы-ло реорганизовано в техникум точной механики и оптики, кото-рый с 1925 г. начал подготовку инженеров-приборостроителей. Вдальнейшем техникум был преобразован и уже в 1933 г. стал ин-ститутом точной механики и оптики. В течение этого временикафедрой заведовал профессор Н.Б. Завадский.

В 1930 кафедра получила название Приборов точной механи-ки, и ее возглавил Лаврентий Павлович Шишелов. В этот периодвремени на кафедре читались дисциплины «Теория часовых ме-ханизмов», «Электроизмерительные приборы» и «Механическиеприборы». В 1935 г. из состава кафедры выделилось направлениегироскопических устройств и навигационных приборов. В 1940 г.на кафедре защитил кандидатскую диссертацию Захар МарковичАксельрод, впоследствии доктор технических наук, возглавляв-ший кафедру во время войны.

После войны кафедра приборов точной механики выпускаласпециалистов по часовому производству и производству точно-го мерительного инструмента. На кафедре читались курсы «При-боры времени», «Теория и проектирование приборов времени»,«Приборы для измерения малых промежутков времени», «При-боры для измерения скоростей и ускорений», «Тахометры», «Ос-новы конструирования приборов точной механики».

В 1976 г. кафедру возглавил профессор Борис Александро-вич Арефьев, известный специалист в области автоматического

109

управления и газовых опор. В это время на кафедре производи-лась подготовка специалистов по специальности «Приборы точ-ной механики» со специализациями «Приборы времени», «При-боры для измерения длин и углов» и «Приборы контроля разме-ров».

С 1985 года кафедрой заведовал основатель магниторезонанс-ного класса изображений профессор Владислав АлександровичИванов. В связи с развитием техники и потребностью в выпускеинженерных кадров по разработке и эксплуатации магнитно-ре-зонансных томографов с 1992 года кафедра начала подготовку ин-женеров по специализации «Компьютерная томография» и былапереименована в кафедру Измерительных технологий и компью-терной томографии.

С 2005 г. кафедру возглавляет доктор технических наук, про-фессор Мария Яковлевна Марусина, являющаяся председателемУМК по специальности 200101 «Приборостроение» УМО ВУЗовРоссийской Федерации по образованию в области приборострое-ния и оптотехники. На кафедре ведутся научно-исследовательс-кие работы по следующим направлениям: теоретико-групповыеметоды анализа и синтеза информационно-измерительных си-стем, метрологическое обеспечение нанотехнологий, микромеха-нические приборы и системы, томографические методы диагно-стики объектов (МРТ, КТ, ПЭТ), разработка и создание ЯМР-томографа. Научно-исследовательская работа кафедры получи-ла финансовую поддержку Российского фонда фундаментальныхисследований (сотрудниками кафедры выиграно четыре конкурс-ные заявки на гранты РФФИ). В 2005 г. кафедра заняла III местопо итогам конкурса ведущих научно-педагогических коллективовСПбГУ ИТМО.

В настоящее время кафедра проводит подготовку инженеровпо направлениям:

∙ двухуровневая инженерная подготовка (бакалавр — 4 годаи магистр — 2 года) по направлению 200100 «Приборостро-ение» по профилю «Приборостроение» со специализация-ми: «Приборостроение» (бакалавр), «Информационно-изме-рительные комплексы» (магистр), «Томографические методыдиагностики» (магистр);

∙ специалист (5 лет) по специальности 200101 «Приборостро-ение» со специализациями: «Компьютерная томография»,«Методы и средства измерения механических величин».

110

Кафедра имеет персональную страничку в интернете:http://faculty.ifmo.ru/tomograph.

111

http://faculty.ifmo.ru/tomograph

Юрий Арменакович ГатчинВера Леонидовна Ткалич

Павел Александрович КамаевДмитрий Дмитриевич СимаковЕвгений Дмитриевич Хмелев

Материалы электронных средств

Учебное пособие

В авторской редакцииКомпьютерная верстка П.А.КамаевРедакционно-издательские отдел СПбГУ ИТМО

Зав. редакционно-издательским отделом Н.Ф. ГусароваЛицензия ИД №00408 от 05.11.99Подписано к печатиЗаказ №Тираж 100 экз.Отпечатано на ризографе

Материалы электронных средств

Documents

Transcript of Материалы электронных средств