Материалы применяемые для создания компонентов электронно-измерительной техники. Основные параметры, свойства и характеристики

3.4. Неорганические твердые  диэлектрики

Большинство неорганических твердых диэлектриков имеют ионно-кристаллическое строение, отличаются высокой нагревостойкостью и электрической прочностью.

3.4.1. Слюда

Слюда - минерал ионно-кристаллического строения, обладающий способностью расщепляться на пластины. По химическому составу слюда представляет собой водные алюмосиликаты. Основные диэлектрические характеристики слюды:

– ε = 5…7;

– tgδ = (5…50).10-4;

– ρ = 1013 Ом·м;

– Е_пр = 12 МВ/м.

Слюда относится к  электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: температура начала резкого ухудшения свойств составляет 700...900°С. Слюда применяется для конденсаторов, штампованных деталей электронных и осветительных ламп, для изоляции коллекторных пластин электрических машин.

3.4.2. Стекла

Стекла - материалы аморфного строения, состоящие из оксидов различных элементов. В качестве стеклообразующих оксидов используются SiO2, B2O3, Al2O3, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла на основе двуокиси кремния SiO2, благодаря химической стойкости, дешевизне и доступности сырья. При охлаждении расплава имеются две характерные точки: температура текучести Тт, выше которой стекло проявляет текучесть, и температура стеклования Тс, ниже которой проявляется хрупкость стекла. Для большинства силикатных стекол Тт = 900...700 °С,

Тс=600...400°С. Интервал температур между Тт и Тс называют интервалом размягчения, когда стекло обладает пластичными свойствами. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло. Формовку изделий осуществляют путем выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, прокатки, отливки и т.д. Изготовленные изделия подвергают отжигу для снятия внутренних напряжений. При отжиге изделие нагревают до 300...400°С и медленно охлаждают.

3.4.3. Ситаллы

Ситаллы - это стеклокристаллические материалы, получаемые путем стимулированной кристаллизации стекол. В качестве катализаторов кристаллизации в стекломассу вводятся соединения с ограниченной растворимостью или легко кристаллизующиеся из расплава. К ним относятся TiO2, FeS, B2O3, Cr2O3, V2O5, фториды и фосфаты щелочных и щелочноземельных металлов.

3.4.4. Керамика

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос» (горшечная глина). В настоящее время керамика объединяет не только глиносодержащие, но и другие материалы, сходные по своим свойствам и технологическому процессу их получения. Технологический цикл получения керамики включает следующие основные операции:

1. Тонкий размол и  тщательное смешивание исходных компонентов.

2. Пластификация массы  и образование формовочного полу-

фабриката. В качестве пластификатора чаще всего используют поливиниловый спирт и парафин.

3. Формовка изделия.

4. Спекание - высокотемпературный  обжиг (1300...1400°С). В

зависимости от состава  шихты усадка после обжига составляет от 2

до 20%. По структуре керамический материал состоит из кристаллической фазы, участки которой сцементированы аморфной стеклофазой. В керамике также присутствует газовая фаза (пористость), что способствует повышенной гигроскопичности. Для обеспечения влагонепроницаемости керамические изделия подвергают глазуровке.

  Конденсаторная керамика должна обладать:

– высокой относительной диэлектрической проницаемостью для обеспечения наибольшей емкости конденсатора при минимальных размерах;

– слабой зависимостью ε от температуры (температурный коэффициент диэлектрической проницаемости αε должен быть близок к нулю);

– малыми диэлектрическими потерями;

– минимальной зависимостью ε и tgδ от напряженности электрического поля;

– высокими значениями ρ, ρ_s, Е_пр.

 

3.5.5. Электроизоляционные  компаунды. Лаки

Компаунды - смеси полимеров: смол, битумов, эфиров целлюлозы, иногда с добавлением минеральных наполнителей (кварцевой или слюдяной муки, стекловолокна) для повышения прочности и нагревостойкости. Кроме смолы и отвердителя в состав компаундов входят пластификаторы, наполнители и др. Компаундами в жидком или полужидком состоянии пропитывают, обмазывают, заливают элементы радиоэлектронной аппаратуры, после чего они отвердевают. Компаунды защищают элементы аппаратуры от атмосферной влаги, повышают электрическую и механическую прочность, т.е.

обеспечивают высокую  надежность. Компаунды могут быть термопластичные и термореактивные.

 

4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Полупроводники - это  материалы с электронной проводимостью, электрические свойства которых сильно зависят от содержания примесей, дефектов структуры и внешних воздействий (температуры, освещения, электромагнитного поля и т.д.). Условно к полупроводникам относят материалы с шириной запрещенной зоны.

4.1. Собственная проводимость  полупроводников

Механизм собственной  проводимости можно показать на модели кристаллической решетки кремния - элемента IV группы периодической системы Менделеева, имеющего сложную кубическую решетку типа алмаза. Четыре валентных электрона атома кремния образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Состояниям связанных электронов соответствуют энергетические уровни в валентной зоне.

 

Рис. 3. Механизм собственной проводимости кремния

 

При температуре абсолютного нуля валентная зона (ВЗ) полностью заполнена электронами, а зона проводимости (ЗП) полностью свободна. Свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При температурах выше абсолютного нуля некоторые валентные электроны за счет тепловых флуктуаций преодолевают запрещенную зону и переходят в зону проводимости. Энергия, необходимая для разрыва связи и освобождения электрона, количественно равна ширине запрещенной зоны.

Электрон, оторвавшийся от атома, становится свободным носителем заряда, а в валентной зоне остается эквивалентный положительный заряд, об-ладающий некоторой эффективной массой - дырка. Для восстановления нарушенной ковалентной связи образовавшуюся дырку в валентной зоне занимает электрон соседнего атома, начинается перемещение валентных электронов от атома к атому, сопровождающееся разрывом и восстановлением ковалентных связей. При отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны и дырки беспорядочно блуждают по кристаллу. Под действием внешнего электрического поля создается направленное движение носителей заряда: свободных электронов в зоне проводимости и валентных электронов в валентной зоне. Электропроводность, обусловленная возбужденными электронами в зоне проводимости, называется электронной проводимо-

стью или проводимостью n-типа. Электроны валентной зоны эстафетно перемещаются по дыркам от атома к атому, что можно представить как движение дырок. Электропроводность, обусловленная диффузией дырок в валентной зоне, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа.

В полупроводнике одновременно протекают два процесса: генерация носителей заряда и их рекомбинация, т.е. возвращение электронов в валентную зону, сопровождающееся исчезновением пары носителей заряда (электрона и дырки). При любой температуре устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок. Для собственного полупроводника равновесная концентрация электронов n_i и дырок p_i одинакова.

 

4.2 Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость обеспечивается зарядами примесей.

Примеси создают мелкие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Благодаря малой величине энергии ионизации примеси (ΔЭ_пр = 0,01...0,1 эВ), в полупроводнике могут возникать значительные токи при слабых энергетических воздействиях. Роль примесей выполняют не только легирующие элементы, специально вводимые в полупроводник, но и различные дефекты структуры, прежде всего, вакансии и межузельные атомы.

Различают два типа примесей: донорные и акцепторные. Донорные примеси поставляют электроны в зону проводимости полупроводника. Энергетические уровни донорной примеси расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи дна зоны проводимости. При внешнем энергетическом воздействии валентные электроны примеси легко переходят в зону проводимости полупроводника, создавая проводимость n-типа. Для элементов IV группы (германия и кремния) донорами являются элементы V группы - мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P) и др.

Акцепторные примеси захватывают валентные электроны

полупроводника. Акцепторы  имеют незаполненные энергетические

уровни, располагающиеся  в запрещенной зоне полупроводника

вблизи потолка валентной зоны. При внешнем энергетическом воздействии часть валентных электронов полупроводника переходит на свободные уровни акцепторной примеси, и в его валентной зоне происходит эстафетное перемещение валентных электронов от атома к атому, от дырки к дырке. Акцепторы обеспечивают проводимость p-типа. Для германия и кремния акцепторами являются элементы 3-й группы - бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In).

Основные и неосновные носители заряда. В примесном полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, но имеется и некоторая концентрация дырок, которые являются неосновными носителями заряда. В полупроводнике р-типа дырки - основные носители заряда, а электроны - неосновные. В невырожденном полупроводнике при любой температуре в условиях термодинамического равновесия произведение концен-

трации основных и  неосновных носителей заряда (равновесных электронов n0 и дырок p0) есть величина постоянная, не зависящая от содержания примесей

4.3. Элементарные полупроводники

Основу современной  электроники составляют неорганические

кристаллические полупроводники. По составу их классифицируют на элементарные полупроводники и химические соединения. Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов (табл. 2), из них в виде самостоятельных полупроводников применяются германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), а остальные используются в виде легирующих примесей. Электрофизические характеристики основных элементарных полупроводников - германия и кремния - представлены в табл. 2.

 

 

4.3.2. Кремний

Кремний, как и германий, - элемент IV группы со сложной кубической кристаллической решеткой типа алмаза, отличается от германия более сильной химической связью. Поэтому он обладает более высокой температурой плавления, большей шириной запрещенной зоны, меньшей подвижностью носителей заряда и более низкой собственной электропроводностью. Специфические свойства кремния:

– химическая стойкость;

– нагревостойкость до 900°С;

– высокая активность в расплавленном состоянии к материалам, из которых изготовляют тигли и реакторы для получения монокристаллов (кварц, графит), что затрудняет получение чистого Si.

Получение полупроводникового кремния:

1. Восстановление кремния  из двуокиси углеродом в электропечах и получение технического Si, содержащего до 1% примесей.

2. Получение жидкого трихлорсилана SiHCl₃ путем обработки технического кремния сухим хлористым водородом при температуре 300…400°С:

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂.

3. Очистка трихлорсилана  методами тонкой химической технологии.

4. Водородное восстановление  из трихлорсилана и получение поликристаллического кремния.

5. Получение монокристаллического  кремния:

– методом вытягивания из расплава с использованием кварцевого тигля получают крупные монокристаллы низкоомного Si (ρ до 2,5 Ом.м) диаметром до 150 мм и длиной до одного метра; Si реагирует с SiO₂ c образованием моноокиси (SiO), которая загрязняет монокристалл атомами кислорода, являющегося глубоким акцептором;

– методом бестигельной зонной плавкой получают монокристаллы высокоомного кремния (ρ до 200 Ом.м) диаметром до 100 мм, не содержащего нежелательных примесей.

Формирование проводимости в кремнии. В качестве легирующих примесей используются элементы III и V групп таблицы Менделеева. Энергия ионизации примесей в кремнии выше, чем в германии (0,03...0,06 эВ). Основные легирующие примеси – фосфор для получения Si n-типа и бор для получения Si p-типа. Вакансии в кремнии электрически активны и являются глубокими акцепторами. Примеси I и II групп образуют глубокие энергети-

ческие уровни и сокращают  время жизни неравновесных носителей заряда.