Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТСТАЛИ И СПЛАВОВКафедра технологии материалов электроникиКРУТОГИН Д.Г.МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ“Электронная версия конспекта лекций»Рекомендовано редакционно-издательским советом институтаМосква 2008УДК 621.318Автор Д.Г.Крутогин«МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ»Учебное пособие по курсу «Материалы и компоненты микроэлектроники» отвечает требованиям квалификационной характеристики всоответствиисучебнымипланамиспециальности«Микроэлектроника и твердотельная электроника210104(2001)и направлений 5507«Микроэлектроника» и 5516 «Техническая физика».ОГЛАВЛЕНИЕПредисловие1. МАТЕРИАЛЫ И ИХ ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВАСущность, свойства, качество материалаМатериалы – основы классификацииОсновы взаимодействия веществСвойства материаловМеханические свойства4567811132Теплофизические свойства18Электрические свойства материала21Оптические свойства материалов24Обобщение классификации свойств материалов252.
П О Л У П Р О В О Д Н И К И26Собственная проводимость26Примесная проводимость28Ширина запрещенной зоны Eg31Примеси и концентрация носителей заряда33Подвижность носителей заряда35Время жизни неосновных носителей36Кремний – основной материал полупроводниковой электроники 40Другие полупроводники для РЭА42p-n переход46Контакт металл – полупроводник493. П Р О В О Д Н И К И50Особенности электропроводности металлов52Теплопроводность металлов54Структура металлов55Металлические пленки57Как наносят металлические пленки?61Резистивные материалы64Проводящие материалы для металлизации и коммутации64Особенности использования проводников на высоких частотах 664. Д И Э Л Е К Т Р И К И69Пьезоэлектрики ( пьезоэффект )72Спонтанная поляризация74Проводимость и пробой диэлектриков77Электрическая прочность диэлектриков78Диэлектрические потери80Основные применения диэлектриков815.П Р И Л О Ж Е Н И Е845.1 Магнитные материалы электроники845.2 Сверхпроводящие материалыВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНАЦИОННЫМ БИЛЕТАМБиблиографический список899196Глоссарий973ПРЕДИСЛОВИЕСтруктура курса и структура этого пособия очень проста: в первомразделе рассматриваются основные свойства, характеризующие тот или инойматериал, далее следуют три раздела, рассматривающие три основных классаэлектронныхматериалов,различаемыхполупроводники, проводники, диэлектрики.потипухимическойсвязи:В рамки очевидного деленияне укладываются некоторые важные, актуальные материалы радиотехники иэлектроники(сверхпроводники,втомчислевысокотемпературные,магнитные материалы, стекла, материалы квантовой оптики и т.п.) Поэтомунекоторые сведения по этим разделам вынесены в приложения.1.
МАТЕРИАЛЫ И ИХ ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВАОтметим различия между веществом и материалом.Вещество - совокупность связанных атомов, молекул или ионов. Формавеществу не присуща.Материал - продукт частичной переработки вещества в изделие,отвечающий потребностям производства. Материал имеет определенныйсостав, структуру и внешнюю форму. Пример: сталь – вещество, стальнаяпроволока - материал.
Часто материал уже в наименовании несет целевоеназначение: пример - «солнечный кремний (материал для солнечныхбатарей)», «электронный» кремний (материал для электронных приборов имикросхем).В ряде случаев понятие материал совмещено с понятием изделие –пример - эпитаксиальная структура.*Материаловедение – наука о взаимосвязях в триаде: состав (вещества ) – структура - свойства ( материала ).4Здесь понятие структура* - характеризует размещение атомов Толькоза счет изменений состава или только управляя структурой. свойстваматериала не оптимизируешь.(Материаловедениеполупроводников и диэлектриков как самосто-ятельная учебная дисциплина изучается позже.В этом пособии будутиспользованы только отдельные понятия этого курса).Основное свойство материала - стабильность - поэтому газы ижидкости, которым не свойственна стабильная форма - рассматриваются некак материалы, а как вещества, хотя некоторые газы и жидкостиприменяются в компонентах электронных устройств ( пример: газовые средыплазменныхдисплеев,жидкиекристаллыиндикаторныхпанелейидисплеев), в основном разделе пособия они не будут рассматриваться.Стабильность - сохранение строения и формы материала в некоторыхпределах изменения внешних условий (например в интервале температур: 60о - + 120оС ) и в течение длительного времени.Изменчивость свойств материалов абсолютна – стабильность материалаотносительна.
Движение носителей заряда, диффузия и миграция атомов,дефекты структуры,их накопление ивзаимодействие друг с другомобусловливают непреодолимую изменчивость свойств материалов. В некоторых случаях приходится говорить о старении материалов, как озакономерном процессе изменения их свойств.Сущность, свойство , качество материалаСущность вещества и материала - его состав и тип химических связей внем.
Свойство - практически важная сторона сущности. Свойство - чертаименно данного материала. Мерило свойства -параметр, то-естьвыраженное численно, измеренное определенным (общепринятым!) образомзначение свойства.5Для характеристики вещества достаточно свойств. Длятехническогоматериала нужно качество. Качество – способность материала выполнять визделии заданные функции. Качество всегда относят к изделию, но соговорками и к материалу. Для некоторых приборов данный материалобладает высоким качеством, но для других приборов этого недостаточно.Ценностьтогоилииногоматериалачастоопределяетсяегоуниверсальностью, т.е.
пригодностью для многих назначений. Позже будетпоказано, что этим и хорош, например, кремний для электроники.Электроника впервые как отрасль техники сделала ставку намонокристаллы*, как основной тип структурного состояния материала.Именно монокристаллы обеспечивают однородность свойств в разных частяхматериала, их воспроизводимость, применимость теоретических моделейформирования нужных свойств к реальным объектам.Поэтому вбольшинстве случаев технология электроники включает в себя как большойи важный раздел технологию получения и обработки монокристаллов.Управление свойствами за счет структуры достигает иногда такогосовершенства, что, например, кремний удается получить в виде полупроводника, проводника или изолятора только за счет формирования в немразных типов и концентрации структурных дефектов.Материалы – основы классификацииВ принципе в радиоэлектронной аппаратуре( далее - РЭА) важнейшиеиспользуемые свойства материалов - электрические и связанные с нимисложные: электрооптические, магнитоэлектрические, акустоэлектрические ит.п.Основы классификации, привязанной к типу химической связи* иструктурному состоянию иллюстрирует следующая схема на рисунке 1.Данная классификации полезна, но с оговорками.
Реально химическиесвязи чаще всего смешанные, например к ионным и металлическим связям6всегда подмешиваетсядоля ковалентных.наследуются от связей. Поэтому вопрекидостаточнохрупкиеметаллы,А свойства материаловпринятым обобщениям естьвырожденные(похожиенаметалл)полупроводники, проводящие оксиды и тому подобные исключения изпростых правил.Обобщенно можно утверждать,что монокристаллическое состояниенаиболее важно для полупроводников, аморфное - весьма благоприятно длядиэлектриков,поликристаллическое - для металлов, хотя и дляэтихутверждений есть исключения.а) по типу пространственного распределения электронов (илихимической связи)б) по типу проводимости: проводники, полупроводники, диэлектрикив) по структурному состоянию.Рисунок 1. Классификация материалов электронной техники посоставу, структуре и электропроводностиОсновы взаимодействия веществ7Многие материалы состоят из нескольких химических элементов.Смешение веществ А, В, С, и т.д.
легко(идеально) реализуется в газах ипарах- образуется раствор, труднее, но часто возможно, в жидкостях,например расплавах. Рассмотрим качественнонекоторыерезультатысмешения элементов ( веществ ).Разнородные атомы -в реальности не те инертные разноцветныешарики, которые демонстрируются на кристаллографических моделях.Сближаясь при упорядочении в структуру твердого тела атомы проявляютопределенное химическое сродство ( или несродство ) друг к другу.
Поэтомувозможны разные результаты смешения. Пример, Sn – Pb, в общем-то дваблизких по свойствам (тяжелые, мягкие, легкоплавкие) металла 1У группыПС. При совместной кристаллизации расплава их атомы проявляют странноенесродство: а именно стремятся выстраивать связи с себе подобными АВВ ,А ВА;.В результате получившийся сплав представляеттвердую смесь микрокристаллов свинца и олова, (это полезный инеобходимый материал электроники- припой).Другой возможный вариант смешения : атомы Асильное сродство друг к другу.В проявляютРезультат в этом случае - реакция вза-имодействия ( химическая реакция ), как продукт ее возникает новоевещество, у которого имеетсясобственная кристаллическая решетка итемпература плавления, и, естественно, свой набор свойств, отличных отсвойств исходных А и В.
Пример сильного химического сродства элементовтой же 1Угруппы ПС:Si + C = SiC( карбид кремния) .Третий, весьма распространенный, вариант смешения: При плавленииА растворяется вВ или В растворяется вА (неограниченно иличастично, до некоторой степени ) – при затвердевании расплава получаетсятвердый раствор. Тип и параметр его решетки близок чистому А или В,свойства в зависимости от состава сначала меняются плавно. Допустим, атом8(В) занимает место в узлах решетки А ( раствор замещения ), или вмеждоузлиях - раствор внедрения, или в узлах, но с одновременновозникающими вакансиями V ( раствор вычитания) ( см.
рисунок 2).Твердые растворы легко образуются в пределах веществ одной группыПС , например, Ge - Si , Au - Ag - Cu; Fe - Co - Niи т.п., но хуже междувеществами разных классов. Например, металлыплохо растворимы вполупроводниках – обычно лишь сотые или тысячные доли %. Еслиа) – раствор замещения; б) – раствор вычитания .Рисунок 2 - Структуры твердых растворовнеограниченной растворимости веществ не возникает, то твердыерастворы на основе А и В (их обычно обозначаюти ) как и в первомслучае образуют смеси.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
