Функциональные материалы электроники и их технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2593 

Кафедра технологии материалов электроники

Д.Г. Крутогин 
 
 

Функциональные материалы
электроники и их технологии 

 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 621.318.1 
 
К84 

Р е ц е н з е н т ы  
д-р физ.-мат. наук, проф. А.Н. Ковалев; 
канд. физ.-мат. наук, доц. М.Д. Малинкович 

Крутогин Д.Г. 
К84  
Функциональные материалы электроники и их технологии : учеб. пособие / Д.Г. Крутогин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2015. – 98 с. 
ISBN 978-5-87623-907-5 

Рассмотрены основные физико-химические свойства материалов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре. Для основных четырех групп материалов – полупроводников, металлов, диэлектриков и магнетиков приведены 
свойства, определяющие их функциональность, и рассмотрены базовые технологии получения. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 222 900 
«Нанотехнологии и микросистемная техника» или 210 100 «Электроника и 
наноэлектроника» в рамках соответствующей дисциплины бакалаврского учебного плана. 

УДК 621.318.1 

ISBN 978-5-87623-907-5 
© Д.Г. Крутогин, 2015 
 
© НИТУ «МИСиС», 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Материалы и их важнейшие свойства ................................................7 
1.1. Понятия и определения науки о материалах...............................7 
1.2. Материалы – основы классификации ..........................................8 
1.3. Основы взаимодействия веществ.................................................9 
1.4. Физико-химические свойства материалов ................................12 
1.5. Механические свойства. .............................................................13 
1.6. Теплофизические свойства.........................................................17 
1.7. Электрические свойства материалов.........................................20 
1.8. Оптические свойства материалов ..............................................22 
2. Полупроводники.................................................................................24 
2.1. Собственная проводимость ........................................................24 
2.2. Примесная проводимость ...........................................................26 
2.3. Ширина запрещенной зоны........................................................28 
2.4. Примеси и концентрация носителей заряда..............................30 
2.5. Подвижность носителей заряда..................................................31 
2.6. Время жизни неосновных носителей.........................................32 
2.7. Кремний – основной материал полупроводниковой 
электроники.........................................................................................34 
2.8. Другие полупроводники для РЭА..............................................36 
2.9. p–n-переход ..................................................................................39 
2.10. Контакт металл–полупроводник..............................................40 
3. Проводники.........................................................................................42 
3.1. Особенности электропроводности металлов ............................42 
3.2. Теплопроводность металлов.......................................................44 
3.3. Структура металлов.....................................................................44 
3.4. Металлические пленки................................................................46 
3.5. Резистивные материалы..............................................................50 
3.6. Проводящие материалы для металлизации 
и коммутации ......................................................................................51 
3.7. Особенности использования проводников 
на высоких частотах...........................................................................52 
4. Диэлектрики........................................................................................55 
4.1. Пьезоэлектрики (пьезоэффект) ..................................................57 
4.2. Спонтанная поляризация ............................................................59 
4.3. Проводимость и пробой диэлектриков......................................61 
4.4. Электрическая прочность диэлектриков...................................62 

4.5. Диэлектрические потери.............................................................63 
4.6. Технологии диэлектрических материалов ................................65 
4.7. Технологии диэлектрических и магнитных керамик...............65 
4.8. Технология монокристаллического кварца...............................68 
4.9. Технологии диэлектрических монокристаллов........................69 
4.10. Стекла для РЭА и их технологии.............................................70 
4.11. Основные применения диэлектриков......................................72 
5. Магнитные материалы электроники.................................................74 
5.1. Магнитомягкие металлические сплавы.....................................75 
5.2. Магнитотвердые металлические сплавы...................................78 
5.3. Магнитотвердые материалы для записи и хранения 
информации.........................................................................................79 
5.4. Ферритовые магнитные материалы ...........................................80 
5.5. Основные применения магнитных материалов в РЭА ............84 
6. Сверхпроводящие материалы............................................................87 
Вопросы для самоконтроля ...................................................................89 
Библиографический список...................................................................92 
Глоссарий ................................................................................................94 
 

Введение 

Академик Ю.Д. Третьяков, анализируя роль материалов в разных 
сферах жизнедеятельности человека, использовал схему, приведенную на рисунке. Как видно, материалы делятся на две основные 
группы: конструкционные и функциональные. Принято считать конструкционными материалы, используемые человеком, чтобы противостоять механическим нагрузкам. Действительно, первые материалы – дерево, кость, кожа (материалы биологического происхождения) и камень применялись, чтобы создать или противостоять механическим воздействиям. Позже людей заинтересовали теплофизические свойства (дом из шкур, из дерева, из кирпича хорошо удерживал 
тепло), оптические (стекла) и, наконец, в XVIII–XX веках пришел 
интерес к электрическим свойствам. С развитием машинных технологий совокупность физико-химических свойств некоторых материалов оказалась более важной, чем только механические свойства. 
Так, медь и ее сплавы (бронзовый век) как конструкционный материал уступили сплавам железа, но как материал высокой электро- и теплопроводности, хорошей коррозионной стойкости медь практически незаменима. 

 

Рис. Материалы, используемые человеком [1] 

Вот об этих свойствах или их совокупности мы говорим как о 
функциональных (служебных), т.е. оптимальным образом отвечающих особенностям применения. Следовательно, функциональные 
материалы можно определить как материалы, обладающие специфическими, максимальными параметрами для тех или иных технических применений. При этом конструкционные характеристики функциональных материалов сохраняют значимость, но как бы отходят на 
второй план. Применительно к задачам электронной техники из 88 металлов Периодической системы функциональными материалами можно 
считать медь (высокая проводимость), алюминий (высокая проводимость и хорошая испаряемость), золото (уникальная пластичность, высокая проводимость и коррозионная стойкость). А вот набор конструкционных материалов для электроники гораздо шире – тут и алюминий, 
и пластмассы, и стекло, и композитные слоистые пластики. 
Сопутствующими и важными факторами оценки материалов являются технологические (пригодность к обработке) и потребительские качества. 
Функциональные материалы электроники различаются главным 
образом по электрическим свойствам: полупроводники, металлы, 
диэлектрики. В ряде устройств электроники существенным оказываются магнитные свойства металлических сплавов или магнитных диэлектриков и, следовательно, эти свойства становятся функциональными. Для оптоэлектронных устройств функциональными являются 
оптические или электрооптические. 
Цель настоящего пособия – рассмотрение основных функциональных свойств, востребованных современной радиоэлектроникой, 
и важнейших групп материалов, проявляющих такие свойства, т.е 
функциональных материалов электронной техники. 

1. МАТЕРИАЛЫ И ИХ ВАЖНЕЙШИЕ 
СВОЙСТВА 

1.1. Понятия и определения науки о материалах 

Отметим различия между веществом и материалом. 
Вещество – совокупность связанных атомов, молекул или ионов. 
Форма веществу не присуща. 
Материал – продукт частичной переработки вещества в изделие, 
отвечающий потребностям производства. Материал имеет определенный состав, структуру и внешнюю форму. Например, сталь – вещество, а стальная проволока – материал, который может использоваться непосредственно или, скажем, для изготовления гвоздей или 
скрепок. Часто материал уже в наименовании несет целевое назначение. Например, «солнечный» кремний (материал для солнечных батарей), «электронный» кремний (материал для электронных приборов и микросхем). 
В ряде случаев понятие «материал» совмещено с понятием «изделие», например, эпитаксиальная структура. 
Материаловедение – наука о взаимосвязях в триаде: состав 
(вещества) – структура – свойства (материала). 
Здесь понятие «структура» характеризует размещение атомов в 
веществе. Только за счет изменений состава или только управляя 
структурой свойства материала не оптимизируешь. 
Далее будут использованы только отдельные понятия материаловедения. 
Основное свойство материала – стабильность, поэтому газы и 
жидкости, которым не свойственна стабильная форма, рассматриваются не как материалы, а как вещества, хотя некоторые газы и жидкости применяются в компонентах электронных устройств (например, газовые среды плазменных дисплеев, жидкие кристаллы индикаторных панелей и дисплеев). 
Стабильность – сохранение строения и формы материала в некоторых пределах изменения внешних условий (например, в интервале 
температур –60°…+ 120 °С) и в течение длительного времени. 
Изменчивость свойств материалов абсолютна, а стабильность материала относительна. Движение носителей заряда, диффузия и миграция атомов, дефекты структуры, их накопление и взаимодействие 
друг с другом обусловливают непреодолимую изменчивость свойств 

материалов. В некоторых случаях нам приходится говорить о старении материалов, как о закономерном процессе изменения их свойств. 
Сущность вещества и материала – его атомный (химический) состав и тип химических связей в нем. Свойство – практически важная 
сторона сущности. Свойство – черта именно данного материала. Мерило свойства – параметр – выраженное численно, измеренное определенным (общепринятым) образом значение свойства. 
Для характеристики вещества достаточно свойств. Для технического материала нужно качество. Качество – способность материала 
выполнять в изделии заданные функции. Качество всегда относят к 
изделию, но с оговорками и к материалу. Для некоторых приборов 
данный материал обладает высоким качеством, но для других приборов этого недостаточно. 
Рассматривая упомянутый выше пример с солнечным кремнием, 
отметим, что качественный солнечный кремний, как правило, совершенно не пригоден для изготовления микроприборов. 
Ценность того или иного материала часто определяется его универсальностью, т.е. пригодностью для многих назначений. Далее будет 
показано, что этим и хорош, например, кремний для электроники. 
Электроника впервые как отрасль техники сделала ставку на монокристаллы, как основной тип структурного состояния материала. 
Именно монокристаллы обеспечивают однородность свойств в разных частях материала, их воспроизводимость, применимость теоретических моделей формирования нужных свойств к реальным объектам. Поэтому в большинстве случаев технология электроники включает в себя технологию получения и обработки монокристаллов. 
Управление свойствами за счет структуры достигает иногда такого совершенства, что, например, кремний удается получить в виде 
полупроводника, проводника или изолятора только путем формирования в нем разных типов и концентрации примесных и структурных 
дефектов. 

1.2. Материалы – основы классификации  

В принципе в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) важнейшие 
используемые свойства материалов – электрические и связанные с 
ними: электрооптические, магнитоэлектрические, акустоэлектрические и т.п. 
Основы классификации, привязанной к типу химической связи и 
структурному состоянию иллюстрирует схема на рис. 1.1. 

Рис. 1.2. Классификация материалов электронной техники [2]: 
а – по типу распределения валентных электронов (или химической связи); 
б – по типу проводимости: проводники, полупроводники, диэлектрики; 
в – по структурному состоянию 

Данная классификации полезна, но с оговорками. Реально химические связи чаще всего смешанные, например к ионным и металлическим связям всегда подмешивается доля ковалентных. А свойства 
материалов наследуются от связей. Поэтому вопреки принятым 
обобщениям есть достаточно хрупкие металлы, вырожденные (похожие на металл) полупроводники, проводящие оксиды и другие исключения из простых правил. 
Обобщенно можно утверждать, что монокристаллическое состояние наиболее важно для полупроводников, аморфное – весьма благоприятно для диэлектриков, поликристаллическое – для металлов, хотя и для этих утверждений есть исключения. 

1.3. Основы взаимодействия веществ  

Многие материалы состоят из нескольких химических элементов. 
Смешение веществ А, В, С, и т.д. легко (идеально) реализуется в газах и парах – образуется однородная на атомарном уровне смесь. В 
жидких смесях (расплавах) при повышенных температурах смешение тоже идеальное, но при понижении температуры в некоторых 
случаях имеет место расслоение расплава на две жидкости.  
При кристаллизации (или в общем случае затвердевании) многокомпонентных сплавов возможны несколько вариантов. Рассмотрим 
некоторые результаты смешения элементов (веществ).  
Разнородные атомы в реальности – не те инертные разноцветные 
шарики, которые демонстрируются на кристаллографических моде

лях. Сближаясь при упорядочении в структуру твердого тела атомы 
проявляют определенное химическое сродство (или несродство) друг 
к другу. Поэтому возможны разные результаты смешения. Например, 
Sn и Pb, в общем-то два близких по свойствам (тяжелые, мягкие, легкоплавкие) металла IV группы Периодической системы (ПС) элементов. При совместной кристаллизации расплава их атомы проявляют 
странное несродство: а именно стремятся выстраивать связи и кристаллическую решетку с себе подобными атомами А ↔ А; В ↔ В, 
←А В→. В результате получившийся сплав представляет твердую 
смесь микрокристаллов свинца и олова (в некоторых соотношениях 
компонентов это полезный и пока необходимый материал электроники – припой).  
Второй возможный вариант смешения : атомы А ↔ В проявляют 
сильное сродство друг к другу. Результат в этом случае – реакция 
взаимодействия (химическая реакция), как продукт ее возникает новое 
вещество, у которого имеется собственная кристаллическая решетка и 
температура плавления, и, естественно, свой набор свойств, резко отличных от свойств исходных А и В. Пример сильного химического сродства 
элементов той же IV группы ПС: Si + C = SiC (карбид кремния). 
Третий, весьма распространенный, вариант смешения: при плавлении А растворяется в В или В растворяется в А (неограниченно или 
частично, до некоторой степени), при затвердевании расплава получается твердый раствор. Тип и параметр его решетки близок чистому А или В, свойства сплава в зависимости от состава сначала меняются плавно. Допустим, атом (В) занимает место в узлах решетки А 
(раствор замещения), или в междоузлиях – раствор внедрения, или в 
узлах, но с одновременно возникающими вакансиями V (раствор 
вычитания) (рис. 1.2). 
Твердые растворы легко образуются в пределах веществ одной 
группы ПС, например, Ge–Si, Au–Ag–Cu; Fe– Co–Ni и т.п., но хуже между веществами разных классов. Например, металлы плохо растворимы 
в полупроводниках – обычно лишь сотые или тысячные доли процента. 
Если неограниченной растворимости веществ не возникает, то 
твердые растворы на основе А и В (их обычно обозначают буквами 
греческого алфавита α и β), как и в первом случае, образуют смеси. 
Твердые растворы и смеси называются сплавами (для металлов и полупроводников) и демонстрируют многие полезные (а иногда просто 
уникальные) свойства. 

Рис. 1.2. Структуры твердых растворов: 
а – раствор замещения; б – раствор вычитания 

Поиск новых сплавов и исследование их свойств может проводиться 
в системах двух, трех и т.д. до 10 и более компонентов. 
Обычно сплавы-смеси механически не очень прочны. Но иногда 
они технологически удобны – жидкоподвижны, относительно легкоплавки, образуют полезные композиции (например, чугуны, бронзы, 
силумин). Многие литейные сплавы – есть смеси исходных веществ 
или их твердых растворов. Литейными называются сплавы, которые 
в виде расплавов легко и точно заполняют сложные полые формы. 
Химические соединения проявляют огромное разнообразие 
свойств и сочетаний типов химической связи. Только в группе полупроводниковых соединений АIIIВV (индексы соответствуют группе 
ПС) более десятка соединений со свойствами от почти металлических до диэлектрических. Примеры: BN – диэлектрик (эквивалент 
алмаза), GaAs – полупроводник, близкий аналог кремния, InSb – 
имеет почти металлические свойства и рекордное значение подвижности носителей заряда. 
Химические соединения часто образуют между собой твердые растворы – тройные, четверные (АI
х АII
1–х)[BI
уВII
1–у], и эти растворы тоже демонстрируют новые физические, в частности электрические, свойства. 
В химических соединениях с полупроводниковыми свойствами 
очень важна стехиометрия. А требование это бывает непросто реализовать, например, в GaAs имеет место улетучивание молекул As↑ из 
расплава при температуре плавления соединения 1240 °С, подобное 
же явление имеет место для InP (P↑), GaN. В результате этого при 
кристаллизации получается нестехиометрическое соединение типа 
(Ga Аs1–δ), где δ – некоторое весьма малое число, например 0,001. В 
итоге один кубический сантиметр материала состоит из примерно 

1022 атомов галлия и мышьяка и 1019 атомных вакансий (в позициях 
мышьяка), т.е. является весьма дефектной структурой. 

1.4. Физико-химические свойства материалов 

Конструктор прибора, изделия выбирает материалы, руководствуясь их свойствами, учитывая иногда их десятки и более. Классификация свойств материалов приведена на рис. 1.3. 

 

Рис. 1.3. Классификация свойств материалов 

Основные группы свойств: физико-химические и потребительские. А среди физико-химических свойств имеются две важные подгруппы: функциональные и технологические (определяющие способность к обработке). 
Материал «технологичен», если имеет благоприятный комплекс 
функциональных и потребительских свойств. Конечно, определение 
отчасти условно. Например, высокая температура плавления обычно 
повышает термостойкость материала, но одновременно затрудняет термообработку. Малотехнологичный материал потребует сложной технологии обработки и станет дорогим (а это потребительское свойство).  
Свойства материалов делят на структурочувствительные и структуроустойчивые; на усредненные и экстремальные, на изотропные и 
анизотропные; на простые и сложные. 
Структурочувствительные свойства значительно (на десятки 
процентов) меняются при воздействии на структуру. Так, прочность 
деформированной проволоки существенно возрастает, а плотность и 
проводимость почти не изменяются. 

  

Физико-химические 

Функциональные 

Электрические  
Механические
  
Оптические

Технологические 

Адгезионная 
способность

Паяемость
 
Деформируемость

Потребительские  

Экономические 

Эстетические
 
Экологические

 
Гигиенические

 

Свойства материалов