Материалы и элементы электронной техники

№ 822

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

Материалы и элементы
электронной техники

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом института

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2006

УДК 621.318 
 
М33 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. В.В. Гераськин 

Автор-составитель Д.Г. Крутогин 

Материалы и элементы электронной техники: Курс лекций. – 
М33 М.: МИСиС, 2006. – 73 с. 

Рассмотрены основные свойства и области применения электронных материалов – полупроводников, проводников и диэлектриков. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
210104 (2001), 140400 (5531), 210100 (5507) в рамках курса «Материалы и 
элементы электронной техники». 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (технологический  
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..........................................................................................4 
1. Материалы и их важнейшие свойства ................................................5 
1.1. Сущность, свойство, качество материала ...................................5 
1.2. Материалы – основа классификации...........................................6 
1.3. Основы взаимодействия веществ.................................................7 
1.4. Свойства материалов.....................................................................9 
1.5. Механические свойства ..............................................................11 
1.6. Теплофизические свойства.........................................................14 
1.7. Электрические свойства материалов.........................................16 
1.8. Оптические свойства материалов ..............................................18 
2. Полупроводники.................................................................................21 
2.1. Собственная и примесная проводимости..................................21 
2.2. Ширина запрещенной зоны Εg ...................................................25 
2.3. Примеси и концентрация носителей заряда..............................27 
2.4. Подвижность носителей заряда..................................................28 
2.5. Время жизни неосновных носителей τ......................................29 
2.6. Кремний – основной материал полупроводниковой 
электроники.........................................................................................30 
2.7. Другие полупроводники для РЭА..............................................33 
2.8. p–n-переход ..................................................................................35 
2.9. Контакт металл – полупроводник..............................................36 
2.10. Граница полупроводник – диэлектрик ....................................38 
3. Проводники.........................................................................................39 
3.1. Особенности электропроводности металлов ............................40 
3.2. Структура металлов.....................................................................42 
3.3. Металлические пленки................................................................44 
3.4. Резистивные материалы..............................................................48 
3.5. Проводящие материалы для металлизации и коммутации......49 
3.6. Особенности использования проводников на высоких 
частотах (скин-эффект)......................................................................50 
4. Диэлектрики........................................................................................52 
4.1. Пьезоэлектрики (пьезоэффект) ..................................................54 
4.2. Спонтанная поляризация ............................................................56 
4.3. Проводимость диэлектриков ......................................................58 
4.4. Электрическая прочность диэлектриков...................................59 
4.5. Диэлектрические потери.............................................................60 
4.6. Основные применения диэлектриков ........................................61 
Приложение.........................................................................................64 
Вопросы экзаменационных билетов.................................................69 
Библиографический список...............................................................72 

Предисловие 

Первый раздел пособия посвящен основным свойствам, характеризующим любой материал, далее следуют разделы, в которых рассматриваются три основных класса электронных материалов: полупроводники, проводники, диэлектрики. Опыт показал, что на некоторые важные, актуальные, но частные проблемы материаловедения 
радиотехники и электроники (стекла и стеклокомпозиты, сверхпроводники, в том числе высокотемпературные, магнитные материалы, 
материалы квантовой оптики и т.п.) в установленном объеме курса 
не хватает времени. Поэтому краткие сведения по этим материалам 
приведены в приложении. 
В основу данного курса лекций положена выборка из основных 
разделов учебного пособия, составленного авторским коллективом 
преподавателей МАИ под редакцией В.М. Андреева «Материалы и 
компоненты микроэлектроники». 

1. МАТЕРИАЛЫ И ИХ ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА 

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 это вещество, а 
стальная проволока, стальной лист – материалы. Часто материал уже в 
наименовании несет целевое назначение, так, «солнечный кремний», 
«электронный кремний» предназначены для электроники. 
В ряде случаев понятие «материал» совмещено с понятием «изделие», например, эпитаксиальная структура. 
Материаловедение – наука о связи: состав (вещества) – структура – свойства (материала). 
Здесь понятие «структура» характеризует пространственное расположение атомов. Только за счет изменений состава или только 
управляя структурой свойства материала не оптимизируешь. Надо 
изучать и учитывать взаимосвязь этих факторов. 
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 необходимо говорить о старении 
материалов, как о закономерном процессе изменения их свойств. 

1.1. Сущность, свойство, качество материала 

Сущность вещества и материала – его 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. 
Эффективность того или иного материала часто определяется его универсальностью, т.е. пригодностью для многих назначений, форм, условий. 
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. 
Управление свойствами за счет структуры достигает иногда такого совершенства, что, например, кремний удается получить в виде 
полупроводника, проводника и диэлектрика только за счет формирования в нем разных типов и концентрации структурных дефектов. 
В тонких пленках металлов и полупроводников исследователи 
обнаружили ряд отличий от объемных свойств тех же веществ: 
– размерные эффекты (зависимость некоторых свойств от толщины пленки); 
– механические напряжения на границе пленка – подложка; 
– неравномерность химического состава по толщине и площади, 
электромиграцию и электродиффузию. 
Потребовалось создание теории тонких пленок для объяснения 
выявленных особенностей таких материалов. 

1.2. Материалы – основа классификации 

В принципе в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) важнейшие 
используемые свойства – электрические и связанные с ними электрооптические, магнитоэлектрические, акустоэлектрические и т.п. 
Классификация материалов представлена на рис. 1.1. 
Данная классификации полезна, но не безусловна. Реально химические связи чаще всего «гетеродесмические»; 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. 
Обобщенно можно утверждать, что монокристаллическое состояние наиболее важно для полупроводников, аморфное – благоприятно 
для диэлектриков, поликристаллическое – для металлов. 

Рис. 1.1. Классификация материалов электронной техники 
по составу, структуре и электропроводности 

1.3. Основы взаимодействия веществ 

Многие материалы состоят из нескольких химических элементов. 
Смешение веществ А, В, С, и т.д. легко реализуется в газах (идеально) – образуется раствор, труднее, но часто возможно, в жидкостях. 
Рассмотрим некоторые результаты смешения элементов (веществ). 
Разнородные атомы в реальности не те инертные разноцветные 
шарики, которые демонстрируются на кристаллографических моделях. Сближаясь при упорядочении в структуру твердого тела атомы 
проявляют определенное химическое сродство (или несродство) друг 
к другу. Поэтому возможны разные результаты смешения. Например, 
олово и свинец – близкие по свойствам (тяжелые, мягкие, легкоплавкие) металлы IV группы Периодической системы элементов Менделеева (ПС). При совместной кристаллизации расплава их атомы проявляют странное несродство: а именно стремятся выстраивать связи 
с себе подобными. В результате получившийся сплав представляет 
твердую смесь микрокристаллов свинца и олова (кстати, это необходимый материал электроники – припой). 
Другой возможный вариант смешения: атомы А ↔ В проявляют 
сильное сродство друг к другу. Происходит химическая реакция, в 
результате которой образуется новая кристаллическая решетка, у нового вещества имеется собственная температура плавления и, естественно, свой набор свойств, 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 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 – раствор вычитания (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Структуры твердых растворов: 
а – раствор внедрения; б – раствор вычитания. 
Светлый кружок атомы А, темный – атомы В 

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 
α и β), как и в первом случае, образуют смеси. Твердые растворы и 
смеси называются сплавами (для металлов и полупроводников) и 
имеют многие полезные (а иногда уникальные) свойства. 
Обычно сплавы–смеси не очень механически прочны. Но иногда 
они технологически удобны – жидкотекучи, относительно легкоплавки, образуют полезные композиции (например, чугуны, бронзы, силумин). Многие литейные сплавы по сути – смеси исходных веществ или 
их твердых растворов. Литейными являются сплавы, которые в жидком виде легко и точно заполняют сложные полые формы. 
Химические соединения АВ, АС, АВС и более сложные характеризуются строгой формулой, собственным типом решетки, определенной температурой плавления. Разнообразие свойств и сочетаний 
типов химической связи бесконечно. Только в группе полупроводниковых соединений АIIIВV более десятка соединений со свойствами от 
почти металлических до диэлектрических. 

Так, BN – диэлектрик (в кубической модификации – аналог алмаза), GaAs – полупроводник, InSb проявляет почти металлические 
свойства и рекордное значение подвижности носителей заряда. 
Химические соединения часто образуют твердые растворы – тройные, четверные (АI
хАII
1–х)[BI
уВII
1–у], и эти растворы также обладают 
новыми комбинациями свойств. 
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 1240 °С, что характерно и для 
InP (P↑) и GaN. В результате этого при кристаллизации получается 
нестехиометрическое соединение типа Ga Аs1–δ (δ – некоторое весьма 
малое число, например 0,001). В итоге материал состоит из ∼1022 
атомов галлия и мышьяка и 1019 атомных вакансий (в позициях 
мышьяка) на кубический сантиметр объема, т.е. является весьма дефектной структурой. 

1.4. Свойства материалов 

Классификация свойств материалов приведена на рис. 1.3. 
Основными группами свойств являются физико-химические и потребительские. Функциональные физико-химические свойства прежде всего определяют характер применения материала, технологические физико-химические свойства характеризуют наши возможности 
по обработке материала. 
Материал «технологичен», если имеет благоприятный комплекс 
функциональных и потребительских свойств. Конечно, это определение несколько условно. Например, высокая температура плавления 
обычно повышает термостойкость материала, однако может затруднять его термообработку. Малотехнологичный материал потребует 
сложной технологии обработки и станет дорогим (а это потребительское свойство). 
Свойства делят на структурочувствительные и структуроустойчивые, на усредненные и экстремальные. К экстремальным относятся 
те свойства материала, которые характерны не для всего материала в 
целом, а лишь для его отдельных участков, например шейка, возникающая при разрыве металлического образца при механических испытаниях, трещина и т.п. Прочность, коррозионная стойкость это 
экстремальные свойства материалов; а плотность – усредненное. 
 

Рис. 1.3. Классификация свойств материалов 

Свойства материалов подразделяются также на изотропные и анизотропные (по зависимости свойства от направления в решетке или в 
объеме материала); на простые и сложные. Простые свойства характеризуют один тип воздействия на материал, сложные проявляются 
при воздействии нескольких энергетических полей: например, магнитосопротивление – изменение электросопротивления при действии на 
материал магнитного поля, или тензочувствительность (зависимость 
проводимости от приложенного к материалу механического напряжения), или фотопроводимость и т.п. Изучение сложных свойств – перспективный путь создания новых материалов и образцов техники. 
Фундаментальные, практически неуправляемые свойства характеризуются определенными параметрами. Так, для кремния это плотность, 
ширина запрещенной зоны (ΔΕSi = 1,12 эВ; a – 5,2 Å, d = 2,3 г/см3). 
Характеристические свойства меняются в некотором диапазоне 
значений. Например, для кремния ρSi = 10–3…10+4 Ом⋅см. 
Зная свойства исходных компонентов, можно ли предвидеть свойства образованной ими системы? Далеко не все свойства многокомпонентной системы можно предсказать – только аддитивные, например плотность, и то если нет в системе химического соединения. Какие могут быть и не могут быть свойства в сплавах многокомпонентной системы – вопрос, требующий отдельного изучения. 

1.5. Механические свойства 

Способность материала противостоять разрушению – это прочность, а противостоять деформации – это жесткость. Деформация 
всегда предшествует разрушению. К механическим свойствам материалов кроме жесткости и прочности относят еще фрикционные 
(взаимное трение) и акустические свойства. 
Жесткость материалов РЭА важна для корпусов, плат, осей – там, 
где важны размеры и относительные положения деталей. Иначе будут нагружаться и разрушаться места пайки, контакты, проводники 
и т.п. Иногда в радиоаппаратуру специально вводятся детали малой 
жесткости – пружины, буфера, торсионы. Следует предполагать, что 
такое электронное устройство, как мобильный телефон или калькулятор рано или поздно упадет из рук или со стола, и конструктор 
должен предусмотреть в нем детали компенсации ударных нагрузок. 
Разрушение – предельная стадия деформации. В начальной стадии 
деформации происходит обратимое (упругое) изменение размеров и 
формы изделия. На второй стадии – пластической, имеет место необратимое изменение размеров и формы. Пластическая деформация 
возникает в результате движения дислокаций (см. рис. 1.4 и 1.5). 

 

Рис. 1.4. Краевая дислокация в кристалле 

Упругая деформация описывается законом Гука: 

 
σ
δ
E
=
, 
(1.1) 

где Е – модуль упругости (Юнга), Н/м2; 
σ – напряжение, вызываемое действием сил, Н/м2; 
δ – деформация, относительное удлинение, %.