Материалы электронной техники

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
 
 
 
Н.С. Легостаев 
 
 
 
МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ 
 
Учебное пособие  
 
 
 
Рекомендовано Сибирским региональным отделением 
учебно-методического объединения  
высших учебных заведений РФ по образованию  
в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники  
и автоматизации для межвузовского использования  
в качестве учебного пособия для студентов,  
обучающихся по направлению подготовки бакалавров 
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» 
с профилями «Промышленная электроника»  
и «Микроэлектроника и твердотельная электроника» 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТУСУРа  
2014 

УДК 621.315.5/.61(075.8) 
ББК 32.843.я.73 
 
Л 387 
 
 
 
Рецензенты: 
 
Айзенштат Г.И., д-р техн. наук, профессор,  
гл. науч. сотр. ОАО «НИИ полупроводниковых приборов», г. Томск; 
 
Анненков Ю.М., д-р физ.-мат. наук, профессор  
кафедры электромеханических комплексов  
и материалов Национального института  
«Томский политехнический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
Легостаев, Николай Степанович  
Л 387     Материалы электронной техники: учеб. пособие / Н.С. Легостаев. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 
2014. –  239 с.  
ISBN 978-5-86889-679-8 
Рассматриваются физические процессы и явления, протекающие в 
проводниках, полупроводниках и пассивных диэлектриках, а также в активных диэлектриках и магнитных материалах в различных условиях их 
эксплуатации. Представлены основные параметры и характеристики пассивных компонентов электронной техники. Приведена классификация, конструктивно-технологические разновидности резисторов и конденсаторов, 
система обозначений и маркировка.  
Для студентов, обучающихся по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» с профилями «Промышленная электроника» и 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника». 
УДК 621.315.5/.61(075.8) 
ББК 32.843.я.73 
           
ISBN 978-5-86889-679-8 
 Легостаев Н.С., 2014 
 
 Томск. гос. ун-т систем упр. 
 
и радиоэлектроники, 2014 

Оглавление 

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 

1 ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ  
В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ 
1.1 Классификация материалов по электрическим и магнитным 
свойствам .......................................................................................................... 6 
1.2 Электропроводность твердых тел .......................................................... 11 
1.3 Общие свойства и отличительные особенности материалов  
электронной техники ..................................................................................... 14 

2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
2.1 Свойства проводниковых материалов ................................................... 25 
2.2 Материалы высокой проводимости ....................................................... 36 
2.3 Материалы высокого удельного сопротивления .................................. 47 

3 РЕЗИСТОРЫ 
3.1 Классификация резисторов ..................................................................... 52 
3.2 Основные параметры и характеристики резисторов ........................... 54 
3.3 Система обозначений и маркировка резисторов .................................. 61 
3.4 Конструктивно-технологические разновидности резисторов ............ 67 

4 ДИЭЛЕКТРИКИ 
4.1 Основные физические процессы в диэлектриках................................. 71 
4.2 Пассивные диэлектрики .......................................................................... 86 

5 КОНДЕНСАТОРЫ 
5.1 Классификация конденсаторов .............................................................. 95 
5.2 Основные параметры и характеристики конденсаторов ................... 106 
5.3 Система условных обозначений и маркировка 
конденсаторов .............................................................................................. 110 

6 АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ И ЭЛЕМЕНТЫ  
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 
6.1 Пьезоэлектрические и электрострикционные материалы ................. 114 
6.2 Пироэлектрики и электреты ................................................................. 116 
6.3 Сегнетоэлектрики .................................................................................. 120 
6.4 Элементы типовой модели функциональной электроники ............... 121 

7 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
7.1 Классификация материалов по магнитным свойствам ...................... 125 
7.2 Характеристики и параметры ферромагнетиков ................................ 131 
7.3 Виды магнитных материалов ............................................................... 144 

8 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
8.1 Классификация полупроводниковых материалов .............................. 156 
8.2 Модели структур полупроводников .................................................... 158 
8.3 Собственная электропроводность полупроводников ........................ 174 
8.4 Электропроводность примесных полупроводников .......................... 177 

8.5 Распределение носителей заряда в полупроводниках ....................... 185 
8.6 Генерация, рекомбинация и время жизни носителей заряда  
в полупроводниках ...................................................................................... 193 
8.7 Собственные полупроводники ............................................................. 201 
8.8 Полупроводниковые химические соединения .................................... 204 

Заключение ....................................................................................................... 212 

Список условных обозначений и сокращений ............................................. 213 

Глоссарий ......................................................................................................... 217 

Список рекомендуемой литературы .............................................................. 223 

Приложение А. Справочные данные некоторых материалов  
электронной техники....................................................................................... 225 

Введение 

Стремительное развитие электронной техники, прежде всего 
твердотельной, характеризуется непрерывным расширением функциональных возможностей создаваемых новых типов элементов, 
приборов и систем, включая системы обработки сверхбольших  
потоков информации в реальном масштабе времени. Прогресс электроники во все возрастающей степени определяется особыми свойствами используемых материалов (проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических, магнитных), физика и техника которых 
становится электроникой нанометровых масштабов. 
Электронная техника находится в стадии интенсивного развития. Для нее характерно появление новых областей и создание новых направлений в уже существующих областях, при определении 
которых в качестве классификационного признака часто используются материалы (полупроводниковая электроника, диэлектрическая 
электроника, магнитоэлектроника, пьезотехника и другие). 
Эксплуатационные характеристики электронной техники определяются параметрами элементов, выполняющих определенные 
функции по отношению к электрической энергии. Различают активные компоненты (транзисторы, интегральные микросхемы и 
другие полупроводниковые приборы) и пассивные компоненты 
(конденсаторы, резисторы, индуктивные и коммутационные элементы). Наряду с усовершенствованием традиционных дискретных 
компонентов электронной техники ведутся интенсивные исследования в области разработки перспективных компонентов на новых 
физических принципах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ,  
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ 

1.1 Классификация материалов по электрическим  
и магнитным свойствам 

Свойства любого вещества можно разделить на четыре условных класса: механические, тепловые, электрические и магнитные. 
К механическим свойствам, отражающим внутренние связи 
между молекулами и атомами вещества, относятся упругость, 
прочность, твердость и вязкость. Тепловые свойства, обусловленные внутренней энергией движения молекул, атомов и валентных электронов, характеризуются тепловым расширением, теплоемкостью и теплопроводностью. К электрическим свойствам, 
обусловленным переносом и смещением электрических зарядов в 
веществе, относятся электропроводность, поляризация, поглощение 
энергии (потери) и электрическая прочность. Магнитные свойства, 
обусловленные упорядочением магнитных моментов электронов в 
веществе, характеризуются намагничиванием.  
Материалы электронной техники (МЭТ) принято классифицировать на функциональные и конструкционные [1, 2]. 
Под функциональными материалами следует понимать материалы, которые обеспечивают реализацию определенных функций 
в элементах электронной техники. Конструкционными называются 
материалы, предназначенные для реализации вспомогательных 
функций.  
Основной характеристикой материалов электронной техники 
является удельная электропроводность 


См/м

 – коэффициент 

пропорциональности между плотностью тока 
2
(А/м )
j
 и напря
женностью электрического поля 


В/м
E
 в законе Ома j
E
  . 

Удельная электропроводность зависит только от свойств материала. 
Для оценки электропроводности материала широко используется 

удельное электрическое сопротивление 


1
Ом м
 


. 

По реакции на внешнее электрическое поле функциональные 
МЭТ принято подразделять на проводники, полупроводники и ди

электрики [1]. Объективным критерием, по которому определя- 
ют принадлежность материала к той или иной группе, является 
удельное электрическое сопротивление  в нормальных условиях 
эксплуатации. Формально к проводникам относят материалы  
с удельным электрическим сопротивлением 
5
10
Ом м

 

, а к ди
электрикам – материалы, у которых 
8
10
Ом м
 

. Следует отметить, что удельное сопротивление хороших проводников электрического тока составляет 
8
10
Ом м


, а у лучших диэлектриков  

 превосходит значение 
16
10
Ом м

. Удельное сопротивление  
полупроводников в зависимости от строения и состава, а также от 
условий их эксплуатации может изменяться в очень широких пределах, а именно от 
5
10 до 
8
10
Ом м

.  
Проводниковые свойства проявляют металлы, металлические 
сплавы, графит (модификация углерода) и электролиты.  
Основным материалом высокой проводимости является медь 
(Cu, 
0,017 мкОм м
 

). После меди второй по значимости материал высокой проводимости – алюминий (Al, 
0,028 мкОм м
 

). 
Серебро (Ag) – металл с наиболее высокой электропроводностью из 
всех проводниковых материалов (
0,015 мкОм м
 

). 
Под полупроводниками чаще всего подразумевают совокупность наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые 
свойства которых четко выражены уже при комнатной темпера- 
туре: 
 элементы IV группы периодической системы Менделеева 
германий (Ge) и кремний (Si), которые как полупроводники в настоящее время наиболее полно изучены и широко применяются  
в полупроводниковой электронике; 
 соединения элементов III группы периодической системы 
(Al, Ga, In) с элементами V группы (P, As, Sb) – полупроводники 
типа AIIIBV (GaAs, InSb, GaP, InP и т.п.); 
 соединения элементов II и VI групп периодической систе- 
мы – полупроводники типа AIIBVI (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.); 
 элементы V группы As, Sb и Bi – полуметаллы, близкие  
по своим свойствам к полупроводникам, их ближайшие аналоги – 

соединения типа AIVBVI (PbS, PbTe, SnTe, GeTe и т.п.), которые образуют одну из наиболее важных групп полупроводников; 
 элементы VI группы Te и Se, полупроводниковые свойства 
которых были известны раньше, чем Ge и Si; 
 соединения элементов VI группы с переходными или редкоземельными металлами (Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и т.п.); 
 органические полупроводники – кристаллы и полимеры на 
основе соединений тетрацианодиметана TCNQ, комплексы на основе фталоцианита, перелина, виолантрена и др., имеющие при 
комнатной температуре удельную электрическую проводимость, 
сравнимую с проводимостью хороших неорганических полупроводников. 
К диэлектрическим материалам относят материалы с низкой 
электропроводностью, способные к поляризации в электрическом  
поле.  
Диэлектрики по способу использования подразделяются на 
пассивные и активные. 
Активными диэлектриками, или управляемыми, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят  
от воздействий различных векторных полей – электрического,  
магнитного, температурного, высокочастотного электромагнитного 
(свет), а также тензорных полей, например поля механических  
напряжений [3].  
К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и другие. Пассивные диэлектрики прежде всего 
применяют как электроизоляционные материалы. Основное требование, которое предъявляется к пассивным диэлектрикам, – сохранять свойства и параметры при внешних воздействиях, например 
высокую диэлектрическую проницаемость, малые диэлектрические 
потери, температурную и временную стабильность и т.п. 
Следует отметить, что строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может 
проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегнетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков. Кроме того, 
нет резкой границы между активными и пассивными диэлектриками – один и тот же материал в зависимости от условий эксплуата

ции может выполнять функции либо электроизоляционного материала, либо материальной среды, обеспечивающей непосредственное преобразование энергии и информации [3]. 
По реакции на внешнее магнитное поле материалы электронной техники можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. 
К диамагнетикам относят материалы, у которых магнитная 
восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности 
внешнего магнитного поля.  
Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения AIIIBV и AIIBVI, кремний, германий, а также ряд металлов (например, медь, серебро, золото, цинк, 
ртуть, галлий) и другие.  
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего 
магнитного поля.  
К ферромагнетикам относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью (порядка 
6
10 ), которая 
сильно зависит от напряженности магнитного поля и от темпера- 
туры.  
Парамагнетиками являются щелочные и щелочно-земельные 
металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, 
никеля, а также Al, Na, Mg, Ta, W и другие. 
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже 
определенной температуры спонтанно возникает антипараллельная 
ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов 
или ионов кристаллической решетки.  
При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен  
у хрома, марганца и ряда редкоземельных металлов (Ge, Nd, Sm, 
Tm и других). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной 
группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.  
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом.  

Подобно ферромагнетикам, они обладают высокой магнитной 
восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные 
металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты Mn-Fe2O3, BaO-6Fe2O3, 
Li2O-Fe2O3, (NiO-ZnO) Fe2O3 и другие. 
Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, где имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или 
нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем – бором, углеродом, кремнием или фосфором [4]. 
Применяемые в электронной технике магнитные материалы 
подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют магнитные материалы 
специального назначения. 
К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой 
c
H . К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Магнитомягкие материалы обладают способностью намагничиваться до 
насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. 
Условно магнитомягкими считают материалы, у которых 
c
H =  

= 800 А/м, а магнитотвердыми – 
c
H = 4000 А/м. Необходимо отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила 
может составлять менее 1 А/м, а у лучших магнитотвердых мате
риалах ее значение превышает 
5
5 10 А/м

 [5]. 
По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить магнитострикционные материалы.  
Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. Свойства магнитных материалов зависят от их  

химического состава, от чистоты используемого исходного сырья  
и технологии производства. В зависимости от исходного сырья  
и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на 
три группы: монолитные металлические материалы, порошковые 
металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные 
магнитные материалы [5]. 
 
1.2 Электропроводность твердых тел 

Различия в электрических свойствах твердых тел связаны со 
структурой и степенью заполнения электронами энергетических 
зон. 
Несмотря на то что энергетические зоны квазинепрерывны, они 
состоят пусть из очень большого, но конечного числа энергетиче- 
ских уровней. Число энергетических уровней в зоне определяется 
числом атомов N кристалла и орбитальным квантовым числом 

уровней
(2
1)
N
l
N


, 
0, 1, 2,
l 
  

На каждом энергетическом уровне в соответствии с принципом 
Паули могут располагаться не более двух электронов, обладающих 
противоположными спинами, поэтому общее количество электронов в энергетической зоне не превышает 2(2
1)
l
N

. 
Поскольку электроны стремятся занять энергетические уровни 
с наименьшей энергией, то в кристалле нижние энергетические зоны оказываются полностью заполненными, а самые верхние либо 
заполнены частично, либо свободны. 
Частично заполненная зона образуется, например, в кристалле 
натрия. Этот элемент имеет полностью заполненные 1s-, 2s- и 2pподуровни, на которых располагается в общей сложности 10 электронов. Соответствующие 1s-, 2s- и 2p-зоны в кристалле также будут полностью заполнены. Одиннадцатый валентный электрон в 
атоме натрия расположен на 3s-подуровне, на котором могут находиться 2 электрона. Следовательно, 3s-зона кристалла натрия заполнена электронами лишь наполовину. Зонная структура кристалла натрия приведена на рисунке 1.1, где полностью заполненные 
электронами зоны и часть 3s-зоны заштрихованы, а ширина запрещенной зоны обозначена 
g
E

. 

g
E


g
E

g
E

g
E


 
 
Рисунок 1.1 – Зонные структуры твердых тел 
 
Частично заполненная зона может образовываться в результате 
перекрытия полностью заполненной зоны с совершенно свободной 
зоной. Такую зонную структуру имеет, например, кристалл бериллия (см. рисунок 1.1), у которого перекрываются полностью заполненная 2s-зона и свободная 2p-зона.  
Структура энергетических зон кристалла оказывает решающее 
влияние на величину его электропроводности. Протекание электрического тока в кристаллах связано с увеличением импульса электронов в направлении, противоположном направлению напряженности электрического поля. 
Увеличение импульса электрона вызывает увеличение его волнового числа. Энергия и волновое число электрона связаны дисперсионным соотношением, поэтому увеличение волнового числа обязательно должно сопровождаться ростом энергии электрона.  
При напряженности электрического поля 
4
10 В/м на расстоянии средней длины свободного пробега электрона в кристалле 



8
~10
м

 электрон приобретает энергию, приблизительно равную 

4
10
эВ

. Такие значения энергии позволяют электрону переходить с 
одного энергетического уровня на другой только внутри одной 
энергетической зоны. Для перехода электрона из одной энергетической зоны в другую необходима энергия больше ширины запрещенной зоны, которая принимает значения 0,1–10 эВ. 
Таким образом, для высокой электропроводимости кристаллов 
необходимо присутствие в их энергетическом спектре частично  
заполненных энергетических зон, на свободные уровни которых