Полупроводниковые материалы

1. Какие типы керамики выделяют по применению и по какому параметру их подразделяют?

Классификация и свойства керамических материалов

     Керамические  материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить на установочные и конденсаторные.

     Установочную  керамику применяют для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных  деталей; опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, корпусов резисторов, каркасов индуктивных катушек, оснований электрических печей и др. Кроме того, из керамики изготавливают свыше 50% всех конденсаторов.

      По электрическим свойствам установочную и конденсаторную керамику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную. Из низкочастотных установочных материалов наиболее распространен изоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную кристаллическую фазу — муллит (3AI₂O₃-2SiO₂. Промежутки между кристаллическими зернами заполняются стекловидной фазой, возникающей за счет расплавления полевого шпата. Наличие стеклофазы обусловливает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницаемость, достаточно высокую электрическую и механическую прочность. Однако из-за большого содержания щелочных окислов в стеклофазе материал обладает значительными диэлектрическими потерями (tgδ ≈ 10^-2), что затрудняет его использование на высоких частотах.

     

Рнс. 1. Зависимость удельного    объемного    сопротивления от температуры: t — изоляторного   фарфора; S — радиофарфора

     Промежуточное положение между высокочастотными и низкочастотными диэлектриками занимает радиофарфор. Улучшение его электрических свойств по сравнению с изоляторным фарфором достигается путем введения в состав исходной шихты окиси бария, резко снижающей диэлектрические потери и проводимость стекловидной фазы. На рис - 1 показаны зависимости удельного объемного сопротивления от температуры, из которых видно, что удельное сопротивление радиофарфора 2 выше на два порядка удельного сопротивления изоляторного фарфора 1.

 

     В связи с высоким содержанием  глины (до 40%) радиофарфор отличается большой пластичностью массы, что позволяет изготавливать из него как мелкие, так и крупногабаритные изделия.

     Дальнейшим  усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группе материалов с высоким содержанием глинозема (более 80%).

     Глинозем, или окись алюминия, существует в  виде низкотемпературной γ- или высокотемпературной -модификации. Лучшими электрическими свойствами обладает -А1₂О₃ (корунд).

     Глинозем, используемый в производстве радиокерамики, содержит обе модификации, поэтому  производят предварительную его  обработку. Эта обработка сводится к обжигу его при температуре 1380—1420°С, когда γ-модификация переходит в *-модификацию с объемным сжатием до 14%. Предварительный обжиг глинозема значительно снижает усадочные коэффициенты изделия. Применение при обжиге глинозема специальных добавок, например, борной кислоты, заметно повышает содержание -глинозема.

     Ультрафарфор  является высокочастотным диэлектриком, в котором сочетаются низкие диэлектрические  потери с высокой механической прочностью и удовлетворительными для промышленного производства технологическими параметрами.

     Такое сочетание свойств во многом объясняется  наличием в нем бариевого стекла, которое, с одной стороны, способствует улучшению электрических свойств  материала, а с другой — ускоряет спекание, образуя жидкую фазу в процессе обжига. В результате удается получить плотную керамику при относительно невысоких температурах спекания (1360—1370°С).

     В качестве установочного материала  большое распространение получил  ультрафарфор УФ-46, отличающийся простотой  технологии и высокой пластичностью  массы.

     Материал  УФ-53 при достаточно хорошей пластичности обладает более высокими по сравнению  с УФ-46 электрическими свойствами (рис. 2) и механической прочностью и предназначается для установочных деталей и конденсаторов, к которым предъявляются повышенные требования. Последующие разработки керамики типа ультрафарфора обладают еще более благоприятным комплексом электрических и физико-механических свойств.

     Корундовая  керамика с содержанием глинозема 95—99% получила название алюминоксида. Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот  и при повышенных температурах (рис. 2),  обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600°С), а также большой механической прочностью и хорошей теплопро водностью. Удельная теплопроводность алюминоксида в 10—20 раз выше, чем у изоляторного фарфора. Однако он имеет неблагоприятные технологические характеристики, обладает большой абразивностью, непластичен, отличается высокой температурой спекания (до 1750°С). Высокая абразивность затрудняет механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.

     Керамика  из алюминоксида используется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек интегральных микросхем. Из нее изготавливают также внутриламповые изоляторы с пористой структурой. Пористая керамика выгодна тем, что при концентрации металлического геттера, используемого для получения высокого вакуума, а также при осаждении паров бария и тория, возникающих при работе катода электронных ламп, на поверхности керамических внутриламповых изоляторов не образуется сплошной токопроводящей пленки. Кроме того, пористая керамика легко выдерживает значительные перепады температур, которые неизбежны при изготовлении электровакуумного прибора.

Рис. 2. Температурная зависимость tgδ основных видов плотной установочной радиокерамики при f = 1 МГц:

1 — радиофарфор: 2 — ультрафарфор УФ-46; 3 — стеатит; 4—шпинелевая керамика: 5— ультрафарфор УФ-53;    6—цельзиановая керамика:                        7 — алюмииоксид

     Разновидностью  алюминоксида является поликор, обладающий особо плотной структурой (его  плотность близка к рентгеновской  плотности Al₂O)₃). В отличие от обычной корундовой керамики поликор прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных источников света. Благодаря высокой плотности поликора можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. Поэтому поликор является ценным материалом для осаждения пассивных элементов гибридных интегральных микросхем.

     Существенным  преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными и  ситалловыми является их высокая  теплопроводность. Скорость отвода теплоты  от тонкопленочных элементов во многом определяет допустимые значения рассеиваемой в них электрической мощности. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью [200—250 Вт/(м∙К)] обладает окись бериллия. Керамика на основе окиси бериллия (95—99% ВеО) получила название брокерита. Ее теплопроводность в 200—250 раз превышает теплопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же она имеет высокие электрические параметры: ρ = 10¹⁶ Ом∙м, tgδ ≤ 3∙10^-4 (на частоте 1 МГц). Металлизация изделий из брокерита обеспечивает получение вакуумных спаев керамики с медью и коваром.

     Помимо  подложек для интегральных микросхем  брокеритовую керамику применяют в особо мощных приборах СВЧ. Недостатком этого материала является токсичность порошкообразной ВеО, что требует соблюдения строгих мер техники безопасности на всех этапах технологического цикла изготовления керамических изделий.

     Низкими диэлектрическими потерями в диапазоне  радиочастот обладает также цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая  керамика. В состав цельзиановой керамики входят предварительно синтезированное  соединение BaO∙Al₂O₃∙2Si0₂, называемое цельзианом, углекислый барий ВаСО₃ и каолин (Al₂O₃∙2Si0₂∙2H₂O), которые при обжиге изделий образуют дополнительно кристаллическую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло.

     Характерными  особенностями цельзиановой керамики являются очень низкий температурный  коэффициент линейного расширения (2∙10^-6 К^-1), незначительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (6∙10^-5 К^-1) и повышенная по сравнению с другими керамическими материалами электрическая прочность (до 45 МВ/м). В нормальных условиях преобладает электронная электропроводность; ионная составляющая электропроводности становится значительной лишь при температурах свыше 600°С.

     Цельзиановую  керамику используют для изготовления каркасов высокостабильных индуктивных  катушек, изоляторов и высокочастотных  конденсаторов большой реактивной мощности.

     Технологические характеристики цельзиановой керамики достаточно благоприятны, масса пластична, температура ее спекания невысока. Недостатком цельзиановой керамики является сравнительно небольшая механическая прочность.

     Стеатитовую керамику получают на основе природного минерала — талька (3MgO∙4Si0₂∙H₂0), который отличается высокой пластичностью. Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге заготовок, является клиноэнстатит (MgO∙SiO₂). Преимуществами стеатитовой керамики являются ее малая абразивность и незначительная усадка при обжиге (1,0—1,5%). Поэтому из нее можно изготавливать мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатит применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной керамики для внутриламповых изоляторов.

     Недостатком стеатита является невысокая стойкость  к резким изменениям температуры и очень узкий температурный интервал спекания (1330—1350°С). При низкой температуре обжига изделие получается пористым с пониженной механической прочностью. При превышении температуры наблюдается резкое возрастание количества жидкой фазы в черепке, сопровождаемое снижением ее вязкости. В результате, изделия из тальковой керамики легко деформируются при обжиге. 

    

2. Чему  равна энергия  активации фотоносителей в собственном полупроводнике?

     Фотопроводимостью называют увеличение электрической  проводимости вещества под действием  электромагнитного излучения, в том числе света.

      При поглощении света собственным полупроводником  энергия    фотона   Е_ф захватывается    электроном    валентной    зоны (рисунок 1), и если при этом , где h – постоянная Планка; ν, λ - частота и длина волны падающего света, с - скорость света в вакууме, то электрон, поглотивший фотон, способен перейти из зоны проводимости в свободную зону. В результате образуется электронно-дырочная пара свободных носителей заряда, называемых фотоносителями, которые при приложении внешнего поля обеспечивают появление фототока I_ф. Образование фотоносителей и появление фотопроводимости называется внутренним фотоэффектом. 

 

3. Запишите  и поясните формулу  для расчета температурного коэффициента удельного  сопротивления.

 

Математически температурный коэффициент TК_ρ определяется выражением: 
 
 

     Он  может быть как положительным  для чистых металлов, так и отрицательным  для некоторых сплавов и для  металлов находится в пределах (2-6) ∙ 10^-3 К^-1.

     Температурный коэффициент удельного  сопротивления  ТК_ρ характеризует изменение сопротивления материала при изменении температуры, У металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается вследствие уменьшения подвижности электронов за счет рассеяния энергии на тепловых колебаниях решетки. Количественной мерой изменения удельного сопротивления при изменении температуры является ТК_ρ. Он показывает, во сколько раз изменяется удельное сопротивление ρ при изменении температуры на один градус. 
 

 

Контрольный вопрос 

Диэлектрики. Основное свойство диэлектриков и количественный параметр основного  свойства.

     Диэлектриком  называется вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.