Материалы и компоненты электронной техники

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством  которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические  заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом  поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные  заряды, которые перемещаясь в  электрическом поле, обусловливают  электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в  диэлектрике невелико, поэтому ток  мал.

Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектрики  называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых  можно регулировать, изменяя напряженность  электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу  их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом

и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых

входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем  составе углерода.

Из многообразия свойств  диэлектриков, определяющих их техническое  применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические  потери, электрическая прочность  и электрическое старение.

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток  называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом  поле, могут быть ионы (положительные  и отрицательные), электроны и  электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную для  перехода в зону проводимости электроны  могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в  диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных  зарядов (ионов и электронов) в  результате ударной ионизации, когда  энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации,

сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся

в таких диэлектриках дефекты  и примеси. Образовавшиеся таким

образом ионы определяют низкотемпературную примесную область

электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном  воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей  скоростью, так как

число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и  примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется

высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать  загрязняющие компоненты, в частности  влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их

называют гидрофильными  в отличие от гидрофобных, которые не

смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает  поверхностное

сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость  и поляризованность. На рис. 1

изображены два плоских  конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис. 1, а) между

электродами вакуум, в конденсаторе (рис. 1, б) – диэлектрик. Если

электрическое напряжение на электродах U , то напряженность электрического поля E = U / h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рис. 1, а –

квадраты).

В электрическом поле в  частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные  заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим

моментом: m = ql, где q – суммарный положительный (и численно

равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l – расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных  зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд.

Суммарный полный заряд в  конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0+

+ Qд = erQ0, где er – относительная диэлектрическая проницаемость.

 

Рис.1

 

 

Задача №10 (10-1, 10-4)

Рассчитать удельную проводимость σ_n, σ_p примесного полупроводника по заданной концентрации примеси N_Д, N_А. Сравнить полученные значения, считая примесь донорной, а затем акцепторной. Объяснить разницу полученных значений σ_n, σ_p.

Варианты  материалов и концентраций примеси:

1. GaAs, N = 5∙10²⁰ м^-3

           4. CdTe, N = 5∙10²¹ м^-3.  

 

Удельную проводимость примесного полупроводника рассчитываем по формулам:

 

Для полупроводника n-типа

Для полупроводника p-типа

Справочные данные о подвижности  зарядов:

 GaAs 

Соответственно:                                                                      

                               

     CdTe 

Соответственно:                                                                      

                               

Сравнивая полученные значения проводимостей определяем, что ее значение определяется в данном случае подвижностью зарядов, которая значительно выше у электронов.

 

Список литературы

 

1.   Казанцев, А. П.,  Электротехнологические материалы: учеб. пособие / А. П. Казанцев. –  Мн.: Дизайн ПРО, 1988, 2001 г.
2. Пасынков, В. В., Материалы электронной техники: учеб. пособие /   В. В.Пасынков – М.: ВШ., 1980 г.
3. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники В. В.  Пасынков, В. С. Сорокин, – М., ВШ., 1986 г., «Лань», 2003 г.
4. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы /А. А. Преображенский – М.: ВШ., 1976 г.
5. Степаненко, И. П.  Основы микроэлектроники / Степаненко И. П. – М., Сов. радио,    1980 г., М.: 2003 г.
6. Березин, А. С. Технология и конструирование интегральных микросхем /  А. С. Березин, О. Р. Мочалнина – М.: «Радиосвязь», 1983 г.
7. Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты, электроника /     К. С. Петров  СПб.: 2004 г.