Основные материалы, используемые в микроэлектронике, электронике и оптоэлектронике. Состав и структура материалов. Определение понятия кристаллической решетки. Сопоставление трех классов твердых тел с пространственным распределением электронов в них.
Аннотация к работе
1. Основные положения и определения 1.1 Состав и структура материалов 2. Материалы радио-, опто- и микроэлектроники 2.1 Терминология и определения 2.2 Кристаллическая решетка 2.3 Потребительские свойства и эксплуатационные характеристики материалов 2.4 Основная классификация материалов Литература микроэлектроника материал кристаллический решетка Введение За несколько десятилетий, прошедших со времени изобретения транзистора (1948 г. Шокли, Браттен, Бардин), создано производство микроэлектронных и оптоэлектронных устройств, основанное на использовании монокристаллов высокой чистоты. Прогресс полупроводников стимулировал совершенствование диэлектрических и полупроводниковых материалов, без которых невозможно ни изготовление ИС, оптоэлектроники, ни коммутации в составе устройств и аппаратуры. Успехи технологии получения широкого класса полупроводниковых соединений АIIIВV, АIIВVI и др. связаны с развитием эпитаксиальных методов, которые обеспечивают не просто получение полупроводниковых монокристаллических материалов, а почти завершённое изготовление приборов уже в процессе кристаллизации. Кроме того, центр тяжести в использовании полупроводниковых соединений за последнее время переместился с традиционных элементов и схем полупроводниковой электроники (дискретные элементы, ИС, БИС, СБИС, где господствующее положение занимает Si) на новые устройства - инжекционные лазеры, светоизлучающие диоды, СВЧ-генераторы, формирователи и преобразователи изображения, фотокатоды и, наконец, на элементы интегральной оптики. Отличительной особенностью этой области электроники является то, что здесь основной физический процесс предполагает, по меньшей мере, одно превращение электрического сигнала в световой или светового в электрический (переход электрон - фотон), т.е. электроника переходит в фотонику. Оно характеризуется химическим составом и не ограничивается внешней формой (примеры: сталь, медь, Si, полиэтилен, корунд и др.) Процесс переработки сырья в изделия можно представить схемой рис. 1.1. Рис. 1.1 Достижения в области создания материалов с совершенно новыми или экстремальными свойствами имеют не только экономическое значение, но и престижное - свидетельствующее о высоком уровне науки и технике, и стратегическое, так как они расширяют возможность важных оборонительных (оптоэлектронных и микроэлектронных) систем и устройств. Сегодня на одном кристалле размещают от 100000 ключей до 10?106, при этом достигнуты следующие параметры: Lканала = 0,07 мкм, (активная область полевого транзистора); Dслоя = 0,1 - 2 мкм Si, GaAs, SiC (эпитаксия, гетероэпитаксия). Рис. 1.2 1.1 Состав и структура материалов Все простые вещества в природе делятся на металлы, полуметаллы и не металлы (80 из 103 известных элементов - металлы). Только Cu, Au, Ag, Al, Cr, Ni, Ti, Cr, W и V используются в электронике и оптотехнике в элементарном состоянии. Так, энергия связи (энергия необходимая для разделения твердого тела на отдельные атомы или молекулы) позволяет выделить лишь наименее прочную связь - молекулярную (10 кДж/моль). Более четкое разделение вещества, особенно по их электрическим свойствам, позволяет провести распределение электронов, т.е. способ, которым атомы делят между собой валентные электроны (рис. 1.4). Параметр - ширина запрещенной зоны Si постоянна и равна 1,12 эВ, а удельное сопротивление от 10-3 до 104 Ом•см. Модуль продольной упругости (модуль Юнга Е? [Па]) - отношение нормального механического напряжения ?? к соответствующей относительной линейной деформации в пределах упругого участка растяжения (сжатия): Е? = ??x/?x - коэффициент Пуассона, µ? - отношение относительного поперечного сжатия (расширения) образца к относительному продольному удлинению (сжатию): µ? = (?d/d)/(?l/l) - прочность - сопротивление механическому разрушению (изгибу, сжатию, растяжению, удару, сдвигу); - предел прочности [Па] - при изгибе, сжатии, растяжении условное механическое напряжение, предшествующее разрушению образца или изменению размеров больше установленного допуска; прочность на удар [Дж/м2] - максимальная работа на единицу поверхности при разрушении образца на ударе; - модуль сдвига G [Па] - характеризует сопротивление материала деформации сдвига (скола).