Основные характеристики материалов, применяемых в электронной технике.

Классификация и Свойства Электронных Материалов

Материалы, используемые в электронике, делятся на активные и пассивные. Пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие, не участвуют в преобразовании энергии. Активные компоненты, включая транзисторы, диоды, лазеры и прочее, участвуют в обработке информации. На практике, граница между этими категориями часто размыта, поскольку они реагируют на электрические и магнитные поля по-разному. Основное разделение материалов основано на их реакции на внешние электрические или магнитные поля, а также по их энергетическим характеристикам, структуре и типу. Существует множество подходов к классификации.

В зависимости от поведения в электрическом поле материалы разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники характеризуются высокой электропроводностью, их удельное сопротивление ρ ≤ 10^⁻5 Ом·м, что делает их незаменимыми в электротехнике. Проводники можно систематизировать по различным критериям приведённым ниже.

Классификация проводниковых материалов

Проводники являются ключевыми элементами в электронной технике, обеспечивая передачу электрического тока. Они классифицируются на три основные категории: металлы, сплавы металлов и неметаллические проводниковые материалы. Металлы характеризуются высокой удельной проводимостью, среди них выделяются такие как медь (Cu) и алюминий (Al), которые широко используются благодаря своей способности эффективно проводить электричество. Также к металлам относятся благородные металлы, включающие золото (Au), серебро (Ag), платину (Pt), обладающие не только высокой проводимостью, но и устойчивостью к коррозии, что делает их ценными в высокоточной электронике. Тугоплавкие металлы, такие как вольфрам (W), молибден (Mo), хром (Cr), и рений, используются в условиях высоких температур благодаря их высокой точке плавления. Есть также металлы со средней температурой плавления, например, железо (Fe) и никель (Ni), которые находят применение в различных сплавах и конструкциях.

Сплавы металлов включают в себя сплавы высокой проводимости, такие как манганин, состоящий из 86% меди, 12% марганца и 2% никеля, константан, содержащий 60% хрома и 40% никеля, и хромель, которые используются для создания резисторов и термопар благодаря их стабильным электрическим свойствам. Свинцовые сплавы, включающие Nb-Sn, Nb-Ga, Nb-Ge, применяются в сверхпроводниках, обеспечивая передачу тока без сопротивления при очень низких температурах.

Неметаллические проводниковые материалы охватывают углеродистые материалы, такие как графит, который используется в щетках электродвигателей и аккумуляторах. Композиционные проводящие материалы, например, контактолы, сочетают в себе графит и металлы, обеспечивая хорошую проводимость и механическую прочность. Также важную роль играют проводящие материалы на основе оксидов, такие как тонкие пленки диоксида олова (SnO₂) и оксида индия (In₂O₃), которые находят применение в сенсорных экранах и солнечных батареях благодаря их прозрачности и проводимости.

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы имеют проводимость, находящуюся между проводниками и изоляторами. Их характеристики определяются составом, концентрацией и видом добавок, а также внешними факторами, включая температуру, свет и прочие условия. Удельное сопротивление таких материалов может колебаться в диапазоне от 10^-5 до 10⁸ Ом·м в зависимости от их состава и условий использования.

Полупроводники делятся на две основные категории: неорганические и органические. В категории неорганических полупроводников находятся простые полупроводниковые вещества, такие как бор (B), углерод (C), кремний (Si), селен (Se), олово (Sn), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), теллур (Te), иод (I) и германий (Ge). Также сюда входят керамические материалы, включая карбид кремния (SiC), различные ферриты и сегнетоэлектрические оксиды. Химические соединения в этой категории разнообразны и включают бинарные соединения типов A²B⁵, такие как фосфид алюминия (AlP), мышьяк алюминия (AlAs), фосфид галлия (GaP), арсенид галлия (GaAs), и соединения типов A²B⁶, например, оксид цинка (ZnO), сульфид кадмия (CdS), селенид кадмия (CdSe), теллурид кадмия (CdTe), а также соединения типа A⁴B⁴, такие как карбид кремния (SiC). Кроме того, неорганические полупроводники включают оксиды металлов, например, оксид меди(I) (Cu₂O), оксид хрома(III) (Cr₂O₃), оксид ванадия(V) (V₂O₅), оксид никеля(II) (NiO), оксид кобальта(II) (CoO), оксид цинка (ZnO), оксид марганца(III) (Mn₂O₃), диоксид титана (TiO₂), и халькогениды, такие как сульфид свинца (PbS), селенид свинца (PbSe), теллурид свинца (PbTe), сульфид кадмия (CdS), селенид кадмия (CdSe), теллурид кадмия (CdTe). Также есть многоатомные соединения типов A³B⁶C², A²B⁴C⁴, A¹B⁵C⁶. И, наконец, в эту категорию входят стеклообразные материалы, такие как халькогенидные и оксидные стекла.

Что касается органических полупроводников, они включают натриевые соединения, виолантрен, антрацен, а также другие органические соединения и полимерные материалы. Эта категория обширна и охватывает широкий спектр веществ с различными свойствами и применениями.

Диэлектрические материалы

Диэлектрики характеризуются электрическим сопротивлением выше 10⁸ Ом·м, практически применяемые диэлектрики имеют сопротивление свыше 10¹⁰ Ом·м, что делает их ключевыми в электронных компонентах. При низких температурах многие полупроводники функционируют как изоляторы, при высоких — как проводники, демонстрируя роль металлических компонентов. Основой их функционирования является отсутствие свободных носителей заряда.

Механизм диэлектрического поведения основан на поляризации без свободных носителей, предотвращающей электропроводность. Поляризация — это выравнивание диполей под внешним электрическим полем.

Диэлектрики используются как в пассивных, так и в активных ролях, важны для конденсаторов и других электронных компонентов.

Их свойства применяются в изоляции схем и как диэлектрик в конденсаторах. Различия между активным и пассивным состояниями влияют на производительность. Идеальных пассивных диэлектриков нет; материалы могут варьировать от изолятора до активного элемента в зависимости от условий.

Классификация диэлектриков

Классификация диэлектриков включает несколько основных категорий: органические, кремнийорганические и неорганические. В категории органических диэлектриков выделяются полярные и неполярные материалы. Полярные органические диэлектрики делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные включают полиуретаны, полиэфиры, полиамиды, поликарбонаты, полиформальдегиды, полиимиды, полиэфиры и смолы, а также полиуретановые эластомеры. Термореактивные полярные органические диэлектрики охватывают фенолформальдегидные смолы, полиэфирные смолы, эпоксидные смолы, полиэфиры, аминопласты, силиконы и древесные пластики. Неполярные органические диэлектрики также подразделяются на термопластичные и термореактивные, включая в себя полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат и полиметилметакрилат.

Кремнийорганические диэлектрики делятся на полярные и неполярные, где обе категории могут быть термопластичными. К полярным относятся полиорганосилоксаны и полиорганосилоксаны с наполнителями, а к неполярным — те же материалы, но без явной поляризации.

Неорганические диэлектрики включают полярные и неполярные материалы. Полярные представлены стеклом, тогда как неполярные включают керамику и стекло.

Классификация активных диэлектриков

Классификация активных диэлектриков включает несколько категорий, каждая из которых имеет свои специфические материалы. Начнем с жидких кристаллов, которые служат основой для этой классификации. От них отходят различные типы активных диэлектриков:

• Пьезоэлектрики включают в себя материалы, такие как BaTiO₃, LiNbO₃, и различные пьезокерамики и другие.
• Пироэлектрики представлены LiNbO₃ и LiTaO₃.
• Параэлектрики включают SrTiO₃, KTaO₃, CdTiO₃.
• Сегнетоэлектрики охватывают BaTiO₃, KNbO₃, KIO₃, а также сегнетокерамику.
• Электреты состоят из веществ, таких как опреснек, лазурит, CaTiO₃, MgTiO₃.

Далее, в категории активных диэлектриков находятся:

• Электрооптические материалы, к которым относятся KNbO₄, кварц, LiNbO₃, LiTaO₃.
• Нелинейнооптические материалы.
• Материалы квантовой электроники, включающие рубин, рутил, гранит и другие.
• Сегнетоэлектропироэлектрики, к которым относится BaTiO₃ с примесями R3M.
• Полупроводниковые материалы, такие как ZnS, CdS и другие.

Активные диэлектрики классифицируются на несколько категорий, каждая из которых обладает уникальными свойствами, связанными с их взаимодействием с электрическими полями.

Пьезоэлектрики – это диэлектрики, которые генерируют электрический заряд в ответ на механическое напряжение, и наоборот, изменяют форму под воздействием электрического поля.

Пироэлектрики представляют собой материалы, демонстрирующие поляризацию, зависящую от температуры. Эти материалы обладают спонтанной поляризацией, которая изменяется с температурой.

Параэлектрики – это диэлектрики, у которых поляризация пропорциональна приложенному электрическому полю и исчезает при его отсутствии. Они не проявляют спонтанной поляризации.

Сегнетоэлектрики характеризуются высокой поляризацией, которая сохраняется даже после удаления внешнего электрического поля. Эти материалы обладают гистерезисом поляризации.

Электреты – это диэлектрики с постоянной поляризацией, аналогичной магнитной поляризации в ферромагнетиках, что позволяет им удерживать электрический заряд на поверхности.

Электрооптические материалы изменяют свои оптические свойства под действием электрического поля, что используется в различных оптоэлектронных устройствах.

Нелинейнооптические материалы обладают нелинейной зависимостью поляризации от электрического поля, что позволяет им использоваться в квантовой электронике для управления светом.

Материалы квантовой электроники включают вещества, такие как рубин и рутил, используемые для генерации и усиления когерентного света.

Сегнетоэлектропироэлектрики сочетают свойства сегнетоэлектриков и пироэлектриков, проявляя поляризацию, зависящую как от температуры, так и от электрического поля.

Полупроводниковые материалы в контексте диэлектриков включают такие вещества, как ZnS и CdS, которые могут изменять свои электрические свойства под влиянием света или других внешних факторов, что делает их полезными в оптоэлектронике.

По магнитным свойствам материалы делятся на диамагнетики (материалы проявляют отрицательную восприимчивость, μ < 1, и χ < 0), парамагнетики (μ > 1, и χ > 0), ферромагнетики (μ >> 1, ферромагнитное упорядочение).

Диамагнетики не обладают собственным магнитным моментом, и их атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитного момента.

Парамагнетики обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего магнитного поля эти моменты ориентированы хаотично, что приводит к отсутствию макроскопической намагниченности.

В ферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов выстраиваются параллельно друг другу, создавая спонтанную намагниченность. В ферромагнитных материалах магнитные моменты группируются в области, называемые доменами, где все спины атомов ориентированы одинаково, что приводит к макроскопической намагниченности материала.

Структурная и Агрегатная Классификация Материалов

Материалы в науке и технике классифицируются по различным критериям, среди которых агрегатное состояние и структура играют ключевую роль. Агрегатное состояние определяет физическое состояние вещества: твердое, жидкое или газообразное. Структура же относится к внутреннему устройству материала на микроскопическом уровне, включая расположение атомов или молекул.

Твердые Материалы

Монокристаллы

Это материалы, состоящие из одного кристаллического зерна, которое простирается на макроскопические расстояния. В монокристаллах атомы или ионы упорядочены в строгой периодической решетке, что придает им анизотропные свойства. Примеры включают кубические, ромбические, тетрагональные, триклинные, гексагональные и другие кристаллические системы. Анизотропия означает, что физические и химические свойства монокристаллов могут значительно отличаться в зависимости от направления в кристалле. Это свойство используется в различных приложениях, например, в оптике, где поляризация света может быть контролируема направлением кристаллической решетки.

Поликристаллы

Поликристаллические материалы состоят из множества мелких кристаллов (зерен), каждый из которых имеет свою ориентацию. Эти зерна могут быть случайно ориентированы, что приводит к изотропным свойствам, когда характеристики материала одинаковы во всех направлениях. Это свойство делает поликристаллы подходящими для многих инженерных применений, где однородность свойств важна, например, в металлургии и строительстве.

Аморфные материалы

В аморфных материалах атомы или молекулы не имеют строгого дальнего порядка, что делает их структуру хаотичной. Это приводит к отсутствию кристаллической решетки и, соответственно, к изотропным свойствам. Аморфные материалы, такие как стекло, обладают уникальными свойствами, например, высокой прозрачностью и отсутствием зернистости, что делает их ценными в оптике и электронике.

Смешанные материалы

Эти материалы представляют собой комбинацию аморфной матрицы с включениями кристаллических фаз. Такие материалы сочетают в себе свойства как аморфных, так и кристаллических компонентов, что позволяет создавать материалы с заданными характеристиками для специфических применений.

Жидкие и Газообразные Материалы

Жидкие материалы характеризуются отсутствием фиксированной формы, но сохранением объема. В них атомы или молекулы могут свободно перемещаться, что приводит к изотропным свойствам. Газообразные материалы не имеют ни формы, ни объема, их частицы движутся свободно и заполняют все доступное пространство.

Типы Связей в Твердых Материалах

• Ионная связь: Характерна для солей, где атомы связаны электростатическими силами между положительно и отрицательно заряженными ионами.
• Ковалентная (атомная) связь: Образуется за счет обмена электронами между атомами, создавая прочные связи, как в алмазе или кремнии.
• Металлическая связь: Связь между атомами в металлах, где электроны свободно перемещаются, создавая «облако» электронов, что обеспечивает высокую проводимость и пластичность.
• Молекулярная связь: Образуется за счет межмолекулярных сил, таких как водородные связи или диполь-дипольные взаимодействия, характерна для полимеров и некоторых органических соединений.