6. Практические занятия и самостоятельная работа студентов

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
«Факультет электроники и телекоммуникаций»
Программа дисциплины «Материалы электронной техники »
для направления/ 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» подготовки бакалавра
Авторы программы:
от кафедры МТМиТ: Васильевский Владимир Викторович, доцент, vvasil@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры Микросистемной техники, материаловедения и технологий
«_29»_августа_ 2013 г.
Зав. кафедрой В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС по электронике «___»___________2013 г.
Председатель С.У.Увайсов
Утверждена УС факультета электроники и телекоммуникаций «___»___________2013 г.
Ученый секретарь В.П.Симонов
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины
Научить студентов правильно оценивать и выбирать материалы для создания устройств электроники, обеспечивающие их надежность, долговечность, оптимальные массогабаритные и экономические характеристики на основе знания структуры и свойств материалов, а также методов воздействия на них.
1.
Установление зависимости между составом, структурой и свойствами материалов,
2.
Изучение физической природы явлений, происходящих в проводниковых, резистивных, полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и других материалах, используемых в электронике, при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;
3. Изучение основных групп материалов, их свойств и областей применения.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков,
полученных в ходе изучения дисциплин «Химия» «Физика», «Физика
твёрдого тела». Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
ОК-10 – Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы
математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
ПК-1 – Способность представлять адекватную современному уровню
знаний научную картину мира на основе знания основных положений,
законов и методов естественных наук и математики.
ПК-2 – Способность выявлять естественно-научную сущность проблем,
возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их
решения соответствующий физико-математический аппарат.
ПК-6 – Способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования,
использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и
технологии.
2
ПК-14 – Способность выполнять работы по технологической подготовке
производства материалов и изделий электронной техники.
ПК-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники.
ПК-21 – Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций.
Дисциплина «Материалы электронной техники» является предшествующей для
изучения дисциплины »"Электронно- и ионнолучевое оборудова
ние":"Оборудование для получения тонкоплёночных структур" и "Методы исследования материалов и структур микро- и наноэлектроники"
.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физическую сущность явлений, происходящих в материалах
в условиях производства и эксплуатации; их взаимосвязь со свойствами; основные свойства современных материалов;
Уметь: оценивать поведение материала и причины отказов устройств
электроники при воздействии на них различных эксплуатационных факторов: обоснованно выбирать материал и при необходимости его обработку
для получения необходимой структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность элементов электронной техники;
Владеть: навыками выбора материалов различного назначения, а
также работы с приборами, позволяющими определять свойства и оцени
ния; рассчитывать ионно-легированные профили распределения примесей; качественно определять траекторию электронного пучка в сложном
электрическом поле; анализировать и выбирать элементную базу элионного
оборудования; оценивать применение элионного оборудования в новых областях техники и технологий.
3
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Всего
часов
Модули
1
2
Общая трудоемкость дисциплины
126
Аудиторные занятия (всего)
64
40
24
Лекции
72
36
36
Практические занятия (ПЗ)
28
1,8
3
-
В том числе:
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
62
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Промежуточная аттестация (экзамен ,зачет)
Общая трудоемкость
часы
108,4
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ Наименование
Содержание раздела
п/п раздела дисциплины
1. Проводнико- Классификация материалов по составу, свойствам и
назначению. Строение материалов. Дефекты кристалливые и резического строения. Кристаллизация.
4
стивные материалы
2.
Магнитные
материалы.
Классификация, комплекс требований, предъявляемых к проводниковым материалам различного назначения: электропроводность, теплопроводность, механические, коррозионные свойства, стабильность по
температуре и во времени, технологические свойства
и т.п.
Факторы, влияющие на электропроводность. Использование измерений удельного электросопротивления для
исследований изменений структуры материалов в результате их обработки.
Металлы и сплавы для проводников, основные требования. Медь, влияние примесей, способы упрочнения. Проводниковые сплавы на основе меди. Серебро,
золото, платина, никель и сплавы на их основе.
Металлы и сплавы высокого электросопротивления,
назначение и основные требования.
Сплавы для резисторов постоянных и переменных.
Углеродистые и безуглеродистые пленочные резисторы.
Сплавы для нагревателей на никелевой, железной основе, на основе тугоплавких
металлов, платины.
Материалы для микросхем, Фильерный и литой микропровод. Особенности тонкопленочных материалов
для резисторов и проводников, понятие о принципах
получения, основные параметры, определяющие совместимость материалов, в том числе в интегральных
микросхемах: КТР. адгезии, диффузионные характеристики и т.д.
Контактные материалы для разрывных и скользящих
контактов. Криопроводники. Особенности свойств и
принцип получения.
Понятие о сверхпроводниках: параметры, сверхпроводящие материалы, применение для создания магнитных полей большой мощности. Эффект Джозефсона и
устройства на его основе для создания сверхпроводников для ЗУ.
Классификация материалов по их отношению к магнитному полю. Ферромагнитные материалы. Обменное
взаимодействие. Доменная структура, магнитная анизотропия. Намагничивание и перемагничивание, магнитный гистерезис, влияние структуры. Магнитные
свойства в переменных полях, потери на перемагничивание. Магнитная проницаемость. Зависимость магнитных свойств от температуры, точка Кюри.
2.1 Магнитно-мягкие материалы. Металлические магнитно-мягкие материалы: структура, свойства, особенности обработки. Сталь, железо-никелевые, железокобальтовые и железо-алюминиевые сплавы. Магнитно-мягкие ферриты.
5
3.
Полупроводниковые
материалы.
2.2 Магнитно-твердые материалы. Металлические
магнитно-твердые материалы; структура, свойства,
особенности обработки. Магнитно-твердые ферриты.
Интерметаллические магнитно-твердые материалы.
Материалы для записи и хранения информации.
2.3. Магнитные материалы се специальными свойствами.
Физико-химическая природа полупроводимости — 4ч.
Критерии, описывающие общие свойства полупроводников. Типы химической связи и механизмы переноса
носителей заряда в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Температурные коэффициенты электросопротивления, Ковалентная связь, гибридизация волновых функций валентных электронов в полупроводниках. Кристаллическая структура моноатомных полупроводников 1VB – V11B трупп. Сильные и слабые
связи в полупроводниках, гетеродесмия, анизотропия
свойств монокристаллов. Особенности свойств и применения полупроводников в микроэлектронных
устройствах (МЭУ). Моноатомные алмазоподобные
полупроводники. Аллотропические формы углерода,
различия в схемах их гибридизации и в свойствах.
Природные и синтетические алмазы, собственные и
примесные, безазотные и азотные, нелегированные и
легированные. Структура, свойства и применение в
электронике полупроводниковых алмазов. Углеродные
и алмазные пленки, их формирование и
применение. Германий и кремний. Требования к германию и кремнию, предназначенным для изготовления МЭУ, Исходные материалы для получения чистых
германия и кремния, общее описание технологии их
переработки. Получение объемных поликристаллов.
Способы получения монокристаллов. Фазовые диаграммы равновесия полупроводник-примесь. Макродиаграммы. Вырожденная эвтектика, солидус, их природа. Качественные характеристики растворимости
примеси в полупроводниках: равновесный коэффициент растворимости, его практическое значение, эффективный коэффициент растворимости. Нелегированные
и легированные полупроводники. Получение и свойства монокристаллов германия и кремния. Высокочистый и высокосовершенный монокристалл. Получение
монокристаллов германия, кремния методами направленной кристаллизации, зонного переплава и Чохральского. Принципы, этапы, результаты. Параметры,
определяющие качество монокристаллов германия и
кремния, принципы их определения в соответствии со
стандартом. Система обозначений монокристаллов
6
германия и кремния в соответствии со стандартом.
Поведение примесей в моноатомных алмазоподобных
полупроводниках. Изовалентные и неизовалентные
примеси в германии и кремнии, их поведение: мелкие
и глубокие, медленные и быстрые. Собственные и
примесные полупроводники. Слабо, средне и сильно
легированные германий и кремний, влияние степени
легирования на комплексы их электрофизических характеристик при нормальной и повышенной температурах. Особенности диффузии примесей в германии и
кремнии: корреляция коэффициента диффузии примеси с пределом ее растворимости и коэффициентом ее
распределения. Направления применения германия и
кремния в'МЭУ. Дефекты в алмазоподобных моноатомных полупроводниках. Классификация дефектов
в германии и кремнии в соответствии со стандартом.
Макро- и микродефекты. Структурные и кристаллические дефекты. Способы их выявления, их влияние на
электрофизические параметры полупроводников и характеристики полупроводниковых приборов и МЭУ.
Общие представления об электронике дефектов и требования к материалам для микроэлектроники по степени совершенства кристаллической структуры. Точечные дефекты в алмазоподобных полупроводниках.
Происхождение точечных дефектов, их поведение,
комплексообразование и влияние на свойства полупроводников.
Линейные дефекты в алмазоподобных полупроводниках. Дислокации в алмазоподобных полупроводниках.
Типы дислокаций и их системы скольжения. Энергетика и электроника дислокаций, их влияние на энергию кристалла и его зонную структуру. Плотность
дислокаций, методы их наблюдения и определения
плотности, скольжение и взаимодействие дислокаций
между собой и с дефектами других типов. Хрупкость
и пластичность алмазоподобных полупроводников.
Контролируемое
использование
дислокационной
структуры полупроводников в технологии МЭУ: геттерирование быстрых примесей, резка монокристаллов, скрайбирование пластин и пр. Пленочные алмазоподобные моноатомные полупроводники. Получение, характеристики" и применение в микроэлектронике эпитаксиальных пленок кремния. Автоэпитаксйальные и гетероэпитаксиальные структуры. Проблемы автолегирования .эпитаксиальных пленок. Дефекты эпитаксиальных кремниевых структур, возможности предотвращения их образования и уменьшения их плотности посредством постэпитаксиальной
обработки. Примеры обозначений кремниевых эпитаксиальных структур. Структуры «кремний на сапфире». Получение и свойства монокристаллического
сапфира, особенности характеристик и применения
структур КНС. Поликристаллические пленки кремния.
7
Получение, морфология, свойства и применение в
микроэлектронике нелегированных и легированных
поликристаллических пленок кремния. Аморфные
пленки кремния. Стеклообразное и аморфное состояние слоев кремния. Получение, морфология, характеристики и применение в микроэлектронике аморфных
негидрогенизированных и гидрогенизированных нелегированных и легированных слоев аморфного кремния. Пористый кремний. Методика получения пористых слоев на монолитной подложке кремния. Особенности морфологии пористого кремния. Свойства
пористых кремниевых слоев, их применение в фотолюминисцентных и иных кремниевых МЭУ. Нитевидные кристаллы кремния. Получение, строение, свойства и применение нитевидных кристаллов-«усов»
кремния, Алмазоподобные полупроводниковые соединения. Принципы формирования полупроводниковых соединений (ППС) типа АВ: «несимметричные»
и «симметричные» ППС. «Симметричные» ППС:
образование, кристаллическое строение, схема гибридизации, зонная структура. Сфалерит, вюрцит, политипы. Электронная концентрация ППС. ППС типа АВ
и АВ: составляющие их химической связи, влияние
соотношения составляющих связи на зонную структуру и комплекс электрофизических параметров ППС.
Фазовые диаграммы равновесия двойных ППС типа
АВ и АВ. Стехеометрия и нестехиометрия, их влияние
на зарядовое состояние ППC. Поведение примесей в
ППС типа АВ и АВ. Замещение ППС типа АВ – принцип замещения и закономерности изменения свойств в
твердых растворах на основе соединений АВ и АВ.
Нелегированные и легированные незамещенные и замещенные соединения типа АВ и АВ. Система обозначений объемных монокристаллов ППС типа АВ.
Гетероэпитаксиальные структуры на основе ППС типа
АВ. Получение, электрофизические и оптические
свойства и применение гетероструктур с использованием трех-, четырех-, пяти- и шестикомпонентных нелегированных и легированных твердых растворов на
базе соединений АВ, Система обозначений гетероэпитаксиальных структур на базе соединений АВ. Полупроводниковые сверхрешетки. Поверхностные эффекты в полупроводниках. Понятие о критической
толщине полупроводниковой пленки, приводящей к
образованию поверхностей псевдоморфной сверхрешетки. Сверхрешетки с чередующимся узкозонными и
широкозонными, нелегированными и легированными,
ненапряженными и напряженными слоями. Закономерности изменения зонных структур сверхрешеток.
Квантовые эффекты в сверхрешетках, их влияние на
электрофизические параметры отдельных типов
сверхрешеток. Применение сверхрешеток в устройствах микроэлектроники и наноэлектроники. Другие
8
4.
. Диэлектрические материалы.
типы полупроводниковых соединений. Соединения
типа АВ и АВ, оксидные ППС, халькогенидные стеклообразные ППС и др. Тройные ППС. Принципы
формирования тройных ППС ABC тетраэдрического
типа.
Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Диэлектрическая проницаемость, ее зависимость от температуры и частоты внешнего поля. Полярные и неполярные диэлектрики. Электропроводность диэлектриков. Удельное объемное и поверхностное сопротивление, их зависимость от структуры материала, температуры и других факторов. Диэлектрические потери, их
виды и характеристики: активная мощность, угол и
тангенс угла диэлектрических потерь, их температурно-частотные зависимости. Пробой и электрическая
прочность диэлектриков. Зависимость электрической
прочности от структуры материала, его толщины, однородности электрического поля и других факторов.
Стойкость диэлектриков к эксплуатационным условиям: механическим нагрузкам, температуре, влажности,
химическим реагентам. излучению и т.д.
4.1. Электроизоляционные и конденсаторные материалы, Полимеры, пластмассы, композиционные материалы, лаки эмали, компаунды, эластомеры, стекла, ситаллы, керамика.
4.2. Активные диэлектрики. Материалы твердотельных лазеров, сегнето- и пьезоэлектрики, электреты,
жидкокристаллические материалы. Материалы со специальными свойствами
6. Практические занятия и самостоятельная работа студентов
Практические занятия (ПЗ) представляют собой лабораторный практикум.
Самостоятельная работа студентов (СРС) — дополнение ко всем темам лекционного курса.
6. 1. Лабораторный практикум
№
п/
п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ
9
Трудоемкость
(часы)
1
1
2.
2
Металлографический анализ металлов и сплавов
Электрические свойства металлов и сплавов
4,5
4,5
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Пасынков В.В., Сорокин B.C., Материалы электронной техники, М,:
«Высшая школа», 1986.267с.
2. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. М.: «Энергия». 1981.
3. Горелик С.С., Дашевский М.Я.. Материаловедение полупроводников и
диэлектриков. М.: «Металлургия», 1988. 574 с.
4. . Вульф Б.К. Диэлектрические материалы. М: МИЭМ, 1974. 254 с.
5. Материалы для производства изделий электронной техники. Г.Н.
Кадыкова, Г.С. Фонарев и др. М.: «Высшая школа», 1986. 247 с.
6. Электрорадиоматериалы, Под ред. Б.М.Тареева. М,: «Высшая школа»,
1978. 336 с, Кадыкова Г.Н.. Магнитные материалы в радиоэлектронике.
М: МИЭМ, 1970. 111с.
7. Кабанова Т. А.. Электрофизические свойства твердых диэлектрических
материалов. М: МИЭМ, 2000, 78 с,
б) дополнительная литература
8. Конструкционные свойства пластмасс (физико-химические основы
применения). Под ред. Э. Бэра. М.: «Химия», 1967. 463 с.
9. Марихин В, А., Мясникова Л,П„ Надмолекулярная структура полиме
ров. Л,: «Химия», 1977. 238 с.
10. Кадыкова Г.Н.. Сверхпроводящие материалы. М: МИЭМ. 1990. 36 с.
11. Кабанова Т.А., Воздействие ионизирующих излучений на электрофизические свойства диэлектриков, М: МИЭМ, 1998. 58 6.
в) программное обеспечение
Не используются
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Не используются.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория металлографического анализа: металломикроскопы, коллекции металлографических шлифов, альбомы микрофотографий, плакаты с изображениями фазовых диаграмм равновесия, Периодическая
10
система химических элементов, проекционный телевизор с компьютерным управлением.
Лаборатория физических свойств материалов: установка бесконтактного
электродинамического измерения поверхностного электрического сопротивления тонких резистивных пленок на ситалловых подложках,
комплект образцов, персональный компьютер; установка трансформаторного типа для измерения петли магнитного гистерезиса магнитномягких материалов, комплект образцов, персональный компьютер.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по
направлению подготовки 210100.62 - Электроника и наноэлектроника.
11