Программа дисциплины «Материалы электронной техники»  для направления

ч. 1


Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"

Московский институт электроники и математики Национального

исследовательского университета "Высшая школа экономики"


Факультет электроники и телекоммуникаций

Программа дисциплины «Материалы электронной техники»


для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемной техники»

подготовки бакалавра

Автор программы:

Васильевский В.В. доцент vvasil@hse.ru

Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «_29_»_августа_ 2013 г

Зав. кафедрой Кулагин В.П.

Рекомендована секцией УМС по электронике «___»____________ 20 г

Председатель С.У.Увайсов

Утверждена УС факультета электроники и телекоммуникаций «___»_____________20 г.

Ученый секретарь В.П.Симонов ________________ [подпись]

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.

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.


4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы


Всего часов / зачетных единиц

Семестры

5




-

Общая трудоемкость дисциплины

117,6










Аудиторные занятия (всего)

108










В том числе:













Лекции

72

72







Практические занятия (ПЗ)

36

36







Семинары (С)













Лабораторные работы (ЛР)












Самостоятельная работа (всего)

36

36







В том числе:













Курсовой проект (работа)

24

24







Расчетно-графические работы













Реферат













Другие виды самостоятельной работы

7,2

7,2






















Промежуточная аттестация (экзамен ,зачет)




2,4








5. Содержание дисциплины

5.1. Содержание разделов дисциплины

№ п/п

Наименование раздела дисциплины

Содержание раздела

1.

Проводниковые и резистивные материалы

Классификация материалов по составу, свойствам и назначению. Строение материалов. Дефекты кристаллического строения. Кристаллизация.

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.


2.

Магнитные материалы.


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, железо-кобальтовые и железо-алюминиевые сплавы. Магнитно-мягкие ферриты.

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.



3.

Полупроводниковые материалы.

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 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. 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 типы полупроводниковых соединений. Соединения типа АВ и АВ, оксидные ППС, халькогенидные стеклообразные ППС и др. Тройные ППС. Принципы формирования тройных ППС ABC тетраэдрического типа.


4.

. Диэлектрические материалы.

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. Лабораторный практикум


№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

Трудо-емкость

(часы)


1

1

Металлографический анализ металлов и сплавов

4,5

2.

2

Электрические свойства металлов и сплавов

4,5

3.

2

Изучение влияния химического состава, обработки и условий испытании на магнитные характеристики магнитомягких материалов

4,5

4

4

Поляризация и диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках

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.




  1. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

Лаборатория металлографического анализа: металломикроскопы, коллекции металлографических шлифов, альбомы микрофотографий, плакаты с изображениями фазовых диаграмм равновесия, Периодическая 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 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемной техники»



подготовки бакалавра


ч. 1