физические основы электронно

Утверждена
МинистерствоМ образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД -135/тип
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 39 02 02 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И ПРОИЗВОДСТВО РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»,
36 04 01 «ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ АППАРАТОСТРОЕНИЕ»
3
Составители:
В.В.Баранов – профессор кафедры электронной техники и технологий
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, доктор технических наук;
Г.М.Шахлевич - доцент кафедры электронной техники и технологий
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, кандидат физико-математических наук.
Рецензенты:
Кафедра микроэлектроники Белорусского государственного университета
информатики и радиоэлектроники (протокол № 7 от 15.05.2000 г.);
Кафедра конструирования и производства приборов Белорусской
политехнической академии (протокол № 10 от 13.06.2000 г.);
Г.И. Маковецкий - заведующий лабораторией Института физики твердого
тела и полупроводников НАН Беларуси, доктор физико-математических наук,
профессор;
В.А. Чекан - начальник лаборатории Белорусского республиканского
объединения порошковой металлургии, кандидат технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой электронной техники и технологий Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 20 от 22.06.
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
4
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Целью изучения дисциплины является овладение научным подходом к
выбору и использованию материалов при проектировании, изготовлении и
эксплуатации изделий электронно-оптического аппаратостроения с учетом
требований экономичности; знание физических и физико-химических основ
современного
материаловедения;
классификации,
маркировки,
функциональных, технологических и потребительских свойств материалов
радиоэлектронных средств (РЭС),
электронно-оптической техники и
конструкционных материалов.
Задачи дисциплины:
- дать знания о современных материалах РЭС, электронно-оптической техники
(ЭОТ) и конструкционных материалах;
- овладеть физическими и физико-химическими основами материаловедения
(кристаллизация
и
рекристаллизация
напряженно-деформированного
состояния, теория сплавов и фазовые диаграммы, физико-химические основы
термической, химико-термической и др. видов обработки и т.д.);
- изучить механические, тепловые, триботехнические, физико-химические,
эксплуатационные и технологические характеристики конструкционных
материалов;
- познакомиться с основными группами электрорадиотехнических материалов,
их
физико-химическими
свойствами,
классификацией, назначением,
принципами выбора и т.п.;
- дать информацию о материалах специального назначения или имеющих
особые физические или химические свойства (оптические, с заданным
температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), памятью
формы, криогенные, триботехнические и др.);
- изучить способы управления свойствами материалов на основе
целенаправленного изменения их состава и структуры, сформировать научный
подход к выбору материалов для конкретного применения, овладеть
принципами их классификации и маркировки.
Освоение учебного материала дисциплины базируется на знании курсов
физики (агрегатное состояние вещества, типы твердых тел, оптические
тепловые и электрофизические свойства, природа магнетизма и др.), химии
(химическая связь и строение вещества, электроны в атоме, периодическая
система элементов, методы исследования состава и кристаллической
структуры, химические основы коррозии и защиты от нее, полимерные
материалы, химическая термодинамика и кинетика, физическая химия
поверхностных явлений, адсорбция и др.), высшей математики и
электротехники.
Рассматриваемая дисциплина является базовой для таких курсов, как
«Физические основы электронно-оптической техники», «Технология деталей
РЭС», «Технология обработки материалов», «Технология электронно5
оптического аппаратостроения», «Сопротивление материалов», «Технология
изделий ЭОТ», «Конструирование и технология электронных систем»,
«Физические основы элионных технологий» и др.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных
стандартов и рассчитана на объем 85-70 учебных часов. Примерное
распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 50-35 часов,
лабораторных работ – 34-17, практических занятий – 0-17 часов.
В результате освоения курса «Материаловедение» студент должен:
знать:
- физические и физико-химические основы современного материаловедения;
- классификацию, маркировку, функциональные, технологические и
потребительские свойства материалов РЭС, электронно-оптической техники и
конструкционных материалов;
- принципы выбора материалов для конкретного применения исходя из
соответствия их свойств условиям изготовления, эксплуатации и требованиям
экономичности;
- способы управления свойствами материалов на основе целенаправленного
изменения их состава и структуры;
уметь:
- охарактеризовать процессы, происходящие в материалах при внешних
воздействиях (нагрузка, термообработка, электромагнитное поле);
- выбрать материал для конкретного применения исходя из соответствия его
свойств условиям изготовления, эксплуатации и экономичности;
- выбрать технологию и режим упрочняющей обработки или метод придания
материалу требуемых физико-химических свойств;
приобрести навыки:
- измерения основных механических и электрофизических характеристик
конструкционных и электрорадиотехнических материалов;
- проведения основных видов термообработки и деформационного упрочнения.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и содержание дисциплины. Специфические требования к
материалам электронной и электронно-оптической техники, РЭС и электроннооптического аппаратостроения. Особенности материаловедения РЭС и
электронно-оптической техники. Технический прогресс в области получения и
обработки материалов электронно-оптического аппаратостроения. Общие
принципы выбора материалов в соответствии с назначением и техникоэкономическими требованиями.
6
1. ОСНОВЫ ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
1.1. СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Типы и природа химических связей: ионная, металлическая, ковалентная,
Ван-дер-Ваальсова. Свойства элементов. Агрегатное состояние вещества.
Кристаллическое строение твердых тел. Строение и свойства кристаллов.
Кристаллическая решетка, ее параметры и характеристики. Индексы Миллера,
типы решеток. Поли - и изоморфизм, структурные типы.
1.2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ
Классификация и характеристика типов дефектов: точечные, линейные,
плоскостные, объемные.
Точечные дефекты: междоузельные и чужеродные атомы, вакансии,
дефекты по Френкелю и Шоттки, концентрация точечных дефектов.
Линейные дефекты (дислокации). Типы дислокаций, контур и вектор
Бюргерса. Плотность, образование и движение дислокаций. Взаимодействие
дефектов.
Поверхностные и объемные дефекты: границы зерен, двойники, дефекты
упаковки, поры, трещины. Строение реальных материалов (моно- и
поликристаллы). Понятие микроструктуры.
Методы исследования состава, кристаллического строения макро- и
микроструктуры материалов.
1.3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Классификация свойств материалов РЭС, электронно-оптической
техники и конструкционных материалов. Функциональные (механические,
электрические, теплофизические, магнитные
и др.), технологические
(обрабатываемость, паяемость, свариваемость и др.) и потребительские
свойства (экономические, эстетические, экологические, гигиенические и др.).
Критерии выбора материалов для конкретного применения.
1.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Механические свойства в условиях статического, динамического и
циклического нагружения. Диаграмма растяжения. Прочностные и
пластические свойства материалов. Твердость по Бринелю, Роквеллу и
Викерсу. Ударная вязкость. Сопротивляемость материалов циклическому
нагружению.
Дефекты кристаллического строения и механические свойства. Усталость
металлов и сплавов. Деформация ползучести. Механические свойства при
повышенных температурах. Методы определения механических характеристик.
Закон единства противоположностей - прочность и вязкость.
7
1.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Особенности электрофизических свойств, зонная структура металлов и
сплавов. Механизмы рассеяния носителей заряда. Влияние внешних
воздействий, состава и структуры на электрические свойства. Скин-эффект.
Сверхпроводимость.
Особенности
электрических
свойств
тонких
металлических слоев, размерный эффект.
Электрические
свойства
диэлектриков
(электропроводность,
поляризация, диэлектрические потери, пробой). Пассивные и активные
диэлектрики.
1.6. ТЕПЛОВЫЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
Устойчивость материалов к воздействию повышенных и пониженных
температур (теплостойкость, жаропрочность и др.). Теплоемкость, тепло - и
температуропроводность, хладоломкость и др. Тепловое расширение.
Триботехнические характеристики материалов в узлах трения
(прирабатываемость, износостойкость, коэффициент трения).
Коррозионная стойкость как основная химическая характеристика
материалов. Виды и механизмы коррозии, защита от нее.
1.7. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Основные физико-химические свойства магнитных материалов.
Диамагнетики, парамагнетики, ферро- и ферримагнетики. Зависимость
магнитных свойств от состава, структуры и внешних воздействий. Поведение в
переменных магнитных полях, петля гистерезиса, параметры ферро- и
ферримагнетиков. Классификация магнитных материалов. Особенности
магнитных свойств ферритов.
1.8. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Процесс кристаллизации, его характеристики: температура, степень
переохлаждения, скорость кристаллизации. Зарождение и рост кристаллов,
критический размер зародыша при гомогенной и гетерогенной кристаллизации.
Структура сплава в зависимости от условий кристаллизации. Вторичная
кристаллизация металлов. Полиморфные превращения.
Влияние формы и размера зерен на свойства металлов и сплавов,
модифицирование структуры. Дендритный рост. Перераспределение примесей
при затвердевании, зональная и обратная ликвации и способы их устранения.
1.9. СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Термодинамическая система и ее параметры. Типы фаз двойных сплавов:
твердые растворы, химические соединения, механические смеси, переходные
фазы.
Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов: с неограниченной
и ограниченной растворимостью, с образованием соединений, эвтектические и
8
перитектические, механической смеси компонентов. Фазовые превращения в
сплавах и формирование структуры, правило фаз Гиббса, сопряженные фазы,
правило отрезков.
Диаграмма состояния систем с полиморфным превращением.
Связь между строением сплава и его свойствами. Понятие о диаграммах
состояния тройных систем.
2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Система железо-углерод: полиморфные превращения железа, формы
существования углерода в сплавах, фазы, фазовые превращения и реакции в
системе. Управление свойствами сплавов системы железо-углерод путем
изменения их структуры и состава.
Классификация и маркировка, физико-химические свойства сталей.
Влияние углерода и вредных примесей (кислорода, серы, фосфора) на их
строение и свойства сталей.
Чугуны: серые, белые, ковкие и др. Структура, свойства, классификация,
методы управления структурой и свойствами, применение.
Легированные стали. Распределение легирующих элементов по фазам,
влияние легирующих элементов на структуру и свойства. Классификация,
маркировка, области применения легированных сталей.
Конструкционные
машиностроительные
стали:
хромистые,
хромомарганцевые, хромоникелевые и др. с высокими механическими
свойствами. Стали улучшаемые и подвергаемые химико-термической
обработке. Структура, свойства, маркировка.
Рессорные, пружинные, шарикоподшипниковые, износо- и коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, криогенные и др. специальные стали.
Инструментальные стали и твердые сплавы.
2. 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Сплавы на основе алюминия, основные свойства, классификация,
применение.
Деформируемые
алюминиевые
сплавы
(дуралюмины),
дисперсионное твердение, методы управления структурой и свойствами.
Литейные алюминиевые сплавы (силумины) и сплавы с особыми свойствами.
Сплавы на основе меди, свойства, классификация, применение.
Деформируемые сплавы (латуни), структура и свойства, маркировка,
применение. Литейные сплавы меди (бронзы): оловянистые, алюминиевые,
кремниевые и др.
Сплавы титана, магния и бериллия. Методы получения, влияние
легирующих элементов и термообработки на структуру и свойства, получение,
маркировка, особенности применения.
9
2. 3. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Упругая и пластическая деформация. Механизмы пластической
деформации. Изменение структуры и свойств поликристаллических материалов
в процессе пластической деформации. Изменение прочности и пластичности
при деформации, наклеп. Роль дислокаций в процессах пластической
деформации. Механизм упрочнения металлов. Влияние температуры и
выдержки на строение и свойства пластически деформированных материалов.
Возврат (отдых), полигонизация, рекристаллизация. Влияние примесей на
процесс рекристаллизации.
Разрушение металлов и сплавов. Механизмы хрупкого и вязкого
разрушения. Влияние трещин на процесс разрушения. Хладоломкость.
2.4. ТЕРМИЧЕСКАЯ, ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Сущность и назначение термической обработки (ТО).
Изменение структуры и свойств при ТО сплавов: без фазовых (отжиг 1-го
рода) и 6ез полиморфных превращений (система А1-Сu). Виды и режимы ТО:
отжиг, закалка, отпуск, естественное и искусственное старение.
ТО сплавов с полиморфными превращениями (система Fе-C). Основные
фазовые превращения в сталях при ТО. Диаграмма изотермического распада
аустенита. Изотермическая обработка сталей. Закалка: критические точки,
превращения при непрерывном и изотермическом охлаждении, критическая
скорость охлаждения. Мартенситное превращение. Полная и неполная закалка,
прокаливаемость и закаливаемость стали. ТО закаленной стали: отпуск,
нормализация и др. Сложные виды термической обработки.
Термомеханическая обработка: сущность, назначение, изменение
структуры
и
свойств.
Виды
термомеханической
обработкинизкотемпературная механическая обработка (НТМО), высокотемпературная
механическая обработка (ВТМО).
Химико-термическая обработка (ХТО): сущность, назначение, физикохимические основы. Классификация и краткая характеристика ХТО.
Цементация стали и карбидирование металлов, азотирование, борирование и
диффузионная металлизация.
3. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация и основные свойства неметаллических конструкционных
материалов, области применения и критерии выбора.
Пластмассы: классификация и основные физико-химические свойства.
Термо- и реактопласты. Однокомпонентные пластмассы: неполярные
(полиэтилен, фторопласт-4 и др.), полярные (лавсан, полихлорвинил,
полиамиды и др.), смолы (фенол-формальдегидные, эпоксидные и др.).
10
Многокомпонентные (композиционные) пластмассы, слоистые и
анизотропные пластики, эластомеры, газонаполненные пластмассы. Влияние
внешних
воздействий
на
эксплуатационные
свойства
пластмасс.
Неорганические конструкционные материалы: классификация, основные
физико-химические свойства, области применения.
Керамика: природа, состав, свойства, получение, классификация,
применение. Установочная, огнеупорная, теплоизоляционная керамика,
металлокерамические узлы и вакуумные вводы. Стекло и стекломатериалы.
3.2. ПРОВОДНИКОВЫЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Виды и классификация проводниковых материалов. Зависимость
электрофизических свойств от состава, структуры и внешних воздействий.
Материалы высокой проводимости и благородные металлы (медь,
алюминий, серебро, золото и др.): свойства, маркировка, применение.
Тугоплавкие металлы и сплавы (вольфрам, молибден, тантал и др.):
получение, физико-химические свойства, марки, применение.
Легкоплавкие металлы и сплавы, припои и флюсы.
Резистивные материалы (константан, манганин, керметы) и сплавы для
нагревательных элементов (нихром, фехраль и др.).
Проводниковые и конструкционные материалы с особыми физикохимическими свойствами (постоянным температурным коэффициентом
линейного расширения, эффектом памяти формы, проводящие модификации
углерода и др.).
3.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Физико-химические
свойства,
классификация
и
применение
полупроводников.
Элементарные полупроводники (Si, Ge, Se) и структуры на их основе:
свойства, методы получения, очистки, выращивания слитков, маркировка.
Полупроводниковые соединения: А3В5 (GaAs, GaP, InSb и др.), А2В6 (CdS,
ZnSe, CdTe и др.), А4В4 (SiC и др.) и твердые растворы на их основе.
Особенности свойств, технологии получения и изготовления приборов,
маркировка.
Поликристаллические, аморфные и органические полупроводники.
3.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация диэлектрических материалов. Диэлектрические газы и
жидкости, полимеры и композиционные пластмассы, компаунды и лаки,
слоистые пластики, стекла и ситаллы, монокристаллические и керамические
диэлектрики, материалы подложек, диэлектрических, пассивирующих и
масочных слоев полупроводниковых приборов, интегральные схемы (ИС) и
гигантские интегральные схемы (ГИС), сегнето- и пьезоэлектрики, материалы
звукопроводов, электреты и др.: свойства, методы формирования, марки и
применение.
11
3.5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация и функциональные характеристики магнитных
материалов.
Магнитно-мягкие материалы (железо, электротехнические стали,
пермаллои и альсефиры, магнитно-мягкие ферриты и магнитодиэлектрики).
Магнитно-твердые материалы (высококоэрцитивные стали и сплавы,
порошковые магниты и ферриты, интерметаллические сплавы и др.).
Магнитные
материалы
специализированного
назначения
(термомагнитные, магнитострикционные, для СВЧ, магнитные пленки и
носители ЦМД, аморфные магнитные сплавы, ферромагнитные жидкости и
др.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. УНИФИКАЦИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Вероятностные характеристики материалов. Эталонные материалы.
Стоимость материалов. Понятие об экономической эффективности применения
в производстве новых материалов и способов их обработки. Методика расчета
эффективности применения материалов и способов их обработки.
Унификация материалов. Роль материалов в развитии наукоемких
отраслей народного хозяйства. Перспективы использования новых материалов
и технологий их обработки. Экологические проблемы материаловедения.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Дефекты кристаллического строения, методы их выявления и
гетерирования.
2. Строение вещества, типы химических связей, расчет сил взаимодействия
ионов в твёрдом теле и энергий ионизации.
3. Анализ модели элементарной ячейки, индексы Миллера, методы,
исследования структуры, расчет параметров элементарной ячейки.
4. Изучение диаграмм состояния, методик расчета компонентного и фазового
состава бинарных сплавов.
5. Изучение методов определения механических свойств конструкционных
материалов по результатам статистических, динамических и циклических
испытаний.
6. Изучение четырех основных структурных превращений в сталях при
термообработке. Изучение влияния термообработки на свойства черных и
цветных металлов.
7. Выбор вида и режимов термообработки для получения требуемых
механических свойств по диаграмме состояния двойных сплавов.
8. Изучение методов определения и методик расчета основных
электрофизических характеристик полупроводниковых материалов и
диэлектриков.
12
9. Изучение методик исследований и расчетов характеристик магнитных
материалов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование механических свойств конструкционных материалов.
2. Исследование кристаллического строения и остаточных микронапряжений в
металлах и сплавах методами рентгеноструктурного анализа.
3. Исследование
электрофизических
характеристик
проводниковых
материалов и влияния на них внешних воздействий.
4. Исследование характеристик магнитно-мягких материалов и структур с
цилиндрическими магнитными доменами.
5. Статистическое
исследование
электрофизических
свойств
сегнетоэлектриков.
6. Определение удельного сопротивления и времени жизни неосновных
носителей заряда в полупроводниках.
7. Исследование и моделирование процессов кристаллизации металлов и
сплавов.
8. Исследование влияния температуры, примесей и внешних воздействий на
свойства пассивных диэлектриков.
9. Изучение микро- и макроструктуры металлов и сплавов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
И ОБОРУДОВАНИЯ
1. Программа расчета внутренних механических напряжений и деформаций по
результатам рентгеноструктурного анализа.
2. Программы математической обработки результатов электрофизических и
магнитных исследований.
3. Оборудование для исследования механических свойств конструкционных
материалов (разрывная машина, твердомеры, маятниковый копр и др.).
4. Оборудование для измерения электрофизических и магнитных свойств
материалов (ферротестер, магнитометр, характериограф, твердотельный
лазер, цифровые вольтметры, осциллографы, электронные термометры и
др.).
5. Оборудование для исследования влияния термообработки на свойства
материалов
(муфельные
печи,
металлографические
микроскопы,
терморегуляторы и др.).
13
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.:
Машиностроение, 1990.
2. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин,
Г.Ф.Косолапов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение,
1986.
3. Кнарозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др Технология металлов и
материаловедение. - М.: Металлургия, 1987.
4. Пинчук Л.И., Струк В.А., Мышкин Н.К, Свириденок А.И.
Материаловедение и конструкционные материалы: Учеб. пособие для вузов
/ Под ред. В.А. Белого. - Мн.: Выш. шк., 1989.
5. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г.
Материаловедение. Методы анализа,
лабораторные работы и задачи: Учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия,
1989.
6. Гуляев А.Т. Металловедение: Учебник для вузов. - М. Металлургия, 1986.
7. Горелик О.О., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и
диэлектриков: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1988.
8. Пасынков В.В., Сорокин В.О. Материалы электронной техники.- М.: Высш.
шк., 1986.
9. Материалы микроэлектронной техники: Учеб. пособие для вузов / Под ред.
В.М. Андреева. - М.: Радио и связь, 1989.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Рез И.О., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в
электронике. - М.: Радио и связь, 1989.
2. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы:
Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1986.
3. Золотаревский В.О. Механические свойства металлов: Учеб. пособие.- М.:
Металлургия, 1983.
4. Металловедение и термическая обработка стали: Справочное издание /Под
ред. Л.М. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. В 3-х т.- М.: Металлургия, 1983.
5. Справочник по электротехническим материалам. В З-х т. / Под ред. Ю.В.
Корицкого и др.- М.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. шк., 1983.
7. Краткий справочник металлиста./ Под ред. П.Н. Орлова, Б.А. Скороходова.М.: Машиностроение, 1986.
8. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем,
Н.А. Буше и др.; Под общ ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение,
1990.
14
9. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М.
Питона. - М.: Машиностроение, 1982.
10. Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике: Справочник.- Л.:
Машиностроение, 1982.
11. Физическое металловедение./ Под ред. Р.У. Кана, П. Хаазена. В 3-х т. - М.:
Металлургия, 1987.
12. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1991.
13. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и
неметаллических материалов: Учеб. пособие. - М.: Машиностроение, 1990.
15
16
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД - 142/ тип
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 36 04 01 «ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ
АППАРАТОСТРОЕНИЕ»
17
Составитель:
А.В. Погребняков - профессор кафедры электронной техники и технологий
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, доктор физико-математических наук.
Рецензенты:
Кафедра физики твердого тела Белорусского государственного университета
(протокол № 7 от 18 мая 2000 г.);
А.П. Сайко - ученый секретарь Института физики твердого тела и
полупроводников НАН Беларуси, доктор физико-математических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой электронной техники и технологий Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 20 от 12 июня
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована c:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
18
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Физические основы электронно-оптической
техники» разработана для студентов специальности 36 04 01 «Электроннооптическое аппаратостроение». Она предусматривает изучение физических
принципов функционирования приборов электронно-оптической техники.
Целью изучения дисциплины является ознакомление с физическими
процессами, явлениями и эффектами, определяющими принципы построения и
работу устройств электронно-оптической техники.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- физическую природу механических, тепловых, электрических и магнитных
свойств твердых тел, контактных и поверхностных явлений в полупроводниках;
- наиболее широко используемые в современных устройствах электронной
техники
термоэлектрические,
гальваномагнитные,
оптические
и
фотоэлектрические явления в полупроводниках и механизмы переноса заряда в
тонких пленках;
- физические принципы работы широкого класса электронных приборов:
датчиков температуры, индукции магнитного поля, диодов, транзисторов,
фотоэлектрических приборов, полупроводниковых лазеров и др.;
уметь:
- анализировать физические принципы работы приборов, использующих те или
иные свойства твердых тел;
- определять возможные области применения различных устройств электроннооптической техники в соответствии с принципами их работы;
- анализировать физические ограничения на параметры приборов.
Изучение дисциплины основано на использовании знаний, полученных
студентами по следующим дисциплинам: «Высшая математика», «Физика»,
«Химия», «Материаловедение».
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 119 учебных часов. Примерное распределение
учебных часов по видам занятий: лекций - 68 часов, лабораторных работ34 часа, практических занятий - 17 часов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1.1. ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ
Структура кристаллов. Кристаллическая решетка. Обозначение узлов,
направлений и плоскостей в кристалле.
Обратная решетка и дифракция волн в кристаллах.
Классификация кристаллов по типам связей.
19
1.2. ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ
Несовершенства и дефекты реальных кристаллов: примеси, дефекты по
Шоттки и Френкелю. Дислокации. Поверхностные дефекты.
1.3. ТЕПЛОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ РЕШЕТКИ
Колебания одномерной цепочки атомов. Акустические и оптические
колебания. Спектр нормальных колебаний решетки; частота и температура
Дебая. Понятие о фононах.
Распределение фононов
по
частотам.
Теплоемкость твердых тел.
Раздел 2. ПОНЯТИЕ О ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Коллективизация электронов в кристалле. Превращение энергетических
уровней свободных атомов в энергетические зоны в кристалле. Уравнение
Шредингера для кристаллов. Волновая функция электронов в кристалле.
Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики, полупроводники.
2.2. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА В ПЕРИОДИЧЕСКОМ ПОЛЕ КРИСТАЛЛА
Понятие
об
эффективной
массе
электрона.
Собственные
полупроводники. Понятие о дырках. примесные уровни в полупроводниках.
Поверхность Ферми.
Раздел 3. СТАТИСТИКА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРИСТАЛЛАХ
3.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЙ В ЗОНЕ ПО ЭНЕРГИЯМ
Функция распределения Ферми-Дирака.
Плотность состояний.
Электронный газ в металле при абсолютном нуле; энергия Ферми; скорость
трансляционного движения электронов при абсолютном нуле. Влияние
температуры на распределение Ферми-Дирака.
3.2. НЕВЫРОЖДЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Невырожденный электронный газ, критерий невырожденности газа и
функция
распределения
Максвелла-Больцмана.
Невырожденные
полупроводники. Полная функция распределения для электронов зоны
проводимости, концентрация электронов в зоне проводимости. Функция
распределения для дырок в валентной зоне, концентрация дырок в валентной
зоне.
3.3.ПОЛОЖЕНИЕ УРОВНЯ ФЕРМИ И РАВНОВЕСНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ
НОСИТЕЛЕЙ В НЕВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в
собственных полупроводниках. Закон действующих масс.
Положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в примесных
полупроводниках донорного типа. Положение уровня Ферми и концентрация
20
носителей заряда в примесных полупроводниках акцепторного типа.
Основные и неосновные носители. Закон действующих масс.
Раздел 4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
4.1. ДРЕЙФ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПРОВОДНИКАХ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ПОЛЯ
Скорость дрейфа, подвижность. Время релаксации и длина свободного
пробега носителей. Температурная зависимость подвижности носителей заряда,
обусловленная их рассеянием на тепловых колебаниях решетки (фононах) и на
ионизированных примесях.
4.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Электропроводность металлов и сплавов. Правило Матиссена.
Собственная проводимость полупроводников. Примесная проводимость
полупроводников. Фотопроводимость полупроводников.
Эффекты сильного поля, разогрев электронного газа; дрейфовая
нелинейность. Изменение концентрации электронного газа в сильных полях.
Эффект Ганна.
4.3. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Основные свойства сверхпроводников и классы сверхпроводящих
материалов.
Высокотемпературная
сверхпроводимость.
Особенности
структуры высокотемпературных сверхпроводников. Физические модели
сверхпроводящего состояния. Понятие о куперовских парах. Квантование
магнитного потока. Магнитные свойства сверхпроводников. Одночастичное и
джозефсоновское туннелирование. Джозефсоновские переходы.
Раздел 5. НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ
ЗАРЯДА И СТАТИСТИКА РЕКОМБИНАЦИИ
5.1. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ
Неравновесные носители заряда. Квазиуровни Ферми. Время жизни
неравновесных носителей. Уравнение непрерывности. Амбиполярная диффузия
и дрейф. Соотношения Эйнштейна. Эффективный коэффициент диффузии.
5.2. ТИПЫ РЕКОМБИНАЦИИ
Скорости генерации и рекомбинации носителей заряда. Различные типы
процессов рекомбинации. Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через
локальные уровни. Сечение захвата. Время жизни носителей относительно их
захвата ловушками. Анализ зависимости времени жизни от степени
легирования и температуры. Формула Холла-Шокли-Рида.
21
Раздел 6. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ
И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
6.1. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Эффект Холла. Постоянная Холла для металлов, собственных и
примесных полупроводников. Измерение и практическое использование
эффекта Холла.
Эффект Эттингсгаузена. Обратный эффект Нернста-Эттингсгаузена.
6.2. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
ТермоЭДС металлов и полупроводников. Объемная и контактная
составляющие термоЭДС. Эффект Зеебека. Эффект Риги-Ледюка. Эффект
Томсона.
Эффект Пельтье. Коэффициент Пельтье для контактов различного типа:
металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник.
Раздел 7. КОНТАКТНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ
ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
7.1. ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
Контакт металла с полупроводником. Контактная разность потенциалов.
Барьер Шоттки. Влияние контактного поля на энергетические уровни
полупроводника. Толщина барьера и ее зависимость от внешней разности
потенциалов. Вольт-амперная характеристика контакта металл-полупроводник.
Выпрямление в контакте металла с полупроводником.
Токи, ограниченные пространственным зарядом.
Равновесное состояние p-n-перехода. Толщина слоя объемного заряда и
ее зависимость от внешних потенциалов; барьерная емкость перехода.
7.2. ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА P-N-ПЕРЕХОДА
Переход под прямым смещением. Инжекция неосновных носителей;
прямой ток. Переход под обратным смещением. Экстракция неосновных
носителей; обратный ток. Вольт - амперная характеристика перехода.
Влияние генерации в области объемного заряда на обратный ток.
Диффузионная емкость. Пробой p-n-перехода: тепловой, лавинный,
туннельный, поверхностный.
7.3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ
Область приповерхностного слоя объемного заряда. Искривление зон у
поверхности. Обеднение, обогащение, инверсия. Поверхностная рекомбинация.
Эффект поля.
22
Раздел 8. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПРИБОРОВ
ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
8.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Физические процессы, определяющие работу выпрямительных
низкочастотных диодов, импульсных диодов, стабилитронов, стабисторов.
Эффект туннелирования в p-n-переходе и его зависимость от концентрации
легирующей примеси. Принципы работы туннельных диодов, диодов с
резонансным туннелированием, обращенных диодов. Физические основы
работы диодов Шоттки (выпрямительных, импульсных, смесительных,
детекторных, переключательных), варикапов. Режимы работы
лавиннопролетных диодов.
8.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Физические основы работы биполярных транзисторов. Способы
переноса носителей через базу, диффузионные транзисторы. Коэффициент
переноса и требования к базовой области. Эффективность эмиттера и
требования к эмиттерной области. Размножение носителей в коллекторе и
требования к коллекторной области. Физические принципы усиления по току,
напряжению и мощности. Влияние температуры на процессы, происходящие в
транзисторах. Импульсные процессы в транзисторах. Физические процессы,
вызывающие пробой транзисторов. Физические особенности работы
фототранзисторов, оптоэлектронных, гетероструктурных, однопереходных
транзисторов.
8.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Физические принципы работы и основные типы канальных транзисторов.
Влияние распределения носителей заряда, электрических полей и потенциалов
на переходные и выходные характеристики. Физические процессы,
определяющие усиление полевых транзисторов. Достоинства и недостатки
полевых транзисторов по сравнению с биполярными.
8.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТИРИСТОРОВ
Физические принципы работы четырехслойного переключателя. Условия
переключения. Механизмы переключения. Выходные характеристики
четырехслойных структур. Управление коэффициентом усиления по току.
8.5. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
Физические принципы работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Ввод
и вывод информации в структурах на ПЗС. Применения ПЗС.
23
8.6. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Физические принципы работы устройств акустоэлектроники. Физические
основы работы приборов на поверхностных акустических волнах (фильтры,
линии задержки, резонаторы).
8.7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Нормальное и возбужденное состояние системы. Спонтанные переходы и
среднее время жизни. Особенности спонтанного излучения. Индуцированное
(вынужденное) излучение и его особенности.
Равновесная и инверсная заселенность уровней, отрицательные
температуры. Методы получения инверсной заселенности. Физические
принципы работы оптических квантовых генераторов.
Полупроводниковые
инжекционные
лазеры.
Инжекционные
гетеролазеры.
8.8. СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (СКВИД).
СКВИДы на постоянном токе и высокочастотные СКВИДы. Детекторы
электромагнитного излучения (сверхпроводниковые болометры и приборы на
основе одночастичного туннелирования), смесители, усилители, элементы
интегральных микросхем (логические элементы и элементы памяти).
8.9. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Основные типы и классификация интегральных схем. Физические и
конструктивно-технологические особенности элементов интегральных схем:
диодов, транзисторов, резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов.
Раздел 9. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ
9.1. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
Работа выхода электронов из металлов и полупроводников. Влияние
пленок на работу выхода. Термоэлектронная эмиссия. Формула РичардсонаДешмена. Сложные катоды. Влияние внешнего ускоряющего поля. Эффект
Шоттки.
Автоэлектронная эмиссия. Применение острийных катодов.
Вторичная электронная эмиссия. Коэффициент вторичной электронной
эмиссии для металлов, диэлектриков и полупроводников.
9. 2. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД
Электронные процессы в газах. Ионизационный потенциал. Ионизация
электронными
ударами,
фотоионизация,
термическая
ионизация.
Рекомбинация. Возбуждение атомов и испускание фотонов.
24
Несамостоятельный разряд и его вольт-амперная характеристика.
Теория лавин Таунсенда. Коэффициент умножения. Эффект газового усиления.
Условия перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный;
кривые Пашена.
Тлеющий разряд. Нормальное
и аномальное катодное падение
потенциала. Дуговой разряд. Плазма. Искровой и коронный разряды. Полная
вольт-амперная характеристика самостоятельных форм разряда.
9.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ
Физические процессы, происходящие в приемно-усилительных лампах,
СВЧ-приборах, электронно-лучевых трубках, фотоумножителях, электроннооптических преобразователях и газоразрядных приборах.
Раздел 10. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПРИБОРЫ,
ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЯВЛЕНИЕ МАГНЕТИЗМА
10.1. ДИАМАГНЕТИЗМ И ПАРАМАГНЕТИЗМ
Ларморовский диамагнетизм. Диамагнетизм электронов проводимости.
Диамагнетизм электронов в легированных полупроводниках.
Парамагнетизм диэлектриков. Парамагнетизм Паули. Электронный
парамагнитный резонанс.
10.2. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
Спиновая природа ферромагнетизма. Модель Гайзенберга. Типы
магнитных структур: ферромагнитная, антиферромагнитная, ферримагнитная.
Зависимость магнитных свойств от температуры. Спиновые волны.
Магнитные домены. Магнитный гистерезис.
10.3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
НА ОСНОВЕ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Физические особенности работы элементов ЗУ на ферритовых
сердечниках и элементов ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. ЗУ на
магнитных дисках.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Обозначение элементов кристалла. Симметрия кристаллической решетки.
2. Дифракция волн в кристалле.
3. Энергетические уровни и волновая функция электрона в кристалле. Зоны
Бриллюэна.
4. Функция распределения Ферми-Дирака. Примесные полупроводники.
Положение уровня Ферми в зависимости от концентрации примеси и
температуры.
25
5. Движение электрона в кристалле под действием внешней силы.
Эффективная масса. Электропроводность твердых тел.
6. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда. Время жизни.
Диффузия неравновесных носителей.
7. Эффект Холла в полупроводниках n- и p-типа и в полупроводниках со
смешанной проводимостью. Эффект Эттингсгаузена. Термоэлектрические
явления. Контакт металл-полупроводник с барьером Шоттки. Контактная
разность. Потенциалов и выпрямляющие свойства контакта электронного и
дырочного полупроводников.
8. Энергетические диаграммы и процессы в трехслойных полупроводниковых
структурах. Физические принципы работы полевых транзисторов.
9. Работа выхода. Эмиссия электронов: термоэлектронная эмиссия, эффект
Шоттки, холодная эмиссия.
10.Оценка диамагнитных свойств твердых тел на основе классической теории
Ланжевена.
11. Расчет намагниченности двухуровневой системы на основе квантовой
теории парамагнетизма твердых тел.
12. Оценка величины обменного поля в ферромагнетиках на примере железа.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Определение ширины запрещенной зоны в полупроводниках.
2. Определение времени жизни неравновесных носителей
полупроводниках.
3. Термоэлектрические явления в твердых телах.
4. Исследование переходных процессов в p-n-переходах.
5. Исследование явления пробоя в p-n-переходах.
6. Физические основы работы биполярных транзисторов. .
7. Физические основы работы полевых транзисторов.
8. Физические основы работы тиристоров.
9. Физические принципы работы полупроводниковых лазеров.
заряда
в
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.:
Радио и связь, 1990.
2. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. - М.: Высш. шк.,
1991.
3. Булычев А.Л., Лямин П.Н., Тулинов Е.С. Электронные приборы. - Мн.:
Выш. шк., 1999.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк., 1991.
5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. - М.: Мир, 1984.
26
6. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. - М.: Высш. шк.,
1986.
7. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. - М.: Наука,
1990.
8. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. - М.: Высш. шк.,
1987.
9. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и
электрорадиоэлементы. - М.: Радио и связь, 1989.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Ашкрофт Н., Мермин Д. Физика твердого тела. В 2-х т.- М.: Мир, 1982.
2. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л: Машиностроение, 1990.
3. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной
электроники. - М.: МГУ, 1986.
4. Физические основы полупроводниковой электроники /Под ред. О.В. Снитко.– Киев: Наукова думка, 1985.
5. Ван Дузер Т., Тернер Ч.У. Физические основы сверхпроводниковых
устройств и цепей.- М.: Радио и связь, 1984.
6. Кацнельсон А.А. Введение в физику твердого тела. - М.: МГУ, 1984.
7. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1989.
8. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высш. шк., 1985.
9. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985.
10. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. - М.: Атомиздат, 1979.
27
28
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД - 143 / тип
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 36 04 01 «ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ
АППАРАТОСТРОЕНИЕ»
29
Составитель:
Н.Е. Левчук - доцент кафедры электронной техники и технологий
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, кандидат технических наук.
Рецензенты:
Кафедра микроэлектроники Белорусского государственного университета
информатики и радиоэлектроники (протокол № 15 от 13 июня 2000 г.);
Н.К. Касинский - директор ГНП «Оптическое станкостроение и вакуумная
техника», кандидат технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой электронной техники и технологий Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 20 от 12 июня
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
30
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Вакуумная техника» разработана для специальности
«Электронно-оптическое аппаратостроение». Целью изучения дисциплины
является овладение научным подходом к разработке, проектированию и
изготовлению вакуумного оборудования, выбору и использованию материалов
при проектировании и изготовлении изделий вакуумной техники.
Задачи изучения дисциплины:
- овладеть физическими и физико-химическими основами кинетической теории
газов;
- изучить существующие и перспективные средства откачки;
- изучить принципы построения вакуумных систем для получения низкого,
среднего, высокого и сверхвысокого вакуума как технологической среды;
- изучить широкий спектр преобразователей и построения на их основе средств
контроля вакуума;
- изучить методы анализа парциальных давлений разреженных технологических сред.
Успешное освоение учебного материала дисциплины может быть
гарантировано знанием курсов физики (агрегатное состояние вещества, теории
газовых состояний, взаимодействия заряженных частиц с электрическими и
магнитными полями., высшей математики).
Рассматриваемая дисциплина является базовой для таких курсов
учебного плана, как «Технология электронно-оптического аппаратостроения»,
«Технология изделий ЭОТ», «Конструирование и технология электронных
систем», «Физические основы элионных технологий» и др.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 70 учебных часов. Примерное распределение
учебных часов по видам занятий: лекций - 39 часов, лабораторных работ 14 часов, практических занятий - 17 часов.
В результате освоения курса «Вакуумная техника» студент должен:
знать:
- современные принципы построения вакуумных систем для получения
низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума как технологической
среды;
- методы анализа парциальных давлений разреженных технологических сред;
- современное технологическое оборудование для вакуумных систем;
приобрести навыки:
- расчётов вакуумных систем и их элементов;
- исследования параметров вакуумных систем.
31
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и содержание дисциплины. Появление и развития вакуумной
техники. Применение вакуума в науке и технике. Место вакуумной техники в
создании и развитии электроники и микроэлектроники, элементной базы для
вычислительной техники. Применение вакуума в новейшей технологии
«чистых» производств.
Раздел 1. ФИЗИКА ВАКУУМА
Понятие о газе как материальной среде. Основные постулаты
молекулярно-кинетической теории разреженных газов.
Понятие о давлении. Единицы давления. Расчет абсолютного давления
газа. Общее давление смеси химически не взаимодействующих газов. Закон
Дальтона. Законы идеальных газов.
Функции распределения молекул газа по скоростям и энергиям.
Среднеарифметическая, среднеквадратичная и наиболее вероятная скорости.
Время адсорбции и время миграции молекул газа по поверхности
твердого тела. Степень покрытия поверхности молекулами газа. Средняя длина
свободного пути молекул газа. Зависимость средней длины свободного пути от
температуры. Постоянная Сюзерленда.
Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАЗОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ.
СОРБЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Сорбционные силы и процессы. Физическая адсорбция и хемосорбция.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул газа с поверхностью твердого
тела. Порядок протекания сорбционного процесса. Давление насыщенных
паров.
Раздел 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ
Вязкостные процессы в газах. Коэффициенты кинематической и
динамической вязкости. Зависимость силы внутреннего трения от давления и
температуры.
Течение газа. Уравнение стационарного газового потока. Инерционный,
вязкостный и молекулярный режимы течения газа.
Диффузионные процессы в газах. Зависимость коэффициента диффузии
от давления.
Перенос тепла в вакууме. Процессы конвекции, теплопроводности и
излучения. Зависимость коэффициента теплопроводности от давления.
Электрические
явления
в
вакууме.
Ионизация
молекул
газа.
Электропроводность газового промежутка.
32
Раздел 4. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМА
Классификация вакуумных насосов. Рабочий диапазон действия насосов.
Система основных параметров вакуумных насосов. Основное уравнение
вакуумной техники. Механические вытеснительные насосы. Двухроторные
насосы Рутса. Поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные насосы.
Молекулярная откачка. Использование канала с движущейся стенкой.
Молекулярные насосы с круговыми канавками. Зависимость проводимости
наклонного канала, двигающегося перпендикулярно газовому потоку от
направления течения газа. Турбомолекулярные насосы.
Насосы
поверхностного
действия:
цеолитовые,
криогенные,
криосорбционные.
Магниторазрядные
насосы.
Комбинированные
магниторазрядные насосы. Встроенные насосы на основе пористой танталовой
пленки.
Монно-сорбционная откачка. Процессы ионного внедрения и
хемосорбции. Конструктивные особенности ионно-сорбционных насосов.
Раздел 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНЫХ ДАВЛЕНИЙ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Классификация методов и устройств для измерения полного давления
остаточной газовой среды. Деформационные преобразователи. Трубка Бурдона.
Мембранные преобразователи.
Гидростатические преобразователи. Жидкостные манометры с открытым
и закрытым коленом.
Тепловые преобразователи. Уравнение теплового баланса, его
составляющие.
Термопарный
преобразователь.
Преобразователь
сопротивления.
Электронные преобразователи. Схемы с внешним и внутренним
коллектором. Фоновые токи в электронных преобразователях.
Магниторазрядные преобразователи. Принцип работы, устройство и
достоинства. Чувствительность к различным газам.
Раздел 6. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ
Методы измерения парциальных давлений. Статические и динамические
газоанализаторы. Основные параметры газоанализаторов.
Магнитные газоанализаторы. Принцип пространственного разделения
пучка ионов в магнитном поле. Измерительное уравнение статического массспектрометра с магнитным отклонением.
Панорамные газоанализаторы. Колебания ионов в электростатическом
поле с параболическим распределением потенциала. Структурная схема
измерения парциальных давлений.
33
Циклотронные газоанализаторы. Движение ионизированных молекул газа
во взаимоперпендикулярных постоянном магнитном и высокочастотном полях.
Резонансные ионы. Циклотронная частота. Разрешающая способность
циклотронных газоанализаторов.
Времяпролетные газоанализаторы. Процесс разделения ионов на группы
в соответствии с массовыми числами. Радиочастотные масс-спектрометры.
Десорбционная масс-спектрометрия. Принцип измерения парциальных
давлений.
Раздел 7. ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ
Требования к вакуумным системам. Условные обозначения элементов
вакуумных систем. Принципы построения вакуумных систем для получения
низкого, среднего и высокого вакуума. Типовые вакуумные системы.
Вакуумные агрегаты. Вакуумные системы на основе комбинированной откачки.
Вакуумные системы для откачки агрессивных сред. Протяженные вакуумные
системы. Вакуумные модули. Элементы вакуумных систем: ловушки,
коммутационная аппаратура, разборные вакуумные соединения, электрические
вводы, устройства для передачи движения в вакуум, шлюзовые устройства.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Анализ средней длины свободного пробега молекул газа при различных
условиях.
2. Степени вакуума.
3. Расчет механических вытеснительных насосов.
4. Расчет стационарного газового потока.
5. Выбор откачных средств.
6. Расчет времени откачки на заданные условия.
7. Расчет вакуумной системы в стационарном режиме.
8. Расчет вакуумопроводов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.
2.
3.
4.
Измерение давления в вакуумных системах.
Откачные средства вакуумных систем.
Алгоритм работы вакуумных систем.
Централизованные системы откачки.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
1. Обучающая программа по алгоритму вакуумных систем.
34
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.:Высш. шк., 1990.
2. Вакуумная техника: Справочник /Под общей ред. Е.С. Фролова,
В.Е. Михайчева. - М.: Машиностроение, 1985.
3. Кузьмин В.К., Левина Л.Е., Творогов И.Е. Вакуумметрическая аппаратура
техники высокого вакуума и течеискания. - М.: Энергоиздат,1984.
4. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет
вакуумных систем. - М.: Высш. шк., 1982.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Фролов Е.С. Турбомолекулярные вакуум-насосы. -М.: Машиностроение,
1980.
2. Львов Б.Г. Новые конструкции высоковакуумных прямопролетных
клапанов. - М.:Высш. шк., 1980.
3. Львов Б.Г. Современные сверхвысоковакуумные уплотнения. - М.:Высш.
шк., 1984.
35
СОДЕРЖАНИЕ
Материаловедение………………………………………………….. 3
Физические основы электронно-оптической техники……….….. 17
Вакуумная техника………………………………………………… 29
36