Программа дисциплины Материаловедение по направлению

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. Материаловедение
для направления 210100.62 - Электроника и наноэлектроника подготовки бакалавра
Автор программы: Рыбалко В.В., к.т.н., доц., [email protected]
Одобрена на заседании кафедры МТМиТ
«31» августа 2012 г
Зав. кафедрой ____________________________________________________В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г
Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета [Введите название факультета] «___»_____________20 г.
Ученый секретарь [Введите И.О. Фамилия] ________________________ [подпись]
Москва, 2012
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины:
Изучение дисциплины ставит своей целью 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.
При этом рассматриваются следующие аспекты:
- Установление зависимости между составом, структурой и свойствами
материалов,
- Изучение физической природы явлений, происходящих в функциональных и
конструкционных материалах, используемых в электронике, при воздействии на
них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;
- Изучение основных групп материалов, их свойств и областей применения.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к учебному циклу Б2.
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в
ходе изучения дисциплин «Общая химия» (1-2 семестры), "Физика" (2-4 семестры),
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-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и
зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области
электроники и наноэлектроники.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ПК-6:
способность
собирать,
обрабатывать
и
анализировать
НТИ
материаловедения, использовать достижения наука, техники и технологии.
в
области
ПК-13: готовность внедрять результаты разработок в производство.
ПК-14 – Способность выполнять работы по технологической подготовке производства
материалов и изделий электронной техники.
ПК-21: способность анализировать и систематизировать результаты исследований,
представлять материалы в виде научных отчетов, презентаций, публикаций.
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 оценивать функциональные
характеристики материалов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Всего
часов /
зачетны
х
единиц
144/4
Аудиторные занятия (всего)
90/2.5
Вид учебной работы
В том числе:
Семестры
4
144/4
90/2.5
-
-
Лекции
36/1
36/1
Практические занятия (ПЗ)
18/0.5
18/0.5
Семинары (С)
-
-
Лабораторные работы (ЛР)
36/1
36/1
Самостоятельная работа (всего)
18/0.5
18/0.5
В том числе:
-
-
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
18/0.5
18/0.5
36/1
36/1
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид промежуточной аттестации (экзамен)
-
-
-
-
Общая трудоемкость
144/4
144/4
часы
4
4
зачетные
единицы
(Виды учебной работы указываются в соответствии)
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1
Наименование раздела
дисциплины
Проводящие и
резистивные
материалы
2
Магнитные материалы
Содержание раздела
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.
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.
Классификация материалов по их отношению к
магнитному
полю.
Ферромагнитные
материалы.
Обменное
взаимодействие.
Доменная
структура,
магнитная
анизотропия.
Намагничивание
и
премагничивание, магнитный гистерезис, влияние
структуры. Магнитные свойства в переменных полях,
потери на перемагничивание. Магнитная проницаемость.
Зависимость магнитных свойств от температуры, точка
Кюри.
Магнитно-мягкие материалы. Металлические магнитномягкие материалы: структура, свойства, особенности
3
Диэлектрические
материалы
4
Полупроводниковые
материалы
обработки.
Сталь,
железо-никелевые,
железокобальтовые и железо-алюминиевые сплавы. Магнитномягкие ферриты.
Магнитно-твердые
материалы.
Металлические
магнитно-твердые
материалы; структура, свойства,
особенности обработки. Магнитно-твердые ферриты.
Интерметаллические магнитно-твердые материалы.
Материалы для записи и хранения информации.
Магнитные материалы се специальными свойствами.
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: 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.
Электроизоляционные и конденсаторные материалы,
Полимеры, пластмассы, композиционные материалы,
лаки эмали, компаунды, эластомеры, стекла, ситаллы,
керамика.
Активные диэлектрики. Материалы твердотельных
лазеров, сегнето- и пьезоэлектрики, электреты,
жидкокристаллические материалы. Материалы со
специальными свойствами.
Физико-химическая природа свойств материалов,
отнесенных к категории полупроводников.
Критерии,
описывающие
общие
свойства
полупроводников. Типы химической связи и механизмы
переноса
носителей
заряда.
Температурные
коэффициенты электросопротивления, Ковалентная
связь, гибридизация волновых функций валентных
электронов в полупроводниках. Кристаллическая
структура моноатомных полупроводников. Сильные и
слабые связи в полупроводниках, анизотропия свойств
монокристаллов. Особенности свойств и применения
полупроводников в микроэлектронных устройствах
(МЭУ).
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.
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. Параметры,
определяющие качество монокристаллов германия и
кремния.
Система
обозначений
монокристаллов
германия и кремния в соответствии со стандартом.
Поведение примесей в моноатомных алмазоподобных
полупроводниках. Слабо, средне и сильно легированные
германий и кремний, влияние степени легирования на их
электрофизические характеристики при нормальной и
повышенной температурах. Особенности диффузии
примесей в германии и кремнии: корреляция
коэффициента диффузии примеси с пределом ее
растворимости и коэффициентом ее распределения.
Дефекты
в
алмазоподобных
моноатомных
полупроводниках. Классификация дефектов в германии
и кремнии в соответствии со стандартом. Макро- и
микродефекты. 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 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.
Пленочные
алмазоподобные
моноатрмные
полупроводники.
Получение,
характеристики"
и
применение в микроэлектронике эпитаксиальных пленок
кремния. Автоэпитаксиальные и гетероэпитаксиальные
структуры. Проблемы легирования эпитаксиальных
пленок. Дефекты эпитаксиальных кремниевых структур,
возможности предотвращения их образования и
уменьшения
их
плотности
посредством
постэпитаксиальной обработки.
Поликристаллические пленки кремния. Получение,
морфология, свойства и применение в микроэлектронике
нелегированных и легированных поликристаллических
пленок кремния.
Алмазоподобные
полупроводниковые
соединения.
Принципы
формирования
полупроводниковых
соединений (ППС) типа АnВm: Гетероэпитаксиальные
структуры на основе ППС типа А nВm. Другие типы
полупроводниковых соединений (оксидные ППС,
халькогенидные стеклообразные ППС и др).
(Содержание указывается в дидактических единицах. По усмотрению разработчиков
материал может излагаться не в форме таблицы)
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
№ № разделов данной
дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
"Электрофизические методы
+
+
+
+
обработки материалов"
2.
""Методы исследования материалов и
+
+
структур микро- и наноэлектроники";
3.
Оборудование для получения
+
+
+
тонкоплёночных структур"


имеет междисциплинарные связи с дисциплинами
является предшествующей для изучения дисциплины (8 семестр).
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
Семин
.
СРС
Всего
8
8
10
26
2.
Проводящие и резистивные
материалы
Магнитные материалы
8
8
8
24
3.
Диэлектрические материалы
10
10
8
28
4.
Полупроводниковые материалы
10
10
10
30
1.
6. Лабораторный практикум
№
№ раздела
дисциплины
п
/
п
Наименование лабораторных работ
Трудоемкость
(часы/за
четные
единиц
1.
1
1
Металлографический анализ
ы)
4/0.11
1
Электрические свойства металлов и сплавов
4/0.11
1
Анализ микроморфологии методом РЭМ
2/0.6
2
Влияние пластической деформации на свойства
4/0.11
.
2.
2
.
3.
3
.
4.
4
пермаллоя
.
5.
5
2
5
4/0.11
магнитомягких и магнитотвердых материалов
.
6.
Влияние термической обработки на свойства
3
Электрическая прочность диэлектриков
4/0.11
3
Диэлектрические потери и диэлектрическая
4/0.11
.
7.
5
проницаемость диэлектриков
.
8.
4
4
Изучение распределения примеси в Si монокристалле
4/0.11
4
Изучение полевого контраста магнитных образцов в
2/0.06
.
9.
4
РЭМ
.
10. 4
4
Исследование статических параметров ЦМД структур
4/0.11
.
7. Примерная тематика курсовых проектов (работ):
Материалы для изготовления п/п лазеров
Керамика электроизоляционная
Материалы для токоведущих пленок интегральных схем
Пористый кремний
Термореактивные пластики
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В. Материаловедение, М.: ЮРАЙТ, 2011,
360с.
Пасынков В.В. Материалы электронной техники, М.: Высшая школа, 2005. 404 с.
Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и металловедение.
М.: МИСиС, 2004. 481 с.
б) дополнительная литература
В.В.Рыбалко и др., Наноразмерные структуры, М., Изд-во МИЭМ. 2009, 92с.
Евдокимов А.А. и др., Получение и исследование наноструктур, М., «Бином», 2010, 146с.
в) программное обеспечение :
Microsoft Office 2007; MatLab
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы: каталог БД
Национальной нанотехнологической сети.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория полупроводников и диэлектриков
Лаборатория электронной микроскопии
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
В интерактивной форме проводится 18 часов
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210100
- Электроника и нанооэлектроника