Введение в материалы электронной техники

 
 
 
 
 
Ю. П. Демаков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ В МАТЕРИАЛЫ 
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 621.382 
ББК 32.85 
Д30 
 
 
Рецензенты: 
Г. В. Миловзоров, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Конструирование  
и производство радиоаппаратуры» Сарапульского политехнического  
института – филиала ИжГТУ имени М. Т. Калашникова; 
Ю. К. Шелковников, д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотр. ИПМ Удмуртского 
федерального исследовательского центра УРО РАН, Ижевск 
 
 
 
 
 
 
Демаков, Ю. П. 
Д30   
Введение в материалы электронной техники : учебное пособие / 
Ю. П. Демаков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 308 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1587-3 
 
Излагаются характеристики и свойства материалов электронной техники, используемых в современной радиотехнике. Рассмотрены физические свойства, области 
применения и технические требования к проводниковым, магнитным, диэлектрическим, полупроводниковым и наноразмерным материалам.  
Издание служит учебным материалом по дисциплине «Материалы электронной 
техники», изучаемой студентами, обучающимися по направлениям подготовки 
11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и 11.05.01 
«Радиоэлектронные системы и комплексы». Может быть полезно студентам и преподавателям других радиотехнических и приборостроительных специальностей. 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1587-3 
© Демаков Ю. П., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................................ 6 
 
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 8 
 
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ O СТРОЕНИИ МАТЕРИАЛОВ 
............................ 13 
1.1. Виды химической связи в материалах .................................................................................... 13 
1.2. Cтруктура твердых тел. Дефекты структуры ......................................................................... 15 
 
1.2.1. Геометрия кристаллической решётки 
.................................................................................. 19 
1.2.2. Cтруктурные дефекты твердых тел 
...................................................................................... 24 
1.3. Квантование в атомах ............................................................................................................... 27 
1.4. Энергетические состояния многоэлектронного атома 
.......................................................... 29 
1.4.1. Правила Хунда ....................................................................................................................... 32 
1.5. Энергетический спектр электронов в твёрдых телах ............................................................ 35 
1.6. Квантовая статистика электронов в кристаллах .................................................................... 40 
1.6.1. Прохождение микрочастицы через потенциальный барьер .............................................. 48 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................... 52 
 
Глава 2. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ .............................................................................. 53 
2.1. Электропроводность металлов и сплавов 
............................................................................... 53 
2.2. Проводниковые материалы для моточных изделий, проводного  
и печатного монтажа ....................................................................................................................... 58 
2.3. Металлы и сплавы для электрических контактов 
.................................................................. 64 
2.4. Припои и флюсы ....................................................................................................................... 68 
2.5. Проводниковые материалы с высоким электрическим сопротивлением 
............................ 70 
2.6. Сверхпроводящие материалы .................................................................................................. 74 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................... 79 
 
Глава 3. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
......................................................................................... 81 
3.1. Природа магнитного состояния 
............................................................................................... 82 
3.1.1. Диамагнетизм ......................................................................................................................... 85 
3.1.2. Парамагнетизм ....................................................................................................................... 87 
3.1.3. Ферромагнетизм 
..................................................................................................................... 89 
3.1.4. Доменная структура ферромагнетиков 
................................................................................ 94 
3.1.5. Магнитная анизотропия ........................................................................................................ 95 
3.2. Процессы при намагничивании ферромагнетиков ................................................................ 96 
3.2.1. Кривая намагничивания при циклическом перемагничивании ........................................ 97 
3.2.2. Эффект магнитострикции в ферромагнетиках 
.................................................................. 100 
3.2.3. Перемагничивание ферромагнетиков в переменных электромагнитных полях ........... 103 
3.2.4. Классификация магнитных материалов ............................................................................ 105 
3.3. Низкочастотные магнитомягкие материалы ........................................................................ 107 
3.4. Высокочастотные магнитомягкие материалы 
...................................................................... 112 
3.5. Магнитотвердые материалы .................................................................................................. 117 
3.6. Магнитные материалы специального назначения ............................................................... 123 
3.6.1. Устройство памяти на ЦМД ............................................................................................... 127 
3.6.2. Спин-волновые устройства ................................................................................................. 129 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................. 131 
 
Глава 4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ......................................................................... 134 
4.1. Поляризация диэлектриков .................................................................................................... 134 
4.1.1. Механизмы поляризации диэлектриков ............................................................................ 138 
4.2. Диэлектрические потери ........................................................................................................ 139 
4.3. Электропроводность и пробой диэлектриков ...................................................................... 146 
4.3.1. Механизмы электропроводности диэлектриков ............................................................... 148 
3 
 

4.3.1.1. Природа электропроводности жидких диэлектриков ................................................... 150 
4.3.2. Электрический пробой диэлектриков ................................................................................ 152 
4.3.3. Классификация диэлектрических материалов .................................................................. 157 
4.4. Пластмассы 
.............................................................................................................................. 158 
4.4.1. Термопластичные полимеры .............................................................................................. 161 
4.4.1.1. Неполяpные теpмопласты ................................................................................................ 162 
4.4.1.2. Поляpные теpмопласты .................................................................................................... 163 
4.4.2. Термореактивные пластмассы ............................................................................................ 165 
4.4.3. Композиционные пластмассы и слоистые пластики 
........................................................ 167 
4.4.3.1. Композиционные поpошковые пластмассы ................................................................... 167 
4.4.3.2. Слоистые пластики ........................................................................................................... 167 
4.5. Лаки, компаунды, клеи, волокнистые материалы ............................................................... 168 
4.5.1. Лаки ....................................................................................................................................... 168 
4.5.2. Электроизоляционные компаунды 
..................................................................................... 169 
4.5.3. Клеи ....................................................................................................................................... 170 
4.5.4. Волокнистые материалы ..................................................................................................... 170 
4.6. Электроизоляционные стекла ................................................................................................ 171 
4.6.1. Установочные стекломатеpиалы ........................................................................................ 172 
4.6.2. Ситаллы 
................................................................................................................................. 173 
4.6.3. Материалы для изготовления оптических световодов 
..................................................... 174 
4.6.4. Материалы для квантовой электроники ............................................................................ 177 
4.6.4.1. Материалы для лазеров .................................................................................................... 178 
4.6.4.2. Материалы для квантовых парамагнитных усилителей ............................................... 181 
4.7. Керамические материалы 
....................................................................................................... 183 
4.7.1. Высокочастотная конденсаторная керамика (группа А) ................................................. 185 
4.7.2. Низкочастотная конденсаторная керамика (группа Б) 
..................................................... 185 
4.7.3. Установочная высокочастотная керамика (группа В) 
...................................................... 186 
4.8. Сегнетоэлектрики ................................................................................................................... 187 
4.8.1. Характеристики и применение сегнетоэлектрических материалов 
................................ 190 
4.9. Пьезоэлектрики ....................................................................................................................... 195 
4.9.1. Характеристики и применение пьезоэлектрических материалов ................................... 198 
4.10. Жидкие кристаллы ................................................................................................................ 201 
4.10.1. Свойства и применение жидких кристаллов 
................................................................... 202 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................. 204 
 
Глава 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
................................................................. 206 
5.1. Зонная структура энергетического спектра полупроводников .......................................... 207 
5.2. Создание примесной электропроводности полупроводников............................................ 209 
5.3. Статистика носителей тока в полупроводниках .................................................................. 211 
5.4. Электропроводность полупроводников 
................................................................................ 215 
5.5. Механизмы рекомбинации носителей тока 
.......................................................................... 216 
5.6. Уравнения непрерывности 
..................................................................................................... 218 
5.7. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках ........................................ 220 
5.8. Влияние напряженности электрического поля на электропроводность 
и пробой полупроводников 
........................................................................................................... 227 
5.9. Электрические переходы в полупроводниках ..................................................................... 230 
5.9.1. Контакт двух полупроводников p- и n-типов 
.................................................................... 231 
5.10. Классификация полупроводниковых материалов ............................................................. 234 
5.11. Монокристаллические полупроводниковые материалы 
................................................... 236 
5.12. Поликристаллические полупроводниковые материалы для изготовления  
пассивных радиокомпонентов ...................................................................................................... 240 
5.12.1. Полупроводниковые материалы для изготовления варисторов 
.................................... 240 
 
4 
 

5.12.2. Полупроводниковые оксидные материалы для изготовления терморезисторов  
и купроксных выпрямителей ........................................................................................................ 243 
5.12.3. Полупроводниковые материалы для изготовления фоторезисторов 
............................ 247 
5.12.4. Полупроводниковые материалы для изготовления магниторезисторов ...................... 250 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................. 252 
 
Глава 6. НАНОРАЗМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
............................................................................. 254 
6.1. Термины и определения в области наноматериалов ........................................................... 254 
6.2. Межмолекулярные взаимодействия и особые свойства поверхностей раздела фаз ........ 256 
6.2.1. Размерный эффект ............................................................................................................... 257 
6.2.2. Поверхностная энергия Гиббса .......................................................................................... 259 
6.2.3. Поверхностное натяжение наночастиц. Капиллярное уравнение Лапласа 
.................... 261 
6.2.4. Формулы Гиббса-Томсона .................................................................................................. 263 
6.2.5. Зависимость поверхностной энергии от свойств наночастиц ......................................... 265 
6.2.6. Поверхностные явления. Адсорбция и адгезия наночастиц 
............................................ 266 
6.2.7. Адгезия нанокапель и смачивание ..................................................................................... 268 
6.3. Классификация нанообъектов ............................................................................................... 269 
6.4. Характеристики наноматериалов .......................................................................................... 275 
6.5. Зондовые нанотехнологии ..................................................................................................... 283 
6.5.1. Нанотехнологическая установка ........................................................................................ 283 
6.6. Развитие науки о наноматериалах и перспективы нанотехники 
........................................ 287 
Контрольные вопросы и задания 
.................................................................................................. 290 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
.............................................................................................................................. 291 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................................. 299 
 
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ..................................................................................................... 301 
 
5 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Содержание учебного пособия приближено к требованиям государственного стандарта высшего профессионального образования по УГСН 11.00.00 
«Электроника, радиотехника и системы связи» для дисциплины «Материалы 
электронной техники».  
Приобретение знаний и умений по изучению свойств и применению материалов электронной техники (радиоматериалов) требует от студентов достаточно 
больших усилий и времени. Цель издания этой книги заключается в обеспечении 
студента учебным пособием для самостоятельной работы над курсом. 
 Задачей изучения материалов электронной техники является приобретение знаний о возможностях и перспективах применения этих материалов в конструкциях компонентов электронной техники, являющихся элементами схем 
радиоэлектронных средств. Такие знания приобретаются в процессе изучения 
классификации, электрических, физико-химических свойств радиоматериалов и 
влияния этих свойств на технические характеристики компонентов электронной техники – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов, полупроводниковых приборов, контактных устройств, печатных плат, 
для изготовления которых применяются те или иные радиоматериалы. 
Требования к образованности радиоинженера в области материалов особенно возросли в последнее время в связи с широким применением такого 
класса радиотехнических устройств, как устройства функциональной электроники, в которых обработка сигналов (фильтрация, задержка, сложение и перемножение, запоминание информации и т. д.) осуществляется непосредственно в 
приповерхностном слое или объеме физической среды, в качестве которой используются полупроводники, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, магнитные 
пленки, при возбуждении этой среды электромагнитными полями различной 
природы. Существенно, что в данном случае характеристики сигнала непосредственно связаны со свойствами физической среды, в которой распространяется 
сигнал. 
 Имеется большое количество методических трудов отечественных авторов, посвящённых материалам электронной техники. Рассматриваемое пособие 
построено только на работах, список которых указан в конце пособия. Не умаляя достоинств других источников, хотелось бы отметить подготовленные  
в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» учебники [1–3], отличающиеся фундаментальным изложением материала.  
Основное внимание в данном пособии уделено отбору базовых закономерностей, характеризующих материалы электронной техники, в установлении 
связей между составом, структурой и техническими характеристиками радиоматериалов, с которыми приходится иметь дело будущему специалисту в области радиотехники и связи, также как и конструктору-технологу радиоэлектронных средств.  
Автор в большинстве разделов стремился дать достаточно строгое изложение свойств материалов электронной техники без применения сложного математического аппарата, в максимальной степени подчеркивая физическую сущ6 
 

 
ность процессов, характерных для рассматриваемого класса радиоматериалов. 
Для более глубокого усвоения изучаемого учебного материала каждая глава 
дополнена развернутым перечнем контрольных вопросов и заданий, которые 
предлагается выполнить изучающим курс. Дополнительные сведения при изучении курса можно почерпнуть из списка литературы [1–21], приведенного  
в конце книги. 
Книга содержит шесть глав и приложения. 
В первой главе излагаются основные представления о строении материалов. На основе этих представлений базируется изложение дальнейшего материала книги. В последующих пяти главах даны основные физические свойства и 
характеристики проводниковых, магнитных, диэлектрических, полупроводниковых и наноразмерных материалов, используемых в современных радиотехнических компонентах и устройствах. В приложениях приведены справочные 
данные по свойствам проводниковых, магнитных, диэлектрических и полупроводниковых материалов. 
7 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Материалы электронной техники (материалы ЭТ, радиоматериалы) – это 
класс материалов, характеризуемых определенными свойствами по отношению 
к электромагнитному полю и применяемых в радиотехнике с учетом этих 
свойств. Материалы ЭТ необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, постоянных магнитов, полупроводниковых приборов, 
электронных ламп, устройств функциональной электроники. От свойств материалов ЭТ зависит работа электрической схемы радиотехнического устройства. 
 Классификация материалов электронной техники приведена на рисунке. 
 
 
Классификация материалов ЭТ 
 
По физическим (электрическим и магнитным) свойствам все материалы 
ЭТ можно подразделить на пять основных классов.  
По электрическим свойствам выделяют проводниковые, диэлектрические и 
полупроводниковые материалы, а по магнитным – магнитные материалы.  
К особому классу современных материалов для радиоэлектроники относятся 
наноструктурные материалы.  
Основными физическими параметрами материалов ЭТ являются электросопротивление, ρ, диэлектрическая, ε, и магнитная, μ, проницаемости, показатели потерь при работе на повышенных частотах, называемые тангенсом угла 
потерь, диэлектрических, tg δ, и магнитных, tg δμ. Соответствующие параметры 
являются коэффициентами в материальных уравнениях, представленных ниже. 
Для проводниковых материалов действует закон Ома в дифференциальной 
форме:  
j = ıE, 
где    j – плотность электрического тока, А/м2;  
Е – напряжённость возбуждающего электрического поля, В/м;  
σ =1/ρ – удельная проводимость проводника, Ом–1м–1;  
ρ − удельное электросопротивление проводника, Ом·м. 
 
 
8 
 

 
Для диэлектрических материалов выполняется следующее соотношение: 
D = İİ0E, 
где   D – электрическая индукция, Кл/м2;  
ε0 = 8,854·10-12 Ф/м − электрическая постоянная;  
ε – диэлектрическая проницаемость. 
 
В свою очередь, для магнитных материалов выполняется следующее соотношение: 
B = ȝ0ȝH, 
где   B – магнитная индукция, Тл (Вб/м2);  
Н – напряжённость возбуждающего магнитного поля, А/м;  
μ0 = 4π·10-7 Гн/м − магнитная постоянная;  
μ – магнитная проницаемость. 
 
Тангенс угла потерь, в общем случае, характеризуется соотношением вида: 
0
tg į=
P
P , 
x
где   Pa – активные потери, сопровождающиеся выделением тепла в материале; 
Pх – реактивные (накопленные) потери в материале.  
 
Физический смысл реактивной мощности – это энергия, перекачиваемая от 
источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, ёмкости), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду. Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. 
Величина, обратная тангенсу угла потерь, называется добротностью, Q:  
1
= tg į
Q
. 
Количественными характеристиками устойчивости того или иного параметра радиоматериала к дестабилизирующим воздействиям, таким как температура и время, служат коэффициенты нестабильности. Коэффициент нестабильности представляет собой относительную величину отклонения параметра 
при изменении или (в ряде случаев) при фиксированном значении воздействия. 
Например, температурный коэффициент параметра у, αy,T, характеризует относительное изменение параметра y при изменении температуры Т окружающей среды на один градус: 
1
1
Į y T
y
y
y
y
T
T
y
T
−
Δ
=
=
−
Δ
, К–1. 
2
1
,
2
1
где  αy,Т – коэффициент, характеризующий относительное изменение параметра 
y под влиянием дестабилизирующего фактора – температуры;  
9 
 

 
Δy = y2– y1 – изменение параметра y в диапазоне значений от y1 до y2 при 
изменении температуры Т на величину ΔТ = Т2 – Т1. 
 
Система параметров, характеризующих различные материалы электронной 
техники приведена в таблице. 
Проводниковые материалы характеризуются относительно низким электросопротивлением.  
Низкоомные проводники применяют для изготовления монтажных проводов, кабелей, в качестве контактных материалов.  
Их параметры: удельное сопротивление ρ ≤ 0,02·10-6 Ом·м, температурный 
коэффициент сопротивления αρ,T § 4·10-3 К-1. 
 
Таблица. Параметры материалов электронной техники 
№ 
п/п 
Класс 
радиоматериалов 
Параметр 
Обозначение, 
размерность в системе СИ 
Удельное электрическое  
сопротивление 
ρ, Ом·м 
1 
Проводники 
1
οܶ, ʙିଵ 
Температурный коэффициент  
сопротивления 
ߙ஡,் = οɏ
ɏ
Удельное электрическое  
сопротивление 
ρ, Ом·м 
Диэлектрическая проницаемость 
1
İ
İ
D
E
=
 
0
2 
 
Диэлектрики 
Тангенс угла диэлектрических потерь 
tg
а
Температурный коэффициент  
диэлектрической проницаемости 
ߙக,் = οɂ
ɂ
1
οܶ, ʙିଵ 
P
P
δ =
 
x
B
Магнитная проницаемость 
H
=
 
1
ȝ
ȝ
0
Индукция технического насыщения 
Bs, Тл 
3 
Магнетики 
Температурный коэффициент  
магнитной проницаемости 
ߙஜ,் = οɊ
Ɋ
1
οܶ, ʙିଵ 
Остаточная индукция 
Br, Тл 
Коэрцитивная сила 
Нс, А/м 
Тангенс угла магнитных потерь 
tg
 
а
P
P
μ
δ =
 
x
Ширина запрещённой зоны 
ΔWg, эВ 
Удельное электрическое  
сопротивление 
ρ, Ом·м 
4 
Полупроводники 
5 
Наноматериалы 
Все предыдущие параметры 
 
1
οܶ, ʙିଵ 
Температурный коэффициент  
сопротивления 
ߙ஡,் = οɏ
ɏ
 
10