Найбільш високими провідниковими властивостями володіють мідь і золото. Відразу ж необхідно відзначити, що благородні матеріали досить широко застосовуються в електронній і біомедичній техніці. Це обумовлено їх високими електричними і технологічними характеристиками, та й через малу кількість їх застосування в конкретному виробі такий підхід виявляється цілком виправданим в економічному відношенні.
Золото - метал із низьким питомим опором, має абсолютну хімічну стійкість навіть при підвищених температурах, високопластичний, технологічний, добре паяється, вариться будь-якими засобами. До недоліків варто віднести низьку абразивостійкість, схильність до взаємодифузії з іншими матеріалами навіть при низьких температурах. Відзначені недоліки частково усуваються введенням у золото модифікуючих домішок, таких як Со, N1, А§ і т.д. Золото широко застосовується для створення контактів і монтажі кристалів мікросхем.
Мідь має високу електропровідність і не так інтенсивно взаємодіє з іншими компонентами електронної техніки. У той же час мідь швидко окислюється і потребує захисту від впливу навколишнього'середовища. Мідь широко використовується як доріжковий провідник печатних плат електронної техніки. У якості контактів до напівпровідників мідь не застосовується через надзвичайно високу швидкість її дифузії і, як слідство, практично втратою керування технологічним процесом легування.
Алюміній, на відміну від відзначених матеріалів, надзвичайно хімічно активний елемент. Проте ця його властивість пасивується утворенням на поверхні щільної оксидної плівки. Завдяки цим властивостям, а також дешевизні і низькою питомою вагою, алюміній широко використовують у виробництві електронних приладів. У інтегральних схемах алюміній застосовується в якості омічних контактів і для утворення бар'єрів Шоткі.
Особливе застосування в електронній техніці знаходить тантал. Цей метал має надзвичайну властивість. У чистому стані він має металеву провідність і високу електропровідність. При нітруванні тантала утворюється плівка з досить високими резистивними властивостями. При цьому, змінюючи концентрацію азоту в плівці, можна керувати електропровідністю матеріалу в досить широких межах. Тантал взаємодіє з киснем з утворенням п'ятиокису танталу - матеріалу з типовими діелектричними властивостями. Таке сполученнявластивостей дозволяє створювати електронні прилади по єдиній танталовій технології, де використовуються його властивості як провідника, діелектрика і резистивного матеріалу.
Конкретну інформацію з електрофізичних і конструкційних властивостей металів, сплавів і інших провідникових матеріалів можна знайти в довідковій літературі і відповідних Держстандартах.
4. ДІЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ
Більшість хімічних сполук із ковалентним або іонним типом зв'язку мають високий електричний опір (більше 109Ом • см ) і є діелектриками. Внаслідок значного перевищення ширини забороненої зони (більш 3 еВ) енергії теплового руху вільних носіїв заряду, концентрація останніх у діелектриках нижче 1 см~3. Це означає, що практично всі потенційні носії заряду знаходяться у зв'язаному стані і в електропровідності приймати участі не можуть. Така ситуація пояснює ізоляційні властивості діелектриків. Сказане відноситься до випадку, коли діелектрик знаходиться в постійному електричному полі. Ситуація принципово змінюється при розміщенні діелектрика в змінному електричному полі. Експерименти показують, що діелектрик не розриває ланцюг змінного струму і струм тече через нього за рахунок явищ поляризації матеріалу.
4.1 МЕХАНІЗМИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Поляризація - це зсув зв'язаних електричних зарядів діелектрика на обмежену відстань під дією зовнішнього електричного поля. Якщо діелектрик знаходиться між пластинами конденсатора, підімкненого до джерела напруги, то зсув його зв'язаних зарядів створить у матеріалі власне електричне поле, спрямоване проти зовнішнього. Це означає, що результуюче поле між пластинами зменшиться, й обкладки конденсатора зможуть прийняти додаткову кількість заряду. Іншими словами, електрична ємність конденсатора зросте. Кількісно такий процес характеризується відносною діелектричної проникністю, що являє собою відношення ємності конденсатора з діелектриком С до ємності того ж конденсатора з вакуумом між пластинами Су:є = С/Со .
Поляризація - явище характерне й обов'язкове для діелектриків. Для провідників у нормальних умовах поляризація не спостерігається. Дійсно, вільні заряди провідників під дією постійного електричного поля будуть рухатись. При цьому цей рух буде продовжуватися доти, поки поле в об'ємі провідника не скомпенсується полем зарядів, що зміщаються. З такого розгляду випливає важливий висновок про відсутність електричного поля усередині провідників. Відзначений факт відображає характерну відмінність провідників від діелектриків, поле усередині якого існує і його розмір обумовлений зовнішнім полем і полем зв'язаних зарядів або ж явищем поляризації.
Процес поляризації властивий будь-якому діелектрику. У залежності від виду зарядів, відстаней на які вони можуть зміщатися, часу, що затрачається на поляризацію, розрізняють такі механізми поляризації.
Всім діелектрикам властива електронна поляризація - зсув електронних оболонок атомів під дією електричного поля. У результаті цього центри мас позитивно зарядженого ядра й електронної оболонки перестають збігатися, й атом стає електричним диполем. Специфіка цього виду поляризації виявляється в його пружному характері. При такій поляризації зміщаються частки з дуже малою масою (електрони), тому процес відбувається з дуже високою швидкістю, і поляризація практично безінерційна. Час релаксації електронної поляризації біля 10'12 с, тобто вона встигає слідкувати за зміною поля навіть до оптичних частот. На практиці це означає, що матеріали з електронною поляризацією мають практично незалежну від температури і частоти діелектричну проникність.
Іонна поляризація викликається пружним зсувом іонів в електричному полі на невелику в порівнянні з періодом кристалічної ґратки відстань. Такий механізм поляризації типовий для матеріалів з іонною будовою кристалічної ґратки. Вплив іонної поляризації перевищує дію електронної, тому в матеріалах цього класу значення діелектричної проникності декілька вище і може досягати десятків і більше відносних одиниць. Так як іонна поляризація відбувається на атомному рівні, то час її встановлення дуже малий і знаходиться на рівні 10~7 с. Іншими словами, діелектрики з таким переважним механізмом поляризації можуть виконувати свої функції і при високих частотах.
З підвищенням температури зв'язок між іонами послаблюється, і зсув іонів полегшується. Це призводить до росту діелектричної проникності з температурою для матеріалів із переважною іонною поляризацією.
У полярних діелектриках спостерігається дипольна або орієнтаційна поляризація. Молекули таких діелектриків мають чітку несиметричну стосовно розподілу заряду будову. Під дією електричного поля існуючі диполі орієнтуються в просторі, що викликає поляризацію діелектрика. Природно уявити, що такого роду процеси протікають із втратою енергії і вимагають часових витрат. Отже, дипольна поляризація непружна і має релаксаційний характер.
Для цих матеріалів типова досить сильна залежність діелектричної проникності від температури. В міру росту температури спочатку спостерігається збільшення діелектричної проникності через ослаблення сил взаємодії між диполями. Потім відбувається зменшення поляризаційного ефекту у зв'язку з підвищенням ефективності теплового руху, що розупорядковує електричну структуру діелектрика.
При збільшенні частоти відбувається зменшення діелектричної проникності, оскільки починає проявлятися інерційність процесу орієнтації.
Під міграційною поляризацією розуміють переміщення іонів в електричному полі на відстані, що перевищує період кристалічної ґратки матеріалу. Іон, що рухається, не стає носієм електричного струму, тому що його переміщення обмежене, як правило, розмірами зернин полікристалів, але поляризаційний ефект при цьому чітко спостерігається. Неважко уявити, що така поляризація буде спостерігатися в матеріалах із великою кількістю дефектів і легкорухомих іонів, наприклад, таких як іон натрію.
Серед іонних кристалів виділяються матеріали, що поляризуются без зовнішніх впливів, самодовільно, спонтанно. Таке явище має назву спонтанної поляризації. Спонтанна поляризація обумовлена наявністю в кристалі областей із рознесеним у просторі електричним зарядом. У цьому відношенні спонтанна поляризація є електричним аналогом спонтанного доменного намагнічування феромагнетиків. Ці матеріали мають унікальні властивості і ретельно їх характеристики розглянуті в спеціальному розділі.
4.2 ОСНОВНІ ЕЛЕКТРО-ФІЗИЧНІ ПАРАМЕТРИ ДІЕЛЕКТРИКІВ
При розгляді механізмів поляризації діелектриків для кількісної характеристики цього процесу було введене поняття діелектричної ' проникності середовища. Цей параметр відображає основну спроможність матеріалу змінювати картину електричного поля і сприяти накопиченню заряду в системі. При аналізі поляризаційних процесів відзначалися основні тенденції в поведінці діелектричної проникності при зміні температури і частоти прикладеного електричного поля. Для промислове важливих діелектриків зазначені залежності приводяться в спеціальній довідковій літературі і для найбільш поширених матеріалів розроблені відповідні Держстандарте. Тому вибір матеріалу за цим параметром не викликає особливих ускладнень.