Напівпровідникові матеріали - активні середовища приладів біомедичної техніки

Вступ

Одна з основних тенденцій сучасної медицини пов'язана із широким використанням у ній різного роду технічних засобів. Така ситуація не тільки закономірна, але і цілком зрозуміла. Дійсно, тільки за допомогою сучасної електронної техніки істотно підвищується можливість отримання достовірної діагностики і з'являється перспектива керування процесами, що протікають у різноманітних біологічних об'єктах. В даний час розроблена і розробляється достатньо велика кількість медичної техніки, що працює на різноманітних фізичних принципах, починаючи від механічних і закінчуючи електромагнітними з частотами від інфрачервоного до рентгенівського діапазонів електромагнітних хвиль.

Функціонування електронних приладів на практиці визначається властивостями матеріалів для їх активних і пасивних середовищ. Така ситуація призводить до необхідності вивчення студентами спеціального курсу "Основи матеріалознавства та матеріали електронної техніки", де розглядаються матеріали, що застосовуються в цій області природознавства.

Даний посібник адресований студентам, що за родом своєї майбутньої діяльності є споживачами, а не розроблювачами або виробниками матеріалів для електронних приладів. Тому в посібнику акцент зміщений в область вивчення й обговорення властивостей матеріалів. Особливості технологічних процесів їх отримання будуть відзначені, коли параметри матеріалів істотно залежать від умов технологічного процесу. Прикладом такого роду матеріалу, у першу чергу, варто визнати кремній, що вирощується за методом Чохральского або епітаксіальними методами.

Після вивчення дисципліни студент повинен розуміти природу і знати особливості основних груп матеріалів, знати фізичний зміст параметрів матеріалу, їх залежності від зовнішніх умов, розуміти дані довідників і Держстандартів, уміти зробити вибір найбільш ефективного матеріалу для конкретної мети, бути підготовленим для використання параметрів матеріалів при розрахунках електричних, теплових,механічних та ін. характеристик електронних приладів біомедичної техніки.

Природно, що даний посібник не претендує на повноту викладення матеріалу. При необхідності повну інформацію студент може одержати у відповідних підручниках, довідниках і періодичній літературі з електронного матеріалознавства. Проте автор сподівається, що посібник виявиться корисним при вивченні курсу "Основи матеріалознавства та матеріали електронної техніки".

1. НАУКОВІ ЗАДАЧІ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА І КЛАСИФІКАЦІЯ МАТЕРІАЛІВУ нових областях науки і техніки, до яких належить матеріалознавство біомедичної електронної техніки, основні матеріали виконують складні і різноманітні функції, і тому вимоги до них багатопараметричні. Природно, що не всі параметри матеріалів однаково важливі в конкретних умовах їх застосування. Отже, обгрунтування критерію, що оцінює ефективність використання саме обраного матеріалу, а не якогось іншого, виявляється проблематичним і не завжди об'єктивним процесом.

У багатьох випадках головним критерієм ефективності вважають універсальність застосування матеріалу для рішення цілого комплексу задач, тобто працездатність у широкому діапазоні режимів і впливів, які його збуджують, некритичність до конструкції апаратури і т.д. Саме тому вибір оптимального матеріалу виявляється операцією, яку важко формалізувати. Останнє істотно обмежує можливості автоматизації цього етапу робіт. У такій ситуації пріоритет віддається знанню і досвіду фахівця-матеріалознавця.

У той же час обговорювати фізико-хімічні властивості матеріалів у єдиному комплексі без їхнього групування, класифікації і виділення першорядних властивостей здається безперспективною задачею. Відзначені факти є достатньо загальними і, природно, застосовні до опису ситуації, що склалася в біомедичному матеріалознавстві. Тому перед тим, як переходити до аналізу конкретних матеріалів, необхідно розглянути останні уявлення матеріалознавства по цьому питанню і трансформувати їх стосовно біомедичної електронної техніки.

В даний час можна вважати класичним у якості основного критерію класифікації використовувати електричні властивості матеріалів. Дійсно, вони найбільш повно розкривають природу матеріалу, яка тісно пов'язана з характером просторового розподілу електронів. Тому ці властивості і висуваються на перше місце в електронному матеріалознавстві. Всі інші властивості, а виходить, і класифікації за неелектричними ознаками, мають обмежене, звужене значення й у тій або іншій мірі можуть бути виведені з основних електричних.

Відповідно до висловленого основного принципу найбільш сучасна класифікація матеріалів, використовуваних у біомедичній електронній техніці подана на рис. 1.1. З рис. 1.1 видно поділ усіх матеріалів на три основні класи, що відображено трьома характерними вертикальними колонками структури. Поряд із вертикальним розподілом існує і серія горизонтального розмежування. Стрілками позначені взаємозв'язки типового або абсолютного характеру (суцільні лінії) і пунктирні лінії, що відображують нетипові взаємозв'язки між елементами класифікації.

Роздивимося рис. 1.1 докладно. Необхідно, відразу відзначити, що, незважаючи на наявність величезної кількості матеріалів із проміжними механічними, електричними і т.д. властивостями, тільки напівпровідники виділені в спеціальний клас. Це стало відображенням тієї фундаментальної ролі, що відіграють напівпровідники в сучасній техніці. Тому саме така форма класифікації матеріалів електронної техніки є більш детальною і докладною, ніж будь-яка інша.

Наявність першого горизонтального рівня відображає фізичну основу класифікації - електронну структуру матеріалу. Остання знайшла своє відображення у характері хімічних зв'язків атомів матеріалу (ковалентной, металевої й іонної).

Цілком істотно, що безпосередній взаємозв'язок між просторовим розподілом заряду в поданій формі з електропровідністю буде однозначним тільки в структурах з упорядкованим розташуванням атомів, тобто в кристалічній твердій фазі. Проте досвід показує, що саме твердий стан багато в чому визначає фізичні явища й у рідкій фазі. Тому зміщення акценту в класифікації на твердий стан здається цілком обгрунтованим.

Наслідком типу хімічних зв'язків став і характер електропровідності матеріалу, що відбилося в наступному рівні класифікаційної таблиці, де виділені напівпровідники, провідники і діелектрики. Зв'язок між рівнями абсолютний і однозначний. Це відображено безперервними вертикальними лініями між першим і другим ярусами таблиці. Що відбудеться з електропровідністю в міру зростання дефектності монокристалічного матеріалу. Зрозуміло, що до певних меж роздрібнення метали і напівпровідники принципово не повинні змінити характер провідності, тому що навіть дрібне зерно цих матеріалів збереже в собі початкові властивості фази. Іншими словами, вихідні матеріали все одно залишаться в межах свого класу, але їх параметри зміняться. Проте основні тенденції по впливу зовнішніх факторів на електричні параметри залишаться незмінними. У відношенні ж діелектриків після здрібнювання ситуація ще простіша, тому що ізолюючі властивості зростають у зв'язку з ускладненнями переносу носіїв заряду через міжзернові межі, які утворилися. Таким чином можна стверджувати, що аморфізація матеріалу призведе тільки як би до зсуву меж класифікації убік діелектриків, не змінюючи при цьому фізичної сутності матеріалу.

Запропонована класифікація стає більш образною, якщо звернути увагу на типи відзначених взаємозв'язків між класами. Дійсно, у колонках, які пов'язані суцільними лініями, виявилися матеріали у своєму найбільш типовому стані, а пунктирні ж лінії зв'язали можливі метастабільні структури.

У такий спосіб запропонована схема зв'язала в єдине ціле три головні концепції матеріалознавства: будова електронних оболонок, ступінь упорядкованості структури, електропровідність і стандартний стан матеріалу для його застосування.

Подана класифікація у відомій мірі умовна, тому що не містить у собі цілий комплекс перехідних станів, наприклад, таких як вироджені напівпровідники, напівметали, рідкі кристали і т.д. Фізично це означає, що реальні межі між класами є розмитими. Проте запропонована система виправдовує себе як у практичному відношенні, так і є теоретично несуперечливою.

Подану класифікацію доцільно взяти за основу для систематизації матеріалів біомедичної електронної техніки. Дійсно, як в активних, так і пасивних приладах, конструкціях або пристосуваннях біомедичної техніки неминуче застосування всіх розглянутих вище класів матеріалів.

До приведеної класифікації варто додати ще один клас матеріалів - матеріали з особливими фізичними властивостями. Природно, що в приведену класифікацію вони не вписуються. Дійсно, у цьому комплексі матеріалів їхній поділ здійснюється за своїми специфічними властивостями: магнітні параметри, оптичні, механічні і т.д. Досвід роботи приладів біомедичної техніки показує, що саме з матеріалами цього класу зв'язуються високі електрофізичні параметри та перспективи роботи діагностичних систем. Це дозволило виділити їх в особливий розділ, хоча вони, по своїй суті, подають перехідні, метастабільні, стани між відповідними стабільними, відзначені трьома колонками рис. 1.1.,

Розглянута класифікація матеріалів знайшла своє відображення у побудові посібника за наступним принципом. При викладі властивостей напівпровідників акцент у розгляді зміщено в область монокристалічного стану, провідників -полікристалічного, діелектриків - аморфного. При цьому у всіх розділах особлива увага приділена питанням застосування матеріалів у біомедичній апаратурі.

Найважливіша роль напівпровідників в електронній техніці обумовлена насамперед тим, що вони є основою активних приладів, спроможних посилювати потужність або перетворювати один вид енергії в інший (але не в тепло) у малому об'ємі твердого тіла без істотних витрат. В даний час не існує жодного приладу біомедичної електронної техніки, де б не грали свою головну роль напівпровідники.

Найбільш очевидною ознакою напівпровідника є його менша, ніж у металів, але більша, ніж у діелектриків, електропровідність. На практиці прийнято вважати, що при кімнатній температурі напівпровідники можуть мати питомий опір в інтервалі 10~³ -10⁷ Ом • см. Проте не всі матеріали, що

потрапляють по аналізованому параметру в зазначений діапазон, є напівпровідниками. Для конкретизації матеріалів цього класу необхідно вводити додаткові обмеження. Перше з такихобмежень - сильна залежність електропровідності від температури, освітлення, опромінення і т.д. Ця вимога як би служить межею в класифікації (рис. 1.1) між діелектриками і напівпровідниками.

Ознакою напівпровідників, що явно відрізняє їх від металів, є функціональна залежність їх електропровідності від температури. Якщо питомий опір напівпровідників із зростанням температури падає, то в металах чітко спостерігається обернена тенденція. Таким чином приведені властивості напівпровідників цілком достатні для їх відокремлення від металів і діелектриків.

Дата добавления: 2014-01-04