1.3.5 Зонная структура твердых тел

В основе современной электронной теории твердых тел лежит зонная теория,объясняющая электрические свойства всех материалов, в том числе и ПП.В изолированном атоме энергия электрона определяется силой притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В кристалле энергии электронов изменяются : у одних увеличиваются , у других уменьшаются, так как возникают силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Если в изолированном атоме энергия каждого электрона соответствует определенному энергетическому уровню, то в кристалле эти энергетические уровни расщепляются в энергетические зоны, число уровней в которых равно числу атомов в твердом теле (рисунок 1.22)

Ширина этих зон определяется природой атомов и структурой кристалла. Зона, соответствующая энергиям валентных электронов, называется валентной зоной. У ПП в валентной зоне находятся электроны, участвующие в ковалентных связях. При воздействии

Рисунок 1.22

внешних факторов (электрического поля, облучения светом, нагревания и т.д.) электроны валентной зоны приобретают дополнительную энергию, переходят на более высокие энергетические уровни и становятся электронами проводимости.

Совокупность энергетических уровней таких электронов образует зону проводимости или свободную зону, которая в отсутствие внешних факторов оказывается свободной, незаполненной электронами. Между валентной и свободной зонами находится запрещенная зона, т.е. промежуток значений энергии, которыми электрон в данном кристалле обладать не может(рисунок 1.23.)

Рисунок 1.23 - Энергетические диаграммы диэлектрика, ПП, металла.

В зависимости от ширины запрещенной зоны ∆E, все материалы делятся на проводники ∆E<0,1 эВ, полупроводники ∆E=(0,1-3) эВ и диэлектрики ∆E>3 эВ. (I-эВ – энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1 В).

2 Проводниковые материалы

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или задан­ным удельным электрическим сопротивлением ρ. К ним относят­ся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводнико­вые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное элект­рическое сопротивление при очень низких температурах весьма мало.

2.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материа­лы разделяют на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлект­риками и обладают очень высоким удельным электрическим сопро­тивлением ρ. Однако при напряженности электрического поля, ко­торая обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется элек­тронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированно­го газа наступает равенство между числом электронов и положи­тельных ионов, то такой газ представляет собой особую проводя­щую среду, называемую плазмой.

Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который созда­ется приложенным извне напряжением. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие элек­трический ток, называют электролитами или проводниками вто­рого рода. При прохождении электрического тока через электро­лит, в который погружены электроды, электрические заряды пере­носятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На элек­тродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления (таблица 2.1). Толь­ко ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы сис­темы индий-галлий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Таблица 2.1 – Температура плавления металлов

Металл	Температура плавления Tпл , °С	Металл	Температура плавления Тпл , °С
Ртуть Hg	-38,9	Никель Ni	1455
Галлий Ga	29,7	Кобальт Co	1490
Натрий Nd	97,7	Железо Fe	1535
Индий In	156	Палладий Pd	1554
Олово Sn	232	Титан Ti	1680
Кадмий Cd	321	Платина Pt	1773
Свинец РЬ	327	Торий Th	1850
Цинк Zn	420	Цирконий Zr	1860
Магний Mg	651	Ниобий Nb	2415
Алюминий Al	657	Молибден Мо	2620

Серебро Ag	961	Тантал Та	2970
Золото Аи	1063	Рений Re	3180
Медь Си	1083	Вольфрам W	3380
Бериллий Be	1284

Продолжение таблицы 2.1

Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.

К твердым проводникам относят металлы и сплавы. В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева 75% эле­ментов - металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металли­ческой связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса веще­ства одного металла в другой, как это имеет место при прохожде­нии тока в электролитах, поскольку перенос электрических заря­дов осуществляется только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,1 мкОм·м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм·м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных мате­риалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, обкладок конденсаторов, тонкопленочных проводников и контактных площадок в ИМС, выводов радиоэлементов

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов, материалов для нагревательных элементов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы ни­келя и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электри­ческим сопротивлением ρ при очень низких температурах называ­ются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.