1.3.4. Зонная теория твёрдого тела.

В 1931г. английский физик Вильсон с помощью математического аппарата квантовой механики построил зонную теорию твёрдого тела, которая позволяет прояснить поведение электронов при энергетических воздействиях на твёрдое тело.

Энергия электронов отдельного изолированного атома может принимать строго определённые разные дискретные значения в зависимости от расстояния от ядра атома. Наибольшую энергию имеют валентные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра на определённых орбитах. Каждой орбите соответствует строго определённое значение энергии, т.е. каждая орбита представляет собой определённый энергетический уровень. Под воздействием притяжения положительно заряженного ядра электроны полностью заполняют ближайшие к ядру орбиты с минимальными значениями энергии.

В твёрдом теле в кубическом миллиметре содержится ~ 10¹⁹ атомов и происходит наложение энергетических уровней отдельных атомов с образованием зон энергетических уровней. В зоне столько уровней, сколько атомов в данном кристаллическом теле.

Рис. 1.3. Энергетическая диаграмма: 1– валентная зона; 2 – зона проводимости; 3 – запрещённая зона.

На рис. 1.3 представлены энергетические зонные диаграммы для основных групп материалов, применяемых для изготовления радиоматериалов, работающих в электрическом поле (диэлектрики, полупроводники, проводники). На диаграмме отмечены разрешённые зоны, образованные совокупностью энергетических уровней с разрешёнными значениями энергии (валентная зона, зона проводимости).

Разрешённые зоны отделены друг от друга запрещённой зоной энергий, которые электрон в данном кристалле иметь не может. Запрещённая зона характеризуется энергетическим барьером ∆W, отделяющим валентную зону, от зоны проводимости. Этот барьер является параметром материала, характеризует важное свойство материала и называется ширина запрещённой зоны (ШЗЗ).

Электроны, потерявшие в связь с ядрами атомов, образуют зону проводимости (свободную зону). Количество носителей зарядов в зоне проводимости определяет проводимость материала.

Электрон из валентной зоны может перейти в зону проводимости при получении дополнительной энергии при нагреве, освещении (электромагнитное излучение оптического диапазона), при воздействии электрическим и магнитным полем, потоком электронов, ядерных частиц, при механических воздействиях. В валентной зоне образуется вакантное место „дырка”. В электрическом поле электрон соседнего атома займёт вакантное место, оставив своё прежнее место вакантным. Таким образом, в валентной зоне начинается перемещение вакантных мест „дырок”.

Если ширина запрещённой зоны ∆W близка к нулю, то валентные электроны могут перейти в зону проводимости благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам.

Если ШЗЗ превышает 3÷8 эВ, то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относятся к группе диэлектриков.

Если значение ШЗЗ составляет 0,1÷0,3 эВ, то электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешним энергетическим воздействиям. Вещества, проводимость которых можно менять таким образом, ― называются полупроводники.

При сообщении атому энергии извне его электроны могут также перейти на одну из более удалённых орбит с более высоким энергетическим уровнем. В этом случае атом называется „возбуждённым”. Средняя продолжительность жизнивозбуждённого атома ~ 10^-8с. Затем следует переход электрона в первоначальное состояние с выделением кванта энергии (рекомбинация).

Дефекты и примеси создают в запрещённой зоне дополнительные энергетические уровни и тем самым существенно меняют проводимость. Поликристаллические и амфорные материалы имеют свои особенности на зонной диаграмме.

При помещении полупроводника в электрическое поле свободные носители зарядов под действием сил поля приходят в движение (электроны в зоне проводимости; „дырки” в валентной зоне). При температуре абсолютного нуля и в темноте валентная зона РМ полностью заполнена электронами, а в зоне проводимости нет свободных электронов. В атомах твёрдых тел внутренние электронные орбиты обычно полностью заполнены электронами, которые не меняют своё состояние и не влияют на электрические свойства тел.

1.3.5. Классификация электрорадиоматериалов.

Радиоматериалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами, которые используются при изготовлении радиокомпонентов.

По поведению в электрическом поле различают:

– проводниковые материалы;

– полупроводниковые материалы;

– диэлектрические материалы;

По поведению в магнитном поле различают:

– магнитные материалы (µ >> 1);

– немагнитные материалы ( µ ≈ 1).

По способности к поляризации различают:

– полярные диэлектрики;

– неполярные диэлектрики.

По зависимости свойств от частоты различают:

– низкочастотные материалы;

– высокочастотные материалы.

По химическому составу различают:

– органические материалы;

– неорганические материалы.

1.4. Контрольные вопросы.

1. Основные свойства радиоматериалов.

2. Свойства, параметры, характеристики РМ.

3. Потребительские, функциональные, технологические, эксплуатационные свойства РМ.

4. Модель атома Резерфорда-Бора.

5. Виды химических связей.

6. Разновидности твёрдого состояния РМ.

7. Дефекты кристаллов.

8. Зонная теория твёрдого тела.

9. От чего зависит величина тока через твёрдое тело?

10. Классификация радиоматериалов.

11. Что такое „дырка”?

12. Какие кристаллические решётки могут иметь сплавы?

Глава II. Проводниковые и резистивные материалы.

2.1. Классификация.

Проводниковые материалы – это материалы, основным используемым свойством которых является проводимость электрического тока.

Проводниковые материалы могут быть твёрдыми, жидкими, газообразными.

К твёрдым проводникам относятся металлы и сплавы, которые имеют кристаллическую структуру. Валентные электроны металлов могут свободно перемещаться в пределах кристаллического тела, образуя электронное облако ( свободные заряды). Электрический ток в металлах это движение свободных электронов под действием сил электрического поля. Сопротивление движению электронов оказывается дефектами кристаллической решётки и тепловыми колебаниями ионов в узлах кристаллической решётки.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы (расплавы) и электролиты

(растворы солей, кислот, щелочей). Электрический ток в жидкостях обусловлен движением ионов под действием приложенного извне напряжения.

При прохождении электрического тока через электролит электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение вещества из раствора, в результате концентрация электролита постепенно уменьшается.

К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе пары металлов. При малых напряжениях они являются диэлектриками и обладают очень большим сопротивлением. При напряжённости электрического поля, обеспечивающей начало ионизации, газ становится проводником с электронными и ионными носителями зарядов. Сильно ионизированный газ называется плазмой.

В зависимости от применения проводники делятся на группы:

― материалы высокой проводимости используются для изготовления токоведущих жил проводов и кабелей, контактов;

― материалы высокого сопротивления ( резистивные материалы) используются для изготовления резисторов, реостатов, нагревательных элементов;

― материалы специального назначения;

― криопроводники и сверхпроводники.