1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
1.1. Классификация материалов по применению
Материалы, применяемые в электронной технике, принято классифицировать на электротехнические, конструкционные и материалы специального назначения. Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы.
Проводники - это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводящих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов).
Диэлектрики - это материалы, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. По применению различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлектрики (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), свойствами которых можно управлять внешним энергетическим воздействием.
Полупроводники - это материалы с сильной зависимостью электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.).
По отношению к магнитному полю большинство электротехнических материалов - немагнитные либо слабомагнитные вещества. Существует особая группа материалов, проявляющих сильные магнитные свойства.
Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным с их строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнит-
ных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопро- 6
водов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом магнитной энергии; их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации.
Основной характеристикой электротехнических материалов яв-
ляется удельная электропроводность - γ, Сименс/м, как коэф-
фициент пропорциональности между плотностью тока j (А/м2) и напряженностью электрического поля E (В/м) в законе Ома
j = γ E . |
(1.1) |
Удельная электропроводность зависит только от свойств материала. Этой характеристикой обычно пользуются в теории. На практике, для оценки электропроводности материалов и систем более широко используется обратная величина - удельное электриче-
ское сопротивление - ρ, Ом·м,
ρ = |
1. |
(1.2) |
|
γ |
|
Для основных групп электротехнических материалов значение ρ составляет:
•проводники - ρ < 10-5 Ом·м;
•диэлектрики - ρ > 108 (до 1016) Ом·м;
•полупроводники - ρ = 10-5…108 Ом·м.
Что касается магнитных материалов, по величине удельной проводимости (удельному сопротивлению) они могут быть проводниками, полупроводниками или диэлектриками.
Среди материалов, применяемых в электротехнических устройствах и приборах, особое место занимают сплавы с высокими упругими свойствами, которые применяются для упругих элементов (токопроводящие пружины, подвески, растяжки, мембраны и т.д.), и
сплавы с особыми свойствами теплового расширения (спла-
вы инварного типа). Различают сплавы с минимальным коэффициентом линейного расширения, предназначенные для деталей приборов с повышенными требованиями постоянства линейных размеров при изменении температуры, и сплавы с заданным коэффици-
7
ентом линейного расширения - для создания вакуумплотных спаев с другими материалами (стеклом, керамикой и т.д.).
1.2. Основы зонной теории твердого тела
Зонная теория является основой современных представлений о процессах, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Она рассматривает движение валентных электронов в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки с учетом корпускулярно-волновых свойств элементарных частиц.
В квантовой теории движение электронов описывается волновой функцией, и разрешенными орбитами для электронов изолированного атома являются только те, на длине волны которых (2πr) укладывается целое число волн де Бройля λ: 2πr = n·λ, n = 1, 2, 3… Длина волны де Бройля составляет
λ = |
h |
= |
h |
, [м], |
(1.3) |
m u |
2m Э |
||||
|
e |
|
e |
|
|
где me - масса электрона; h - постоянная Планка; u - тепловая ско-
рость движения свободных электронов, м/с; Э = me u2 - кинетиче-
2
ская энергия электронов.
Исходя из этого постулата, можно определить радиус разрешенных орбит и соответствующие им энергетические уровни электронов. Таким образом, изолированный атом имеет дискретный энергетический спектр: электроны занимают определенные энергетические уровни. Некоторые из них электроны занимают в нормальном невозбужденном состоянии атома, на более высоких энергетических уровнях электроны могут находиться в возбужденном состоянии при внешнем энергетическом воздействии. После прекращения энергетического воздействия электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни. Переход электронов с одних энергетических уровней на другие происходит дискретно и
8
сопровождается поглощением, либо выделением квантов энергии
(рис. 1).
Рис. 1. Схема энергетических уровней: а - атома: 1 - уровень невозбужденного
атома, 2 - уровени возбужденного атома; б - твердого тела: 1 - валентная зона
(заполнена электронами), 2 - зона проводимости (зона свободных энергетических уровней), 3 - запрещенная зона
В кристалле между соседними атомами возникают силы обменного взаимодействия, что приводит к перекрытию электронных оболочек и обобществлению электронов. Обобществленные валентные электроны любого вещества могут свободно перемещаться без затраты энергии от атома к атому по всему кристаллу путем обмена (туннельный переход). Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированных атомов в кристалле расщепляются, образуя энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии.
Количество энергетических уровней, составляющих энергетическую зону, определяется числом атомов в твердом теле. Если в 1см3 кристалла содержится 1022…1023 атомов, а ширина зоны в среднем составляет 1 эВ (электронвольт), то уровни в зоне отстоят друг от друга на 10-22…10-23 эВ. Это означает, что энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром, и достаточно
9
малейшего энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой при наличии там свободных состояний. Внутренние электронные оболочки изолированных атомов, как правило, заполнены электронами, соответствующие им энергетические зоны также оказываются заполненными. Самую внешнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной. Ближайшую к валентной разрешенную зону свободных энергетических уровней называют зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости отделены друг от друга запрещенной зоной - энергетическим барьером, ∆Э (рис. 1).
Принципиальное отличие проводниковых материалов от диэлектриков и полупроводников заключается в различной реакции на внешнее электрическое поле, что иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 2).
Рис. 2. Схема энергетических зон: а - проводника, б - полупроводника, в - диэлектрика
В проводниках (металлах) зона проводимости вплотную примыкает к валентной зоне (∆Э = 0). Валентная зона не полностью заполнена электронами, имеются свободные энергетические подуровни, которые с зоной проводимости образуют энергетический спектр свободных уровней (рис. 2,а). В электрическом поле добавочная
10