Будова речовини

Властивості матеріалів визначаються зокрема структурою та типом зв’язку між атомами речовини. Нагадаємо, що найменша частка речовини, яка зберігає її хімічні властивості  молекула. Вона складається з однакових (проста речовина) або різних (складна речовина  хімічних сполук) атомів, з’єднаних між собою хімічними зв’язками. Кількість атомів у молекулі може бути від двох (водень, кисень та інші) до сотень тисяч (макромолекулярні сполуки: поліетилен, каучук, целюлоза та інші). Хімічні зв’язки підтримуються за рахунок електричних сил взаємодії електронів та ядер атомів. При детальному вивченні будь-якого об’єкту виявляється, що він складається з декількох типів елементарних частинок до повного набору яких входять шість кварків і шість лептонів (рис.1.)

Атом (рис.2 складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого рухаються електрони, утворюючи електронні оболонки (рис.3). Будову атома, його електронних оболонок можна визначити за допомогою таблиці Менделєєва.

Атоми можуть втрачати під впливом різних факторів електрони зовнішніх оболонок (валентні) або набувати додатково один чи кілька електронів. При цьому створюються позитивні та негативні іони.

В залежності від будови зовнішніх електронних оболонок атома можуть виникати різні види зв’язку. Розрізняють чотири основні типи зв’язку: ковалентний, іонний, молекулярний та металічний. Провести різку границю між ними часто неможливо, однак можна визначити домінуючий механізм.

Ковалентний зв’язок виникає між сусідніми атомами в результаті попарного усуспільнення електронів. Ці пари - спільні для атомів, які складають молекулу. Якщо двоатомна молекула складається з однакових атомів, електронна пара належить в однаковій мірі обом атомам. В цьому випадку молекулу та ковалентний зв’язок називають неполярними або нейтральними. У неполярних молекул центри позитивних та негативних зарядів співпадають рис.4.

Якщо в окремій молекулі центри протилежних за знаком зарядів не співпадають та знаходяться на деякій відстані один від одного, то такі молекули називають полярними або дипольними (рис.5). молекула характеризується електричним дипольним моментом, який визначається добутком заряду на відстань між центрами позитивного та негативного зарядів,

. (1)

Ковалентний зв’язок може бути як в молекулі (в трьох агрегатних станах речовини) так і між атомами, що утворюють кристалічну решітку (наприклад, алмаз, кремній, карбід кремнію(SiC), германій та інш.).

Іонний зв’язок обумовлений силами електричного притягання між позитивними та негативними іонами; для нього характерний повний перенос валентних електронів від одних атомів сполуки до інших (рис.6).

Іонний зв’язок може об’єднувати як одноатомні, так і багатоатомні іони протилежних знаків. Він утворює такі неорганічні речовини, як галогеніди лужних та лужноземельних металів та солі металів (нітрати, сульфати тощо).

Сполуки з іонним зв’язком ( рис.7) існують здебільшого як кристалічні речовини (NaCl, KaCl, Al₂O₃ рис.8). Вони поступаються речовинам з ковалентним зв’язком в механічній міцності та хімічній стійкості.

Металічний зв’язок реалізується в металлах (рис. 9). Внаслідок щільного пакування атомів помітно підсилюється взаємодія між ними так, що валентні електрони можуть відриватись від атомів і переміщуватись по всьому кристаллу рис.10.

в ньому наявні позитивно заряджені атомні остови, між якими пересуваються усуспільнені електрони  “електронний газ”. Цей газ компенсує сили електростатичного відштовхування іонних остовів, забезпечуючи монолітність металу( рис.10).

Молекулярний зв’язок (зв’язок Ван-дер-Ваальса) існує в деяких речовинах і зумовлений узгодженим рухом валентних електронів у сусідніх молекулах (рис. 11). В будь-який момент часу електрони максимально віддалені один від одного і максимально наближені до позитивних зарядів.При цьому притягнення валентних електронів з позитивно зарядженими остовами сусідніх молекул виявляється сильнішим від відштовхування електронів зовнішніх орбіт. Молекулярний зв’язок спостерігається в в багатьох органічних сполуках  поліетилені, парафіні та ін. Зв’язок Ван-дер- Ваальса реалізується в речовинах з низькою температурою плавлення, що свідчить про їх неміцну структуру. Якщо для ковалентного, іонного та металічного зв’язку енергія зв’язку складає 100 кДж/моль, то для зв’язку Ван-дер-Ваальса 0,1-1 кДж/моль.

За агрегатним станом електрорадіоматеріали поділяються на тверді, рідкі та газоподібні (рис.12).

В електроніці використовують і четвертий стан речовини  плазму, яка являє собою частково або повністю іонізований газ, у якому кількість позитивних і негативних зарядів практично однакова.

Поняття структура має як мікроскопічне, так і макроскопічне значення. Мікроструктура  характер впорядкованості елементарних часток матеріалу (атомів, іонів, молекул). Макроструктура  характер формування окремих областей в матеріалі, розмір яких перевищує розмір молекул і які мають специфічні властивості. В цьому значенні говорять про доменну структуру магнітних та сегнетоелектричних матеріалів, про пористу, шарувату, волокнисту структуру. Властивості матеріалу залежать не лише від типу структури, але і від розмірів і форми структурних утворень, які в деяких випадках мають спеціальні назви (наприклад, кристаліти, волокна, зерна та ін.).

Тверді матеріали за структурою можуть бути монокристалічними, полікристалічними, аморфними та змішаними. Впорядкована кристалічна структура твердих тіл є природною рис.13 , тому що енергія впорядкованої структури звичайно нижча, ніж у невпорядкованої.

Д ля кристалічного стану характерне впорядковане розташування часток (атомів, іонів, молекул) у вузлах кристалічної решітки, яка є правильною в більшій чи меншій мірі, тобто має менше чи більше дефектів.

В кристалічних тілах сили міжатомної взаємодії спонукають до утворення стійких груп атомів чи молекул, розташування яких періодично повторюється, підкоряючись структурі далекого порядку, тобто їх упоряд­коване розміщення повто­рюється на більших відстанях, що називається кристалічною решіткою.

В ідеальних монокристалах структура далекого порядку зберігається для всього тіла. Хаотичний тепловий рух часток твердої речовини являє собою колива­льний рух біля стабільного положення рівноваги. Ці точки називаються вузла­ми кристалічної решітки, а відстань між ними - кроком кристалічної решітки. За своєю структурою кристалічні тіла діляться на дві групи: монокристали та по­лікристали.

Монокристали - тверді тіла, частки яких утворюють єдину кристалічну решітку. Важливою особливістю монокристалів є їх анізотропія, тобто залежність фізичних властивостей від напрямку, що спричинена неоднаковим кроком кристалічної решітки щодо трьох координат.

Полікристали - тверді тіла, що складаються з великої кількості безладно орієнтованих дрібних кристалічних зерен. Полікристалічні тіла складаються з окремих частинок (зерен) з правильною структурою розташування молекул чи атомів. Зерна ж в полікристалах зорієнтовані хаотично, тому всі його напрямки рівноправні, і отже, такий об'єкт можна вважати ізотропним. Для полікристалів характерна локальна анізотропія, тобто в межах окре­мого дрібного кристалика.

Однак кристалічний стан речовини не завжди реалізується, деякі частки не завжди мають можливість розташуватись впорядковано. Тоді утворюється аморфна структура, у якої відсутній далекий порядок. аморфні тіла утворюються при швидкому охолодженні речовини, коли утруднюється переміщення молекул, потрібне для формування і росту кристалів. До них можна віднести скло, смоли. Наявність ближнього порядку і відсутність далекого призводять до ізотропії аморфних тіл, тобто такого стану, коли їх властивості не залежать від вибраного напрямну в об’єкті.

Змішані (аморфно-кристалічні) матеріали  частково закристалізовані аморфні. Наприклад, скло певного складу, витримане при підвищеній температурі, починає кристалізуватись, перетворюючись у ситал.

Слід враховувати, що структури реальних кристалічних тіл відрізняються. В упорядкованому розташуванні часток у вузлах кристалічної решітки спостерігаються відхилення, що називаються дефектами кристалічної решітки.

Дефекти діляться на макроскопічні та мікроскопічні. До дефектів першо­го типу відносяться тріщини, пори, сторонні макроскопічні включення, що ви­никають в процесі утворення кристалу.

Основні типи дефектів  порожнє місце у вузлі, або зайва частка між вузлами решітки. Елементарні частки реального кристала знаходяться в неперервному тепловому русі. Його інтенсивність зростає з підвищенням температури. При температурі плавлення кристалічна структура, як правило, повністю руйнується (виняток складають рідкі кристали).

Мікродефекти діляться на точкові та лінійні.

Точкові дефекти рис.14 порушують лише ближній порядок у кристалах, не по­рушуючи дальнього порядку, - в цьому полягає їх характерна особливість.

Л інійні дефекти порушують дальній порядок. До них насамперед відно­сяться дислокації - порушення чергування атомних площин. Ці дефекти впли­вають на механічні властивості кристалів.

Дислокації, поділяються на два типи: крайові і гвинтові. Крайова дислокація утворюється, копи обривається одна із атомарних площин (рис.15.). Гвинтова виникає в процесі росту монокристала (рис.16) при зсуві однієї частини площини відносно другої.

Рис.14. Точкові дефекти

Рис.15. Крайова дислокація Рис.16. Гвинтова дислокація

В багатьох випадках наявність дефектів має важливе значення для пояснення фізичних властивостей кристала, наприклад, іонної електропровідності; остання обумовлена вакантними вузлами, що дають змогу іонам переміщуватись всередині кристала.

Р ідкі кристали  широкий клас органічних сполук, які за певних умов мають одночасно властивості кристала (впорядкованість структури, анізотропія основних фізичних властивостей) і рідини (плинність) рис.17.

В радіоелектроніці широко застосовуються матеріали як з впорядкованою, так і з невпорядкованою структурою.

Під час роботи електро- та радіотехнічних приладів на електрорадіоматеріали впливають електричне та магнітне поля, як окремо, так і сукупно. За поведінкою у електричному полі ці матеріали поділяють на три класи: провідникові, напівпровідникові та діелектричні; а за поведінкою в магнітному полі – на магнітні та немагнітні.

Провідникові матеріали використовують для проведення електричного струму. Вони, як правило, мають дуже малий або заданий питомий опір.

Звичайно до провідників зараховують речовини з питомим опором  менше 10^-5 Омм, а до діелектриків - з  більше 10⁷ Омм; питомий опір напівпровідників складає 10^-6-10⁹ Омм. Однак при класифікації речовин за електричними властивостями крім значення  необхідно враховувати і фізичну природу електропровідності, зокрема вид вільних носіїв заряду і характер залежності  від температури.

Слід мати на увазі, що в залежності від структури та зовнішніх умов порядок значень  речовини може істотно відрізнятись. Наприклад, вуглець в модифікації графіту – провідник, а алмаз – діелектрик, тверді і рідкі метали – провідники, але їх пари – діелектрики.

До провідників належать, з одного боку, надпровідникові та кріопровідникові матеріали, у яких  при дуже низьких температурах дуже малий, а іншого – матеріали високого опору, що застосовуються для виготовлення резисторів та електронагрівальних елементів.

Напівпровідникові матеріали застосовують в техніці тоді, коли потрібно керувати провідністю (температурою, напругою, освітленістю та іншими факторами). З цих матеріалів виготовляють діоди, транзистори, термістори, фоторезистори та інші напівпровідникові прилади.

Діелектрики як речовини з високим питомим опором використовують, зокрема, як електроізоляційні матеріали. В цьому випадку їх призначення – перешкоджати проходженню струму шляхами, небажаними для роботи даного приладу. В конденсаторах діелектричні матеріали служать для створення заданої ємності.

Активні діелектрики відрізняються від звичайних (електроізоляційних матеріалів) тим, що беруть активну участь в роботі електричної схеми: у відповідних компонентах служать для генерації, підсилювання, модуляції, перетворення електричних сигналів. До них зараховують матеріали квантової електроніки, сегнето-, п’єзо- та піроелектрики, електрооптичні, нелінійнооптичні матеріали, електрети та інші.

Магнітні матеріали на відміну від немагнітних (котрі практично не набувають намагніченості в магнітному полі) здатні намагнічуватись, а деякі з них зберігають свою намагніченість і після припинення дії магнітного поля. З магнітних матеріалів виготовляють осердя котушок індуктивності і трансформаторів, постійні магніти тощо.

Різницю між провідниками, напівпровідниками, діелектриками найбільш наочно можна показати енергетичними діаграмами зонної теорії твердого тіла.

Зонна теорія є основою сучасної теорії твердих тіл. Вона дозволила зрозуміти природу і пояснити найважливіші властивості металів, напівпровідників і діелектриків. Величина забороненої зони між зонами валентності і провідності є ключовою величиною в зонної теорії, вона визначає оптичні та електричні властивості матеріалу.   За взаємним розташуванню цих зон речовини ділять на три великі групи (див. Рис.18).

Провідники - матеріали, у яких заповнена електронами зона впритул прилягає до зони вільних енергетичних рівнів або навіть перекривається з нею. Внаслідок цього електрони в металі вільні, тобто можуть переходити з рівнів заповненої зони на незайняті рівні вільної зони під впливом слабої напруженості електричного поля. До провідників відносять всі метали.

Діелектрики - матеріали, у котрих заборонені зони не перекриваються і відстань між ними становить більше 4еВ. Таким чином, для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібна значна енергія, тому діелектрики струм практично не проводять. напівпровідники - зони не перекриваються і відстань між ними становить менше 4еВ. Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібна енергія менша, ніж для діелектрика, тому чисті (власні, нелегіровані) напівпровідники слабо пропускають струм.

Напівпровідники - матеріали з вузькою забороненою зоною (W=0,054еВ), котра може бути здолана за рахунок зовнішнього енергетичного впливу.

Отже, поділ матеріалів на діелектрики, напівпровідники та провідники в значній мірі умовний; вони відрізняються лише шириною забороненої зони.

Рис.18. Енергетична діаграма провідника, напівпровідника, діелектрика

Контрольні питання

1. Які основні види хімічного зв’язку утворюють молекули?

2. Чим пояснюється хімічний зв'язок у металах?

3. Яка різниця між монокристалами, полікристалами та аморфними речовинами?

4. Що називають анізотропією?

5. В чому різниця зонних структур провідника, напівпровідника і діелектрика?

6. Що таке ширина забороненої зони?

7. Як класифікують матеріали електронної техніки?

Основна навчальна література

1 Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники.№-е изд.- СПб.: Изд. «Лань», 2001.– 368 с., ил.

2 Сулима В.С. Електрорадіоматеріали: Навчальний посібник.- Харків, УІПА, 2004, 140 с., іл..

3 Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Матеріали електронної техніки» для студентів спеціальності 6.0908 усіх форм навчання. Укладач О.І.Лєпіхов.-Конотоп: КІСумДу, 2007

4 Методичні вказівки до вивчення курсу та контрольні завдання з дисципліни «Матеріали електронної техніки» для студентів спеціальності 8.090802 усіх форм навчання. Укладач О.І.Лєпіхов. - Конотоп: КІСумДу, 2007.

Додаткова література

5 Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с., ил.

6 Андреев В.М. и др. Материалы микроэлектронной техники: Учебн. пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.: ил.

7 Антипов Б.Л. и др. Материалы электронной техники: Задачи и вопросы. Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1990. – 208 с., ил.

Лекція 2

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ПРОВІДНИКАХ