МиКЭТ Экз билеты (каравашкина ставит автомат, если сдал все лабы, рефераты и был активным)

1.​ Общая классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению.

Применяемые материалы делятся на функциональные (радиоматериалы) и конструкционные материалы:

•​ Функциональные материалы – материалы, которые обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронной аппаратуры. При использовании таких материалов в приборах и устройствах электроники, в первую очередь, принимаются во внимание их электрические свойства (резистивные, конденсаторные и электроизоляционные материалы, высокопроводящие и сверхпроводящие вещества, материалы для хранения и записи информации, материалы с нелинейными электрическими свойствами, материалы для активных элементов полупроводниковой электроники, таких как диоды, транзисторы, лазеры, фотодетекторы и др.)

•​ Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления корпусов и деталей различных приборов и устройств электронной техники. Как правило, эти материалы выполняют вспомогательные функции, причем корпуса приборов и детали конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров. К ним предъявляются прежде всего жесткие эксплуатационные, технологические и экономические требования.

Виды классификации:

●​ По агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные)

●​ По структуре (поликристаллы, монокристаллы, аморфные, смешанные) ●​ По типу связи (ионной, ковалентной, металлической, молекулярной) ●​ По степени участия в преобразовании энергии (пассивные, аквтивные)

●​ По степени воздействия электрического поля (проводники [ρ < 10^-5 Ом*м], полупроводники [ρ = 10^-5…10^8 Ом*м], диэлектрики [ρ > 10^8 Ом*м])

●​ По степени воздействия магнитного поля (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики)

2.​ Структура атомов. Виды химической связи. Особенности строения твердых тел.

1

Атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтроны - нейтральные частицы, поэтому заряд ядра определяется числом содержащихся в нём протонов. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре (масса электрона в 1000 раз меньше массы протона и нейтрона).

Электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд протонов – атом является нейтральным образованием.

Энергия электронов в атомах квантована, т.е. электроны могут занимать только определённые энергетические уровни, находясь на которых они не излучают и не поглощают энергии. Все процессы поглощения и излучения энергии атомом связаны с переходами электронов с одного разрешённого уровня на другой – с одной стационарной орбиты на другую.

Электрон характеризуется: спиновым числом (описывает собственный момент вращения), магнитным квантовым числом (характеризует пространственное расположение атомной орбитали), орбитальным квантовым числом (определяет орбитальный момент количества движения электрона), главным квантовым числом (характеризует плотность расположения энергетических уровней на энергетической шкале).

Устойчивая структура из атомов возникает, когда силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания

2

Ковалентная связь образуется путём спаривания валентных электронов соседних атомов при перекрытии электронных оболочек.

Ионная связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлического атома к металлоидному и электростатического притяжения разноимённо заряженных ионов друг к другу

Металлическая связь существует в системах, построенных из положительных атомных остовов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов. Притяжение между положительными атомными остовами и электронами обуславливает целостность металла

Молекулярная связь наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия. Существование межмолекулярного притяжения в этом случае объясняется согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах, благодаря которому возникает упорядоченная система мгновенных электрических моментов (диполей). Взаимодействие между ними способствует понижению потенциальной энергии молекул. В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда силы притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказываются сильнее взаимного отталкивания электронных оболочек этих молекул. Подобное притяжение между флуктуирующими диполями получило название дисперсионного взаимодействия.

3

Кристалл - твердое тело, имеющее упорядоченную трехмерную структуру. При описании внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решётки – регулярной пространственной сетки, узлам которой соответствуют атомы, ионы или молекулы, образующие кристалл.

Монокристалл – однородное твёрдое тело периодического строения без явных макродефектов структуры, вызывающих нарушение дальнего порядка в расположении атомов, ионов или молекул.

В случае поликристалла регулярное расположение частиц нарушается на границах раздела, при переходе от одного зерна к другому.

Текстура – поликристалл, мелкие зерна которого преимущественно ориентированы. Полиморфизм – способность вещества образовывать не одну, а несколько

кристаллических структур Угол решетки – геометрические места расположения атомов и молекул.

Элементарная ячейка – минимальная часть кристалла, образованная направленными вдоль ребер векторами.

Отклонения от регулярного расположения частиц называют дефектами структуры.

Для определения кристаллографических плоскостей и осей пользуются индексами Миллера.

4

Коэффициенты (индексы) Миллера – это наименьшие целые числа,

соотносящиеся между собой как расстояния от начала координат до пересечения координатных осей с искомой плоскостью.

Здесь значения H, K, L равны числам 1, 4, 2. Обратные им - 1, 1/4, ½. Индексы Миллера для данной кристаллографической плоскости представляются в виде (412)

Минус обозначается чертой над индексом Миллера.

Если плоскость параллельна одной из координатных осей, индекс Индексы направлений заключаются в квадратные скобки (например, отрицательно

направление оси X обозначается [100])

Стёкла и аморфные тела.

Твердые тела, которые характеризуются случайным хаотичным расположением частиц, называются аморфными.

Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления и характеризуются достаточно широким температурным интервалом размягчения.

В стёклах при отсутствии периодичности в строении можно наблюдать определённый ближний порядок, т.е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома.

3.​ Кристаллы. Дефекты в строении кристаллических тел. Энергетические зоны в кристаллах.

5

см. предыдущий вопрос В зависимости от масштабов нерегулярности статические дефекты подразделяются

на точечные и протяженные.

Кточечным дефектам относятся вакансии, т.е. незанятые узлы решётки, атомы в междоузельным позициях и примесные атомы

Кпротяженным дефектам структуры относятся дислокации (нарушения правильного чередования атомных плоскостей. бывает краевая и винтовая дислокация), границы зерен, трещины, поры, микровключения другой фазы.

Энергетические зоны.

В изолированном атоме электрон пребывает на стационарном уровне сколько угодно долго. При туннельном “просачивании” электронов от одного атома к другому происходит расщепление дискретного энергетического уровня в полосу разрешенных значений энергий.

6

Всоответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причём с противоположным направлением спинового магнитного момента. Число электронов, заполняющих данную энергетическую зону, конечно.

Вполупроводниках и диэлектриках валентная зона и зона проводимости разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещённой зоной.

4.​ Физическая природа электропроводности металлов и сплавов.

При выстраивании кристаллической решётки расстояние между атомами уменьшается, вследствие чего энергетические уровни расщепляются в интервалы энергий (энергетические зоны), которыми может обладать электрон, совершающий циклические перемещения вокруг ядра.

Электропроводность металлов определяется наличием в них “электронного газа”, состоящего из свободных (обобществленных / коллективизированных) электронов.

Приложение внешнего напряжения приводит к увеличению скорости электронов в направлении действующих сил поля, т.е. электроны получают добавочную скорость направленного движения, благодаря чему и возникает электрический ток.

После столкновения для большинства электронов скорость направленного движения падает до нуля, т.е. накопленная кинетическая энергия передаётся атомам

7

решётки. Поэтому вводят понятие длины свободного пробега – среднего расстояния, проходимого электроном между двумя столкновениями.

Таким образом, электронный газ переносит заряд и уравнивает температуру (за счёт соударений с атомами)

Сопротивление металлу обусловлено двумя механизмами рассеяния: столкновением электронов с неподвижными локальными центрами (дефектами) и рассеянием электронов тепловыми колебанями кристаллической решётки.

Удельное сопротивление металла определяется как

ρ = ρТ + ρОСТ

ρТ – удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решётки; ρОСТ – удельное остаточное сопротивление,

обусловленное рассеянием электронов на статических дефектах структуры. Наибольший вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях.

Для двухкомпонентных сплавов ρ = С = (1 − )

ОСТ

C – константа, зависящая от природы сплаваи – атомные доли компонентов в сплаве

Виды растворов:

●​ Раствор замещения – первичные атомы заменяются ●​ Раствор внедрения – между первичными атомами появляются новые ●​ Раствор вычитания – в узлах не хватает атомов

Под действием поля основная масса электронов имеет близкую к уровню Ферми энергию.

Уровень Ферми (или энергия Ферми) – величина, определяющая максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре

Энергия Ферми не зависит от объёма кристалла, а определяется только концентрацией свободных электронов.

Вероятность обнаружения электрона с энергией E (распределение Ферми-Дирака):

5.​ Влияние температуры, примесей и других структурных дефектов на удельное сопротивление металлов.

С ростом температуры увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов и связанные с ними флуктуации (случайные отклонения) периодического поля решётки, что в свою очередь усиливает рассеяние электронов вызывает возрастание удельного сопротивления.

Важно отметить, что при низких температурах уменьшаются не только амплитуды тепловых колебаний атомов, но и частоты колебаний, поэтому в области низких температур рассеяние электронов тепловыми колебаниями узлов кристаллической решётки становится неэффективным. Температура Дебая определяет максимальную частоту тепловых колебаний, которые могут возбуждаться в кристалле.

9

I – область сверхпроводимости* (важно помнить, что всё ещё есть остаточное сопротивление на дефектах структуры)

II – быстрый рост удельного сопротивления ρ ~ ( может быть до 5 степени) III – линейный участок, у большинства металлов достигает температур, близких к

точке плавления (исключение – ферромагнитные материалы, в которых имеет место дополнительное рассеяние электронов на нарушениях спинового порядка)

VI – вблизи точки плавления может наблюдаться некоторое отступление от линейной зависимости

V – При фазовом переходе у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления 1,5 – 2 раза, но есть исключения: у веществ со сложной структурой, подобных висмуту (Bi) и галлию (Ga), плавление сопровождается уменьшением сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления

α= 1 ρ

ρρ

Причинами рассеяния являются не только тепловые колебания узлов решётки, но и статические дефекты структуры, которые нарушают периодичность потенциального поля

10