1. Зонная теория твердого тела и классификация материалов.

Впервые зонная теория твердого тела была предложена английским физиком Ф.Х. Вильсоном в 1931 г. Она основана на квантово-меха­ни­че­ских представлениях и применима только к идеальным или почти идеальным кристаллам. Это удобная, наглядная и в то же время приблизительная теория.

При образовании кристаллов из одиночных атомов происходит перекрывание атомных орбиталей близких энергий и образование молекулярных орбиталей, число которых равно общему числу перекрывающихся атомных орбиталей. С ростом числа взаимодействующих атомов в кристалле растет число разрешенных молекулярных энергетических уровней, а энергетический порог между ними уменьшается.Образуется непрерывная энергетическая зона, в которой переход электрона с более низкого энергетического уровня на более высокий не требует больших затрат энергии. Заполнение электронами молекулярных орбиталей, составляющих непрерывную энергетическую зону, происходит в порядке возрастания энергии, согласно принципу Паули.

Совокупность энергетических уровней, занятых валентными электронами составляет валентную зону. Энергетические уровни, незаполненные электронами, составляют зону проводимости.

В кристаллах проводников валентная зона находится в непосредственной близости от зоны проводимости и иногда перекрывается с ней. Энергетический барьер близок к нулю (рис. а).

 

Рис. а Расположение энергетических зон в кристаллах

 

В проводнике электроны валентной зоны при их незначительном возбуждении могут легко перейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, что обеспечивает высокую электропроводность металлов.

У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большим энергетическим барьером (DЕ > 4 эВ). Валентные электроны не могут попасть в зону проводимости даже при передаче им значительного количества энергии, так как электроны не могут свободно перемещаться по всему объему кристалла, проводимость в кристалле отсутствует.

Ширина запрещенной зоны полупроводников невелика (DЕ ~ 0,1–4 эВ). При низкой температуре они проявляют свойства изоляторов. С повышением температуры энергия валентных электронов возрастает и становится достаточной для преодоления запрещенной зоны. Происходит перенос электрических зарядов, полупроводник становится проводником.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические. Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре. Диэлектрическими называют материалы, основным электриче­ским свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реаль­ный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводи­мость и чем слабее у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты. Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удель­ной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлект­рическими материалами и отличи­тельным свойством которых яв­ляется сильная зависимость удель­ной проводимости от концентрации и вида примесей или различных де­фектов, а также в большинстве слу­чаев от внешних энергетических воздействий (температуры, осве­щенности и т. п.).

2. Основные свойства проводниковых материалов.

Проводником принято называть такое тело, в объёме которого имеется много свободных зарядов. Зарядов, способных перемещаться внутри этого объёма. Различают проводники с электронной проводимостью (проводники первого рода) и проводники с ионной проводимостью (проводники второго рода).

К проводникам первого рода относятся все металлы и металлические сплавы. В объёме металлического тела имеется много свободных электронов, которые являются носителями электричества в таких проводниках. К проводникам второго рода относятся электролиты, представляющие собой водные растворы кислот, щелочей, солей и др. В электролитах носителями электричества являются ионы, на которые распадаются молекулы растворённого вещества.

Свойства проводников:

1.Электрические:

• Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость.

• Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю

2.Физические:

• Плотность

• Температура плавления

3.Механические:

• Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках.

4.Химические:

• Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии.

• Свойства соединятся при помощи пайки, сварки.

3. Сверхпроводимость материалов, сверхпроводниковые материалы.

С понижением температуры наблюдается монотонное падение электрического сопротивления материалов. Вблизи абсолютного нуля у многих металлов и сплавов происходит резкое падение электрического сопротивления, и они становятся сверхпроводниками (рисунок 1).

Рисунок 1 – Влияние температуры на электрическое сопротивление сверхпроводниковых материалов

Сверхпроводимость – способность материалов не оказывать сопротивления электрическому току при температурах ниже характерной для них критической температуры Т_к.

Впервые сверхпроводимость обнаружил в 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес, который наблюдал скачкообразное исчезновение сопротивления ртути до неизмеримо малой величины при температуре 4,2 К.

К настоящему времени сверхпроводимость обнаружена у большинства чистых металлов, причем сверхпроводящее состояние легче всего возникает в металлах с низкой обычной проводимостью. Открыто и изучено около трех тысяч сверхпроводящих сплавов и интерметаллических соединений, и их число непрерывно растет. Чистые металлы принято относить к сверхпроводникам первого рода, а сплавы и соединения – к сверхпроводникам второго рода.

Напряженность магнитного поля в объеме сверхпроводников при температурах ниже критической равна нулю. Металл становится диамагнетиком – материалом, приобретающим во внешнем магнитном поле магнитный момент, направленный против намагничивающего поля. Поэтому при переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле «выталкивается» из его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10–5мм. Это явление называетсяэффектом Мейснера.

Перевод материала в сверхпроводящее состояние связан с фазовым переходом. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки и вступают во взаимодействие между собой. Электроны с противоположными спинами объединяются в пары, и результирующий спиновый момент становится равным нулю. Электронные пары называют куперовскими по имени Леона Купера, впервые показавшего, что сверхпроводимость в металлах связана с их образованием.

В обычном, неспаренном состоянии электроны рассеиваются на примесях, имеющихся в металле, или на тепловых колебаниях кристаллической решетки – фононах. Рассеивание электронов приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские пары не рассеиваются, так как энергия фононов, которую пара может получить от взаимодействия с ними или дефектами решетки при криогенных температурах, слишком мала. Не испытывая рассеяния, куперовские пары движутся сквозь решетку кристалла без сопротивления, что и приводит к явлению сверхпроводимости.

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено как при нагреве материала до температуры выше критической, так и в результате воздействия сильных внешних магнитных полей с напряженностью Нк, превышающей критическое значение. Критическое магнитное поле подобно критической температуре является основной характеристикой сверхпроводящего материала. При превышении Ткили Нкпроисходит скачкообразное восстановление электрического сопротивления, и магнитное поле проникает в металл. Одним из главных преимуществ сверхпроводников является возможность достижения высоких плотностей тока. Чем выше плотность тока, тем компактнее приборы, меньше расход дорогостоящих сверхпроводящих материалов и меньше масса, которую необходимо охлаждать. Высокая плотность тока позволяет снизить капитальные и эксплуатационные расходы установок на сверхпроводниках.

4. Полупроводники. Механизм проводимости полупроводников.

Полупроводник — это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводником и диэлектриком и отличается от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких эВ (электрон-вольт), то есть соизмерима с kT. Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs — к узкозонным.

Полупроводник – это вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков.

Полупроводник – это широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Механизм проведения электрического тока полупроводниками

Полупроводники характеризуются как свойствамипроводников, так идиэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливаютковалентные связи(то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называютдыркой.

Обычноподвижностьдырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.