№1. Типы химической связи, Особенности материалов электрон. техники

Природу и основные свойства материала определяет тип химической связи между частицами. Химической связью называется совокупность сил, удерживающих атомы в веществе. Она может возникать как между отдельными атомами, так и между сложными химическими .частицами - молекулами, ионами, радикалами и т.п. При сближении атомов между ними начинается взаимодействие, характер которого существенно зависит от структуры их электронных оболочек, причем решающую роль играют электроны внешнего слоя - валентные электроны. Химическую связь образуют два электрона с противополож­ными спинами, при этом за счет перекрывания электронных оболочек взаимодействующих атомов происходит перераспределение электронной плотности. Участие в химических процессах электронов следующего слоя значительно слабее, а электроны, расположенные на внутренних оболоч­ках, практически не оказывают влияния на химические свойства атомов. Силы, действующие между атомами, являются силами электрического взаимодействия, в котором основную роль играют именно валентные электроны.

Известны четыре типа химической связи - ионная, ковалентная, металлическая и молекулярная, Или связь Ван-дер-Ваальса, что и объясняет огромное разнообразие свойств веществ.

Особенности материалов микроэлектроники

Электрофизические свойства являются одними из основных свойств материалов, определяющих их применение в микроэлектронике. В этой связи наиболее распространена классификация материалов, по их способности проводить электрический ток. В соответствии с данной классификацией материалы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники имеют удельное электросопротивление от 10^-6 до 10^-3 Ом*см, а их валентная зона и зона проводимости перекрываются,

полупроводники имеют удельное электросопротивление от 10^-2 до 10⁹ Ом*см и ширину запрещенной зоны от 0,1 до 3,0 эВ;

диэлектрики имеют удельное электросопротивление более 10* Ом-см и ширину запрещенной зоны более 3,0 эВ

По структурным особенностям материалы микроэлектроники делятся на кристаллические и аморфные, при этом кристаллические материалы могут быть как монокристаллическими, так и поликристалли­ческими.

Монокристаллические материалы, такие как кремний и арсенид галлия, являются базовыми материалами электроники.

Другая особенность состоит а использовании материалов как в объемном, так и в пленочном виде. При этом свойства материалов в пленочном исполнении могут существенно отличаться от свойств объемных материалов.

В микроэлектронике применяются вещества высокой чистоты, так как малейшее изменение количества примесей может привести к резкому изменению свойств полупроводников. В тоже время все эти материалы редко используются в беспримесном виде. Обычно для управления их свойствами в них преднамеренно вводят те или иные элементы, т.е. легируют.

№2. Ковалентная связь. При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. Каждая пара атомов в молекуле удерживается при помощи одной или нескольких пар, образующихся за счет .двух электронов, которые до образования связи принадлежали разным атомам. Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Поскольку при образовании перекрывающиеся электронные облака определенным образом направлены в пространстве, возникающая химическая связь будет иметь направленный характер.

Возможен и другой механизм образования ковалентной связи - за счет неподеленных электронных пар одного атома (донора) и свободных орбиталей другого (акцептора). Такая связь называется донорно-акцепторной и отличается от обычной ковалентной связи только происхожде­нием электронной пары (пример - СаАS).

Ковалентная связь типична для твердых неорганических кристал­лов с п/п(и) свойствами: алмаза, кремния, германия, карбида кремния и других соединений. Данная связь характеризуется высокой прочностью. Например, алмаз и карбид кремния обладают высокой твердостью и высокой температурой плавления.

Для оценки способности атома притягивать к себе общую электронную пару при образовании химической связи пользуются величиной относительной электроотрицательности. Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее притягивает он общую электронную пару. При образовании связи возможны три случая:

1) молекула образуется из двух одинаковых атомов. В этом случае электронная плотность поровну распределена между связывающимися атомами. Возникает неполярная ковалентная связь;

2) связь образуется из атомов с различающимися электроотрица- тельностями. Возникает полярная ковалентная связь;

№3 Ионная связь. Связь образуют два атома с резко различающимися электроотрицательностями. Связь такого типа осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. При большом различии электроотрицательностей у взаимодействующих атомов образующиеся соединения состоят из ионов, а электроны в ионных соединениях локализованы и принадлежат одному из атомов.

Ионная связь реализуется в ионных кристаллах, к которым относится преобладающая часть неорганических соединений. Такие кристаллы состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов. Силы взаимодействия не имеют направленного характера, каждый ион связан одинаковыми силами со всеми своими соседями. Таким образом, внутри ионного кристалла нельзя обнаружить группировки ионов, которые соответствовали бы молекулам.

Деление связей на ковалентные и ионные условно, поскольку не существует резкой границы между этими типами связи. Можно говорить о ковалентной связи с некоторой долей ионности, и наоборот.

№4. Металлическая связь. Специфика металлической связи состоит в том, что валентные электроны, осуществляющие химическую связь, принадлежат не двум или нескольким отдельным атомам, а всему кристаллу. При этом обобществленные электроны не локализованы вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя "электронный газ". Такая связь сферически симметрична и имеет ненаправленный характер. Металлическая связь характерна для металлов, их сплавов и интерметаллических соединений. Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении положения атомов, т.е. им свойственна высокая пластичность при деформациях (ковкость). Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электропроводнос­тью и теплопроводностью.

Молекулярная связь, или связь Ван-дер-Ваальса обусловлена взаимодействием электрически нейтральных молекул или атомов. Взаимодействие между молекулами имеет электрическую природу и связано с наличием у них постоянных и мгновенных диполей. Межмолекулярное взаимодействие складывается из сил притяжения (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания. Ориентационные силы действуют между полярными молекулами. Индукционные (поляризационные) сипы существуют между поляр­ной и неполярной молекулами. При этом полярная молекула создает электрическое поле, которое поляризует другую молекулу, индуцируя в ней дипольный момент.

Дисперсионные межмолекулярные силы наблюдаются между неполярными молекулами. Движение электронов в атомах, колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение взаимного положения электронов и ядер вызывает появление мгновенных диполей. Мгновенный диполь создает электрическое поле, поляризующее соседние молекулы, в результате возникает взаимодействие мгновенных диполей. Энергия взаимодействия неполярных молекул есть средний результат взаимодействия таких мгновенных диполей, в частности, дисперсионное взаимодействие обусловливает переход благородных газов при низких температурах в жидкое состояние.

Молекулярная связь объясняет существование жидкостей и молекулярных кристаллов. Однако ее энергия примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной связей, что определяет низкую температуру плавления молекулярных кристаллов.

5. Структура материалов

Большая часть материалов электронной техники – это кристаллы. Кристаллы – это твёрдые тела, которые имеют регулярное, т.е. периодическое расположение материальных частиц в трёхмерном пространстве. Расположение частиц выдерживается на расстояниях, соизмеримых с размерами атома.

Дальний порядок

Каждому хим. веществу, находящемуся в данных термодинамических условиях

в кристаллическом состоянии соответствует определённая атомно-кристаллическая структура. Кристаллической структурой называется конкретное расположение материальных частиц в пространстве. Очновной особенностью структуры кристалла является их симметрия. Это свойство кристалла совмещаться с собою при поворотах, отражениях, параллельных переносах или комбинации этих операций, которые называютться симметричными опрациями. Полный набор всех элементов симметрии, присущий данному кристаллу называется его классом симметрии. Симметрия внешней формы кристалла определяется симметрией его атомного строения, что обуславливает также и симметрию свойств кристалла. Внутреннее строение кристалла можно представить как трёхмерную пространственную решётку, образованную закономерно расположенными, периодически повторяющимися в строго определённых направлениях через строго определённые промежутки материальными частицами. Существование такой пространственной решётки объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания, соответствующие минимуму потенциальной энергии системы достигается при условии трёхмерной периодичности. Различные воздействия, такие как электрическое или магнитное поле, механическое усилие или добавление в кристалл атомов другого сорта может нарушить это динамическое равновесие и изменить свойства кристалла, что позволяет управлять свойствами материалов и активно используется в технике.

6. Элементарные ячейки решеток Бравэ

Простую решётку можно также представить, как множество смежных параллелепипедов. Параллелепипед, являющийся минимальной частью кристалла, в которой сосредоточены все свойства кристалла, называется элементарной ячейкой. Рёбра элементарного параллелепипеда a, b и с называются параметрами решётки или векторами элементарной трансляции.

В зависимости от величины и взаимной ориентации этих векторов простые решётки имеют различную симметрию. Все элементарные имеют угловые и метрические характеристики.

Существует 14 типов элементарных ячеек, которые называются элементарными ячейками решёток Бравэ. Все типы простейших решёток распределяются на 7 сингоний, которым свойственна одинаковая совокупность угловых и метрических характеристик. 7 из 14 элементарных ячеек называются примитивными. В них атомы расположены только в узлах элементарного параллелепипеда. Остальные 7 элементарных ячеек являются сложными, а точнее производными от примитивных. В них атомы расположены не только в узлах, но и на параллельных гранях внутри (в центре) – объёмоцентрированная (базоцентрированная) и на всех гранях параллелепипеда – гранецентрированная.

Сингонии определяются по признаку симметрии в категории: низшую, среднюю и высшую. Таким образом симметрия является не только свойством кристалла, но и основой для систематизации всех имеющихся в природе кристаллов. Решётки Бравэ играют исключительно важную роль в кристаллографии. С помощью 14 типов решёток Бравэ можно описать всех имеющихся в природе кристаллов, как элементарных, так и химических соединений. Для описания кристаллической структуры материалов электронной техники наибольший интерес представляют ячейки гексагональной и кубической сингоний.

Гексагональная сингония принадлежит к средней категории и для неё выполняются следующие соотношения: α = β = 90˚ γ = 120˚ а =b ≠ c. Возможны только примитивная элементарная ячейка.

Кубическая сингония принадлежит к высшей категории и для неё выполняются следующие соотношения: α = β = γ = 90˚ a = b = c. Возможны примитивная, объёмоцентрированная и гранецентрированная элементарные ячейки.