4.2. Полупроводники

Это особая категория неметаллических, неорганических материа­лов. К ним относятся основные материалы микроэлектроники, такие как кремний, германий, селен, расположенные в центре периодической таб­лицы. К полупроводникам относятся и многие соединения с алмазоподобной решеткой, такие как GaAs, InSb, CdTe, ZnS и др.

В структурах алмаза, кремния, германия и алмазоподобных соеди­нений сильным ковалентным -связям вдоль направлений <111> отве­чают максимальные значения модулей упругости . Однако, в отли­чие от металлов, для этого класса материалов наиболее важны не меха­нические, а электрофизические свойства. Определение полупроводника трудно представить до рассмотрения электронной зонной теории кри­сталлических твердых тел. Можно сказать, что полупроводники - это изоляторы, в которых запрещенная зона между состояниями валентных электронов (валентная зона) и электронными состояниями, ответствен­ными за электропроводность (зона проводимости), значительно меньше, чем в обычных изоляторах, и может быть преодолена при наличии оп­ределенных условий, например, с помощью теплового возбуждения. Поэтому, в отличие от металлов, электропроводность полупроводников растет с температурой.

У каждого типа полупроводниковых соединений с ростом моляр­ной массы (вниз по периодической системе) растет размер атомов, а в результате увеличивается постоянная решетки, уменьшается энергия связи и растет ширина запрещенной зоны.

Для получения диодов, транзисторов и других приборов электрон­ной техники к чистым полупроводникам добавляют определенные при­меси. В зависимости от вида примеси можно получить две разновидно­сти полупроводников (n- и p -типа), которые проводят электрический ток лучше чистых полупроводников. Электронная проводимость любо­го полупроводника n-типа основана на свободных электронах, т.е. она подобна проводимости металлов. Электронная проводимость любого полупроводника р-типа обусловлена наличием, так называемых дырок, которые можно рассматривать как фиктивные положительные частицы, поскольку они представляют собой места в кристаллической решетке, где отсутствуют валентные электроны.

Таким образом, полупроводники - широкий класс веществ, в которых концентрация подвижных носителей заряда значительно ниже, чем кон­центрация атомов и может изменяться под влиянием температуры, освеще­ния или относительно малого количества примесей. Полупроводники слу­жат основной материальной базой развития ведущих направлений в разра­ботке композитов для электронной промышленности, совершенствовании твердотельной электроники и создании новых типов компьютеров.

4.3. Полимеры

Это вещества, на основе высокомолекулярных соединений, обычно многокомпонентные и многофазные (от греч. polimeres - состоящий из многих частей). Полимерные материалы отличаются широкими возможно­стями регулирования состава, структуры и свойств. Молекулы органиче­ских веществ, состоящие в основном из атомов углерода и водорода, чаще всего образуют полимеры, т.е. длинные цепи, а не трехмерные кристалли­ческие структуры. Основные типы полимерных материалов - пластические массы, резины, лакокрасочные материалы, клеи, смолы и др.

Общей чертой полимеров является ковалентная связь. На одном конце спектра материалов этого класса находятся линейные полимеры, в которых атомы (часто атомы углерода) соединены в очень длинные цепочки (макромолекулы) сильными ковалентными связями. Связь ме­жду цепочками обусловлена слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Эти ве­щества никогда не бывают полностью кристаллическими. Они - основа древесины и термопластиков. На другом конце спектра этих материалов располагаются полимеры с замкнутой пространственной структурой

трехмерные ковалентные молекулы которых образуются путем полиме­ризации "мономерных" единиц. Поскольку в состав полимеров часто входит водород, то наряду с силами Ван-дер-Ваальса для этого типа материалов характерны и водородные связи. Полимеры являются осно­вой не только пластиков, но и материалов, производимых лакокрасоч­ной и резиновой промышленностью, а также промышленностью синте­тических волокон, не говоря уже о живой материи.

Существенное влияние на физические свойства полимеров оказы­вают четыре фактора, характеризующие структуру макромолекул (по­лимерных цепей). Один из факторов - средняя длина цепи, к другим трем факторам относятся сила взаимодействия между полимерными цепями, регулярность упаковки цепей и жесткость отдельных цепей. Самое сильное межмолекулярное взаимодействие возникает, когда цепи имеют поперечные мостики, т.е. образуют друг с другом химические связи. Этот процесс называют сшиванием, он часто происходит при на­гревании. Образование поперечных связей замыкает полимерные цепи в трехмерную сетку, поэтому таким полимерам при нагреве уже нельзя придать новую форму. Жесткие полимеры такого типа называют термо­активными. К ним относятся полиэфирные, эпоксидные, алкидныс и другие смолы. Трехмерная (сшитая) структура позволяет эластомерам (например, каучук) долго выдерживать достаточно высокие температу­ры и циклические нагрузки без остаточной деформации. Многие пер­спективные полимеры, напротив, термопластичны и размягчаются при нагреве (например, полиолефины, полистирол и др.).

Основные достоинства полимерных материалов: низкая стоимость, сравнительная простота изготовления, малая энергоемкость и малоотходность методов получения и переработки, невысокая плотность, вы­сокая стойкость к агрессивным средам, атмосферному и радиационному воздействиям и ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, высокие оптические, радио- и электротехнические свойства. Основные недостат­ки: низкая тепло- и термостойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений, для многих поли­меров - горючесть.