Экзамен материалы. 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами

• Название: 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами
• Дата: 25.01.2023
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Экзамен материалы.docx
• Тип: Документы; #905119
• страница: 1 из 4

1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами.







2. Классификация диэлектриков. Виды активных и пассивных диэлектриков. Краткое описание активных диэлектриков.





3. Классификация материалов по магнитным, структурным свойствам, агрегатному состоянию и типам химических связей.





4. Строение атома. Энергия атома. Принцип Паули. Квантовые числа

Согласно современным представлениям атомы имеют центральное ядро, состоящее из незаряженных нейтронов и положительно заряженных протонов, окруженное облаком отрицательно заряженных электронов. Атом электрически нейтрален, поскольку суммарный заряд электронов равен положительному заряду протонов. Электроны относятся к категории микрочастиц, которым присущ принцип дуализма, то есть они обладают как свойствами частицы, так и свойствами волны. Простейшей и наиболее наглядной моделью атома является модель Нильса Бора, в которой электроны уподобляются шарикам, вращающимся вокруг ядра по определенным орбитам.





5. Типы химических связей. Энергия связи

Виды химической связи

1. Ионная связь или электровалентная связь

Обусловлена переносом валентных электронов с одного атома на другой с образованием положительных и отрицательных ионов. Между этими ионами возникает электростатическое взаимодействие. Устойчивое состояние ионов в узлах достигается при равенстве сил притяжения и отталкивания. Ионная связь характерна для соединений металлов с неметаллами, например, NaCl. Частично ионная связь проявляется в полупроводниках типа InSb, GaAs.

2. Ковалентная связь

Гомеополярная связь, возникающая между двумя атомами одного сорта, при обобществлении принадлежащих им электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности электрона одному из атомов: электроны принадлежат одновременно нескольким атомам, образующим молекулу или твердое тело. В зависимости от того, симметричную или асимметричную структуру имеют молекулы, они могут быть неполярными и полярными. В полярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов находятся на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего образуется диполь.

3. Металлическая связь

Разновидность гомеополярной связи, реализующаяся в металлах. При сближении атомов и образовании кристаллов металлов волновые функции валентных электронов перекрываются, т.е. образуется “газ” свободных электронов. При этом атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы, силы отталкивания между которыми уравновешиваются силами притяжения между ионами и электронами. В результате такой связи образуется кристаллическая структура, в которой атомы металла находятся на строго определенном расстоянии друг от друга в среде коллективизированных электронов. С одной стороны, свободные электроны будут обладать большей кинетической энергией при сжатии электронного газа, а с другой стороны потенциальная энергия при этом будет уменьшаться. Равновесная плотность электронов, а, следовательно, и минимум полной энергии будут определять структуру кристалла металла

4. Молекулярная связь

Обусловлена взаимодействием между молекулами, образующими молекулярный кристалл. Это взаимодействие поддерживается Ван-дер-ваальсовскими силами, удерживающими атомы соседних молекул в определенном пространственном положении, когда в любой момент времени электроны соседних молекул максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам ядер соседних молекул. Атомы внутри молекулы объединены ковалентными связями.

По характеру химических связей кристаллы делятся на четыре основные группы:

1) ионные кристаллы (например, NaCl);

2) ковалентные (например, алмаз, кремний);

3) металлические (металлы и полиметаллы);

4) молекулярные кристаллы (например, нафталин).

ЭНЕ́РГИЯ СВЯ́ЗИ, ми­ни­маль­ная энер­гия, ко­то­рую не­об­хо­ди­мо за­тра­тить для уда­ле­ния со­став­ных час­тей (час­тиц) кван­то­вой сис­те­мы на бес­ко­неч­ное рас­стоя­ние друг от дру­га; оп­ре­де­ля­ет­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем ме­ж­ду час­ти­ца­ми, вхо­дя­щи­ми в сис­те­му. Для ус­той­чи­вых сис­тем Э. с. ха­рак­те­ри­зу­ет проч­ность сис­те­мы: чем боль­ше Э. с., тем проч­нее сис­те­ма.

Для атом­ных ядер Э. с. оп­ре­де­ля­ет­ся силь­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем ну­кло­нов в яд­ре. Для ядер с мас­со­вым чис­лом А> 20 Э. с. ну­кло­нов со­став­ля­ет ок. 8 МэВ/ну­к­лон. Э. с. мо­жет вы­де­лять­ся при слия­нии лёг­ких ядер в бо­лее тя­жё­лое яд­ро (см. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции). Э. с. элек­тро­на в ато­мах и ио­нах оп­ре­де­ля­ет­ся его взаи­мо­дей­ст­ви­ем с ядром и элек­тро­на­ми атом­но­го ос­тат­ка (атом­но­го ос­то­ва). Э. с. элек­тро­нов внеш­них атом­ных обо­ло­чек сис­тем, на­хо­дя­щих­ся в ос­нов­ном со­стоя­нии, сов­па­да­ет с энер­ги­ей ио­ни­за­ции, а для из­бы­точ­но­го элек­тро­на от­ри­ца­тель­ных ио­нов ха­рак­те­ри­зу­ет срод­ст­во к элек­тро­ну. Э. с. элек­тро­нов внутр. обо­ло­чек рас­тёт по ме­ре при­бли­же­ния обо­лоч­ки к яд­ру, что свя­за­но с влия­ни­ем не ском­пен­си­ро­ван­но­го др. элек­тро­на­ми атом­ной сис­те­мы ку­ло­нов­ско­го по­ля яд­ра. В слу­чае мо­ле­кул Э. с. оп­ре­де­ля­ет­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем ато­мов, вхо­дя­щих в мо­ле­ку­лу (см. Хи­ми­че­ская связь). Энер­гия хи­мич. свя­зи со­став­ля­ет обыч­но по­ряд­ка со­тен кДж/моль.

6. Кристаллическая структура твердых тел.

Кристаллы

Основным свойством кристаллической решетки является трехмерная периодичность в расположении атомов или молекул.

Геометрические места их расположения называются узлами кристаллической решетки.

Существование кристаллической решетки объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами, соответствующее минимуму потенциальной энергии, достигается при условии трехмерной периодичности. Минимальная часть кристалла, образованная тремя векторами, а, b, с, называется элементарной ячейкой, причем эти векторы направлены вдоль ребер кристалла. Повторение решетки путем параллельных переносов (трансляций) создает всю кристаллическую решетку.

Элементарные ячейки имеют вид параллелепипедов

Кристаллографические решетки классифицируются по наличию в них различных элементов симметрии.

Симметрия кристалла состоит в возможности его совмещения с собой при поворотах, отражениях или параллельных переносах. Симметрия внешней формы (огранка) монокристалла определяется симметрией его кристаллической решетки. Кристаллу могут быть присущи несколько операций симметрии: поворот вокруг оси симметрии, зеркальное отражение, инверсионный поворот. Поворот кристалла на угол  = 2/N, который переводит любой элемент кристаллической решетки в эквивалентное состояние, определяет наличие оси симметрии. Поворотные оси характеризуются числом N, значение которого определяет порядок оси.

По способу расположения узлов кристаллических решеток, обладающих трансляционной симметрией, различают 14 структур, которые называются решетками Браве. Количество ближайших атомов в решетке называется координационным числом

Для обозначения узлов пространственной решетки, кристаллографических направлений и плоскостей используются так называемые “индексы Миллера”.

Процедура их введения заключается в следующем. Вначале выбираются в качестве осей векторы элементарной ячейки (рис. 8) a, b, c с началом координат в каком-либо узле, затем определяются три отрезка, отсекаемые на осях и кратные периоду повторяемости вдоль каждой оси. Величины, обратные трем полученным числам, преобразуются в три целых числа той же пропорции. Полученные три числа (h, k, l) берутся в круглые скобки. В результате получают индексы Миллера для группы параллельных плоскостей.

7. Образование энергетических зон в кристаллах. Разрешенные и запрещенные зоны. Классификация кристаллов с точки зрения зонной теории



По мере сближения атомов сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем по мере сближения атомов – более низкие. При сближении атомов на расстояние а0 образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка.

Разрешенные зоны отделены друг от друга запрещенными зонами, в которых отсутствуют разрешенные уровни. Ширина разрешенных зон по мере перемещения вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается.

С точки зрения зонной теории все твердые тела можно подразделить на две основные группы: материалы, у которых валентная зона перекрывается зоной проводимости, и материалы, у которых валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более высокие энергетические уровни, что обуславливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышающего ширину запрещенной зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещенная зона, относятся к проводникам, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3 эВ) – к полупроводникам, материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) – к диэлектрикам

8. Физические свойства металлов и сплавов. Влияние свободных электронов на физические свойства (теплоемкость, электропроводность, блеск). Типы сплавов.

Металлами называются вещества, обладающие высокими электропроводностью, теплопроводностью, прочностью, а также характерным блеском.

Металлы по сравнению с диэлектриками более мягкие (пластичные), потому что один слой кристалла легко скользит над другим. Скольжение слоев возникает не сразу, а последовательно от атома к атому.

Свойства металлов обусловлены строением их кристаллической решетки. Большинство металлов имеют гранецентрированную, объёмно-центрированную кубическую или плотно упакованную гексагональную решетку





Свободные электроны в металле обладают квантовыми свойствами, главным из которых является то, что их энергия квантована, и они подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому в состоянии с одной и той же энергией может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами.

Принцип Паули позволяет объяснить распределение электронов по энергиям в твердом теле. Они располагаются по два электрона на каждом уровне, начиная с самого нижнего до самого высокого (рисунок 2.2, а). Уровень, который отделяет полностью заполненные энергетические уровни от полностью не заполненных при 0 К, называют уровнем Ферми (или энергией Ферми и обозначают E_F).

Металлический блеск также связан с наличием свободных электронов. Так как их плотность в металле достигает значений практически до 10^8 см^3 , то даже очень тонкий слой вблизи поверхности (больше 10-4 мм) отражает большую часть падающего на поверхность оптического излучения. Под влиянием падающего электромагнитного излучения, к которому относится и оптическое излучение, свободные электроны переходят в возбужденное состояние и затем при переходе в основное состояние излучают вторичные электромагнитные волны. Совокупность вторичных электромагнитных волн и создает отраженную волну

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

механические смеси;

химические соединения;

твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов, входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/

Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен

9. Зонная теория металлов. Распределение электронов по энергиям. Энергия Ферми. Скорость дрейфа, подвижность электронов





10. Электропроводность металлов. Зависимость тока от электрического поля. Механизмы рассеяния электронов



Сопротивление металлов прохождению электрического тока связано с процессами рассеяния электронов проводимости. Существует два основных механизма рассеяния: 1) столкновение электронов с локальными неподвижными центрами – примесями, дефектами и другими нарушениями кристаллической решетки; 2) рассеяние электронов тепловыми колебаниями кристаллической решетки (фононами). Траектория единичного электрона, если рассматривать ее с корпускулярной, а не волновой точки зрения, представляет собой последовательность прямых отрезков между точками столкновений. Длина любого из этих прямых отрезков, определенная как средняя из многих таких отрезков, является средним свободным пробегом. Средний промежуток времени между последовательными столкновениями частицы является средним временем свободного пробега. Все время, пока частица свободна, она может ускоряться электрическим полем. Это ускорение увеличивает скорость, которой частица уже обладает. При следующем столкновении частица отдает решетке избыток импульса, который она получила со времени последнего столкновения. При этом не обязательно при каждом столкновении передается весь приобретенный импульс. Частица может испытать несколько последовательных упругих столкновений, а затем передать накопленный излишек импульса решетке за один удар. Действительный путь частицы очень изломан, так как он постоянно прерывается столкновениями, которые частица испытывает с атомами решетки, другими частицами, примесями, поверхностями образца и т.п



11. Зонная структура собственных полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации. Уровень Ферми

Зонная структура полупроводников

Вещества, в которых при температуре абсолютного нуля верхняя из заполняемых электронами энергетических зон (валентная зона) и нижняя из незаполняемых энергетических зон (зона проводимости) не перекрываются, составляют классы полупроводников и диэлектриков

В полупроводниках энергетический зазор между разрешенными для электронов зонами, называемый “запрещенной зоной”, не очень велик (порядка 1 эВ), что приводит к появлению в зоне проводимости заметного числа свободных электронов при Т > 0 К. В отличие от металлов изменение концентрации свободных носителей - электронов и дырок - может изменятся под влиянием температуры, освещения или относительно малого (порядка 0,1-1 %) количества примесей. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно большей удельной проводимостью.

Рассмотрим энергетическую диаграмму собственного полупроводника, т.е. полупроводника, кристаллическая решетка которого в идеальном случае не содержит примесных атомов



При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости.