Опыты подтверждающие электронную проводимость металлов металлургический комплекс. Электронная проводимость металлов

Электрический ток в металлах согласно классической электронной теории проводимости это упорядоченное движение электронов под действием сторонних сил. Согласно этой теории металл состоит из положительных ионов находящихся в узлах кристаллической решётки. А в свободном пространстве между ними движутся электроны подобно одноатомному идеальному газу.

Однако если в газе атомы соударяются между собой то в проводнике электроны ударяются об узлы решетки, отдавая таким образами им свою энергию.

Рисунок 1 — строение металла

Как же была получена эта теория. Для начала нужно было выяснить, что является носителями зарядов в проводнике. С этой целью ученый Рикке в 1899 году провел такой эксперимент. Он взял три одинаковых цилиндра с тонко обработанными торцами. Два из них были медные, а третий алюминиевый. Сжал их между собой так, чтобы алюминиевый цилиндр оказался посередине и включил всю это конструкцию в главный питающий провод на трамвайной подстанции.

Спустя год он разобрал конструкцию и тщательно обследовал места соединения цилиндров. И обнаружил, что диффузии металлов друг в друга не произошло. То есть атомы меди не проникли в алюминий и наоборот. Из этого эксперимента можно сделать вывод что под действием электрического тока по проводнику не перемещаются ионы. А движутся лишь свободные электроны.

То, что по проводнику движутся электроны, было установлено благодаря еще одному опыту. Для него необходимо взять катушку из проволоки и раскрутить ее. К катушке должен быть подключен амперметр. В момент резкой остановки катушки прибор покажет кратковременный ток. Этот ток обусловлен тем, что электроны продолжают двигаться по инерции, в то время как катушка уже остановилась. То есть наблюдается движение электронов по проводу хоть и кратковременное.

Рисунок 2 — катушка с проводом вращаемая вокруг продольной оси

В проводнике без электрического поля свободные электроны находятся в непрерывном хаотическом движении как молекулы газа. Но при создании внешнего электрического поля электроны сохраняя свое хаотическое движение, начнут двигаться под действием сил поля. Вот это направленное движение и называется током.

Сами электроны под действием поля движутся достаточно медленно. Приблизительно пару миллиметров в секунду. Так как же лампочка, которую мы включаем, загорается так быстро ведь провод, которым она подключена достаточно длинный. И электрон от выключателя как минимум пару минут должен двигаться к спирали лампы.

На самом деле все немного по другому. Ведь провода спираль и выключатель состоят из проводника и в них присутствуют электроны по всей длине. И при замыкании выключателя чтобы ток начал оказывать действие необязательно, чтобы электрон от выключателя попал в спираль. Ведь электроны в ней уже есть. При замыкании по проводникам начинает двигаться электрическое поле практически со скоростью света вот оно та и передает энергию.

Представьте себе тонкую трубку набитую шариками внешним диаметром чуть меньше диаметра трубы. Когда мы всунем еще шарик с одной стороны, то с другого конца выпадет другой шарик. То есть по трубке двигалось усилие, передаваясь от шарика к шарику, а не ток шарик, который мы впихнули.

>>Физика: Электронная проводимость металлов

Начнем с металлических проводников. Вольт-амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о ее объяснении с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика - порядка 10 28 1/м 3 . Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10 -4 м/с.
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л.И.Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913), Б. Стюарта и Р. Толмена (1916). Схема этих опытов такова.
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис.16.1 ). К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.
Направление тока в этом опыте говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8 10 11 Кл/кг. Эта величина совпадала с отношением заряда электрона к его массе е/m , найденным ранее из других опытов.
Движение электронов в металле. Электроны под влиянием силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения . Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, электроны теряют направленное движение, а затем опять под действием электрического поля начинают двигаться направленно. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается пропорциональной напряженности электрического поля в проводнике v ~ E и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как , где l - длина проводника.
Сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу (15.2)). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~U . В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.
Наиболее наглядно это видно из следующего примера. Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти соответствующую этой энергии температуру, то получим температуру порядка 10 5 -10 6 К. Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.
Экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны движутся с постоянной средней скоростью, испытывая тормозящее влияние со стороны кристаллической решетки. Скорость упорядоченного движения электронов прямо пропорциональна напряженности поля в проводнике.

???
1. Катушка (см. рис. 16.1) вращалась по часовой стрелке, а затем была резко заторможена. Каково направление электрического тока в катушке в момент торможения?
2. Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля .

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта):

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки (рис. 9.1) приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру.Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e массой m действует тормозящая сила , которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения :

Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила :

За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный:

где – длина проволоки катушки, I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, – начальная линейная скорость проволоки.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов , равной по порядку величины числу атомов в единице объема .

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ.

Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода .

При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории:

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах 0,6 – 6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения.

Малая скорость дрейфа не противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках: закон Ома , закон Джоуля – Ленца и объясняет существование электрического сопротивления металлов.

Закон Ома:

Электрическое сопротивление проводника:

Закон Джоуля–Ленца:

Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R (закон Дюлонга и Пти). Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов: теория дает , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ ~ T .

Наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость .

Зонная модель электронной проводимости металлов

Качественное различие между металлами и полупроводниками (диэлектриками) состоит в характере зависимости удельной проводимости от температуры. У металлов с ростом температуры проводимость падает, а у полупроводников и диэлектриков растет. При Т ® 0 К у чистых металлов проводимость s ® ¥. У полупроводников и диэлектриков при Т ® 0 К, s ® 0. Качественного различия между полупроводниками и диэлектриками в отношении электропроводности, нет.

Проявление у одних веществ металлических свойств, а у других полупроводниковых и диэлектрических может быть последовательно объяснено только в рамках квантовой теории .

Согласно квантовым представлениям, энергия электронов в атоме может изменяться дискретным образом. Причем, согласно принципу Паули, в одном квантовом состоянии может находиться не более одного электрона. В результате электроны не собираются на каком-то одном энергетическом уровне, а последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни в атоме, формируя его электронные оболочки.

При сближении большого числа атомов и образовании кристаллической структуры химические связи между атомами образуются за счет электронов, находящихся во внешних, валентных, электронных оболочках.

Согласно принципу Паули, атомы не могут сбиться в плотную массу, поскольку в этом случае в одном квантовом состоянии оказалось бы много частиц с полуцелым спином - собственным моментом количества движения (L = ħ /2). Такие частицы называются фермионами , и к ним, в частности, относятся электроны, протоны, нейтроны. Названы они так в честь итальянского физика Э. Ферми, впервые описавшего особенности поведения коллективов таких частиц. При сближении большого числа атомов в пределах твердого тела происходит расщепление исходного энергетического уровня валентного электрона в атоме на N подуровней, где N - число атомов, образующих кристалл. В результате образуется зона разрешенных энергетических уровней для электронов в твердом теле (рис.9.2).

В металлах внешние валентные оболочки заполнены не полностью, например, у атомов серебра во внешней оболочке 5s 1 находится один электрон, в то время как, согласно принципу Паули, могло бы находиться два электрона с различными ориентациями спинов, но второго электрона во внешней оболочке атома серебра просто нет. При сближении N атомов Ag и расщеплении внешнего энергетического уровня 5s 1 1 на N подуровней каждый из них заполняется уже двумя электронами с различными ориентациями спинов. В результате при сближении N атомов серебра возникает энергетическая зона, наполовину заполненная электронами. Энергия, соответствующая последнему заполненному электронному уровню при 0 К, называется энергией Ферми e F ≈kT g . Расстояние между соседними энергетическими уровнями DЕ очень мало, поскольку N очень велико, до .

e F ~ 1¸10 эВ, ΔЕ = e F /N << kT » 0,025 эВ.

Расстояние между соседними разрешенными уровнями электронов в металлах много меньше энергии теплового движения электронов даже при самых низких температурах. Если поместить проводник в электрическое поле, включив его, например, в замкнутую цепь с источником ЭДС, то электроны начнут перемещаться из точки проводника с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом, так как их заряд отрицателен. Но движение в электрическом поле означает увеличение энергии электрона, а по квантовым представлениям, переход на более высокий энергетический уровень у электрона возможен, если этот соседний уровень свободен. В металлах таких свободных уровней для электронов, находящихся вблизи уровня Ферми, вполне достаточно, поэтому металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

Однако эту проводимость обеспечивают не все свободные электроны металла, а лишь те из них, что расположены вблизи уровня Ферми. Концентрация таких электронов примерно равна nT /T g , где T g = 5×10 4 К – температура вырождения.

Прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их (§ 40). Это обстоятельство заставляет предполагать, что атомы металла при прохождении тока не перемещаются от одного участка проводника к другому. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке (1845-1915). Рикке составил цепь, в которую входили три тесно прижатых друг к другу торцами цилиндра, из которых два крайних были медные, а средний алюминиевый. Через эти цилиндры пропускался электрический ток в течение весьма длительного времени (больше года), так что общее количество протекшего электричества достигло огромной величины (свыше 3000000 Кл). Производя затем тщательный анализ места соприкосновения меди и алюминия, Рикке не мог обнаружить следов проникновения одного металла в другой. Таким образом, при прохождении тока через металлы атомы металла не перемещаются вместе с током.

Каким же образом происходит перенос зарядов при прохождении тока через металл?

Согласно представлениям электронной теории, которыми мы неоднократно пользовались, отрицательные и положительные заряды, входящие в состав каждого атома, существенно отличаются друг от друга. Положительный заряд связан с самим атомом и в обычных условиях неотделим от основной части атома (его ядра). Отрицательные же заряды – электроны, обладающие определенным зарядом и массой, почти в 2000 раз меньшей массы самого легкого атома – водорода, сравнительно легко могут быть отделены от атома; атом, потерявший электрон, образует положительно заряженный ион. В металлах всегда есть значительное число «свободных», отделившихся от атомов электронов, которые блуждают по металлу, переходя от одного иона к другому. Эти электроны под действием электрического поля легко перемещаются по металлу. Ионы же составляют остов металла, образуя его кристаллическую решетку (см. том I).

Одним из наиболее убедительных явлений, обнаруживающих различие между положительным и отрицательным электрическими зарядами в металле, является упомянутый в § 9 фотоэлектрический эффект, показывающий, что электроны сравнительно легко могут быть вырваны из металла, тогда как положительные заряды крепко связаны с веществом металла. Так как при прохождении тока атомы, а следовательно, и связанные с ними положительные заряды не перемещаются по проводнику, то переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны. Непосредственным подтверждением этих представлений явились важные опыты, выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси.

При постановке этих опытов исходили из следующей мысли. Если в металле есть свободные заряды, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции (см. том I). Быстро движущийся, например, слева направо проводник представляет собой совокупность движущихся в этом направлении атомов металла, которые увлекают вместе с собой и свободные заряды. Когда такой проводник внезапно останавливается, то останавливаются входящие в его состав атомы; свободные же заряды по инерции должны продолжать движение слева направо, пока различные помехи (соударения с остановившимися атомами) не остановят их. Происходящее явление подобно тому, что наблюдается при внезапной остановке трамвая, когда «свободные», не прикрепленные к вагону предметы и люди по инерции некоторое время продолжают двигаться вперед.

Таким образом, краткое время после остановки проводника свободные заряды в нем должны двигаться в одну сторону. Но движение зарядов в определенную сторону есть электрический ток. Следовательно, если наши рассуждения справедливы, то после внезапной остановки проводника надо ожидать появления в нем кратковременного тока. Направление этого тока позволит судить о знаке тех зарядов, которые двигались по инерции; если слева направо будут двигаться положительные заряды, то обнаружится ток, направленный слева направо; если же в этом направлении будут двигаться отрицательные заряды, то должен наблюдаться ток, имеющий направление справа налево. Возникающий ток зависит от зарядов и способности их носителей более или менее долго сохранять по инерции свое движение, несмотря на помехи, т. е. от их массы. Таким образом, этот опыт не только позволяет проверить предположение о существовании в металле свободных зарядов, но и определить сами заряды, их знак и массу их носителей (точнее, отношение заряда к массе ).

В практическом осуществлении опыта оказалось более удобным использовать не поступательное, а вращательное движение проводника. Схема такого опыта приведена на рис. 141. На катушке, в которую вделаны две изолированные друг от друга полуоси , укреплена проволочная спираль 1. Концы спирали припаяны к обеим половинам оси и при помощи скользящих контактов 2 («щеток») присоединены к чувствительному гальванометру 3. Катушка приводилась в быстрое вращение и затем внезапно тормозилась. Опыт действительно обнаружил, что при этом в гальванометре возникал электрический ток. Направление этого тока показало, что по инерции движутся отрицательные заряды. Измерив заряд, переносимый этим кратковременным током, можно было найти отношение свободного заряда к массе его носителя. Отношение это оказалось равным Кл/кг, что хорошо совпадает со значением такого отношения для электронов, определенным другими способами.

Рис. 141. Исследование природы электрического тока в металлах

Итак, опыты показывают, что в металлах имеются свободные электроны. Эти опыты являются одним из наиболее важных подтверждений электронной теории металлов. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов (в отличие от их беспорядочного теплового движения, всегда имеющегося в проводнике).

Металлов

Концентрация электронов в металлах велика 5 .1021 – 5.1022 е/см3 и слабо зависит от внешних воздействий. Почти каждый атом решет-ки металла освобождает свой электрон, образуя электронный газ.

Электрическое поле внутри металла равно нулю, т. к. движение электронов(смещение их к внешним поверхностям) мгновенно компенсирует любое внешнее поле. Дрейфовая скорость электронов мала - мм/сек, тепловая скорость велика – тысячи км/сек.

Разница в проводимости металлов зависит от длины свободного пробега электронов (порядка 1-10 нм). Механизмы рассеяния определяются из волновых свойств электрона.

r = rфонон + rпримес + rдефект

или по уравнению Матиссена r = rфон +rост

rфон – зависит от температуры

Более известно выражение

rт = rо(ост) (1 + aDТ) например для Cu rт = 1,8.10-6(1+4,6.10-3DТ)

где rо – уровень начала отсчета, например для температуры комнатной (300К) или О оС.

Примесь в металле всегда повышает сопротивление, т. к. является дополнительным рассеивающим центром (даже золото в Ag уменьшает проводимость сплава)

Уравнение Нордхейма описывает сопротивление бинарного сплава

rспл = rМе + Ах(1-х) ,

где А – постоянная рассеивания с размерностью удельного

сопротивления, для Ag А = 30 Ом. см;

Теплопроводность металлов главным образом электронная, а в полупроводниках важна и фононная составляющая.

Для металлов действует эмпирический закон Видемана-Франца

где l - теплопроводность [вт/см. к];

r - электросопротивление, [мкОм. см];

L – постоянная Лоренца (порядка 2-3-3,6)

Диффузия" href="/text/category/diffuziya/" rel="bookmark">диффузию золота, также ведет себя Cu для В, олово для диффузии азота).

Защитные (антикоррозийные)– Au, Pt, Sn, Ni (соответствующие технологические операции: золочение, лужение,

Никелирование и т. п.)

Припойные - сплавы Sn – Pb, Sn – Bi –Sbleft">

Роль межкристаллитных границ: а) аномально быстрая диффузия атомов по границам, на несколько порядков быстрее, чем внутри регулярной решетки;

б) межкристаллитная коррозия и внутреннее окисление(собственно та же диффузия кислорода) по границам идет быстрее и приводит к разрушению или увеличению рассеяния носителей, снижению подвижности и увеличению сопротивления;

В) на границах концентрируются примеси – т. е. идет геттерирование(самоочищение) твердого раствора, направленное на выделение второй фазы на границе, что может ухудшить механические свойства сплава.

Но в поликристаллическом состоянии есть и плюсы:

а) изотропия свойств металла часто практически удобна;

Б) структурой поликристаллов можно управлять в достаточно широких пределах, чему главным образом и учат на других (металлургических) факультетах МИСиС. Можно создать текстуру(неизотропные по форме кристаллиты!) или нанокристаллическое, или аморфное состояние.

Металлические порошки (наночастицы) (1-100 нм) – особые состояния металлов. Их особенности: высокая реакционная способность в композициях и при спекании, возможность в широком диапазоне менять свойства металлов в составе композиций со стеклами, керамиками, клеями, графитом и т. п.

Металлические пленки

Свойства металлов в пленках отличны от объёмных по следующим причинам:

Поляризация – смещение связанных зарядов на малое ограниченное расстояние под действием внешнего электрического поля. В результате часть зарядов диэлектрика переходит с «+» пластины конденсатора на «-» пластину и общий заряд возрастает в e раз.

e - диэлектрическая проницаемость

Емкость конденсатора с диэлектриком определяется как

В зависимости от того, какие именно связанные заряды смещаются существует несколько видов поляризации: а) электронная; б) ионная; в) дипольная; г) миграционная

Электронная(смещение электронных облаков атомов относительно центра атома) поляризация протекает очень быстро – за 10-15 сек, ионная(смещение ионов как целого) – за 10-13 сек – это весьма быстро протекающие процессы.

За счет электронной поляризации материал приобретает проницаемость e ~ 2-2,5 eо, за счет ионной - e ~ 5-10eо и эти значения растут с повышением температуры. Электронная компонента поляризации присуща всем диэлектрикам, ионная - только ионным

Дипольная поляризация имеет место в молекуле воды (e~ 80), многих масел и полимеров (где смещаются некоторые части больших дипольных молекул)

Миграционная поляризация– движение примесных ионов на расстояние, большее периода решетки. Границу кристаллического зерна такой ион не переходит. Особенно подвижны ионы Na+ , Li.

e - зависит от частоты электрического поля, эта зависимость называется диэлектрическим спектром материала. По мере роста частоты сначала угасают медленные виды поляризации.

Поляризованность диэлектрика (состояние, возникшее в результате поляризации) определяется плотностью поверхностного заряда

D = eо E + P, где D-электрическая индукция

P = c eо E (где c - диэлектрическая восприимчивость).

ПЬЕЗОПОЛЯРИЗАЦИЯ (ПЬЕЗОЭФФЕКТ)

Некоторые (далеко не все, только около 1500) диэлектрические кристаллы самопроизвольно поляризуются при упругой деформации. Причина - следует из рис. Этот эффект называется пьезоэлектрическим

Эффект обратим – во внешнем электрическом поле те же кристаллы упруго деформируются.

`P = d sп, где d – пьезомодуль [Кл|н ]

d – обычно порядка 10-10 .

Пьезоэффект имеет широкое применение, а благодаря использованию недорогих и прочных керамик пьезоматериалы относительно доступны

(BaTiO3 и некоторые другие керамики). Электроакустические линии задержки, пьезозвучатели, пъезодатчики эффективно применяются в электронике

Для пьезоэффективности важен коэффициент электромеханической связи

Электронные схемы" href="/text/category/yelektronnie_shemi/" rel="bookmark">электронных схем . Они позволяют стабилизировать частоты генераторов (и радиочастотных и тактовых), сделать их независимыми от внешних условий(температура, напряжение питания и т. п.) Пьезорезонаторы характеризуются резонансной частотой и добротностью

Добротность пьезорезонатора Q – энергетический параметр. Обратная величина 1/Q характеризует относительные потери энергии, причем все потери в диэлектрическом устройстве (не в материале!) в т. ч. диэлектрические, механические, излучательные. Q показывает во сколько раз амплитуда в резонансе больше, чем амплитуда на частоте много меньшей.

Многие сегнетоэлектрики – хорошие пьезоэлектрики. Лучший по многим показателям пьезокристалл - кварц Новые материалы– лангасит, ланганит, ниобат лития активно изучаются на кафедре физики кристаллов

Спонтанная поляризация

Некоторые диэлектрические кристаллы способны поляризоваться самопроизвольно, т. е в нормальных температурных условиях и в отсутствии внешних электрических полей эти вещества уже находятся в поляризованном состоянии. Одно из первых веществ, показавших такие свойства, сегнетова соль – твердый раствор оксалатов Na и К дало название явлению –сегнетоэлектрическая поляризация, а подобные вещества называют сегнетоэлектриками. Подобно ферромагнетикам сегнетоэлектрики разбиваются на поляризованные микрообласти - домены, границы которых сравнительно легко смещаются при воздействии внешнего поля. В западной научной литературе сегнетоэлектрические материалы по этим признакам подобия называют ферроэлектриками.

Некоторые сегнетоэлектрики:

КДП(калийдигидрофосфат KH2PO4), LiNbO3 , BaTiO3.

Признаки сегнетоэлектриков:

а) электрический гистерезис

P = j (E) – петля

Б) необычно высокие e (от десятков до 104 eо)

В) зависимость e от Е

Г) наличие критической температуры перехода из состояния спонтанной поляризации в обычное диэлектрическое Тс – точки Кюри

(обычно 373 – 423 К), что иногда ограничивает термостабильность приборов на их основе

Пироэлектрики – поляризуются при изменении температуры во времени, причем изменение температуры иногда совсем ничтожно по абсолютной величине. Это делает пироэлектрики ценными материалами для

Пирометрии, приборов инфракрасной оптики и т. п.

ПРОВОДИМОСТЬ И ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрики подразделяют на пассивные и активные. В пассивных нас прежде всего интересуют очень высокое r и долговременная стабильность в большом электрическом поле.

В активных диэлектриках важны зависимости пьезо - , сегнето-, и оптических свойств от напряженности электрического поля Е – соответствующие области применения таких материалов называются акустоэлектроника и квантовая электроника (физическая оптика).

Поговорим о пассивных Д– это их применение наиболее общее! В диэлектриках текут два вида активных токов: сквозные–объёмные и поверхностные; а также абсорбционные – только при dE/dt ¹ 0 , это активная часть затрат энергии на дипольную и миграционную поляризацию.

Сквозные токи имеют в основном примесную природу: объясняются диффузией легкоподвижных ионов H+ , Na+ , Cu+ , K+ , Ag +, особенно заметной в тонкопленочных слоях. Формально проводимость диэлектрика

но энергия активации Q разная для разных ионов, а начальная концентрация примесных ионов А почти не зависит от температуры. Есть и прыжковые механизмы проводимости – электронами , путем перехода между разновалентными ионами в решетке с низкой подвижностью, они зависят от концентрации этих разновалентных ионов. С ростом температуры проводимость диэлектриков растет. Для оценки температурной устойчивости диэлектриков вводят параметр ТК – 100 , температуру, при которой r = 100 МОм. см – 108 Ом. см. У стекол ТК-100 = 150-200о С, у керамик - ~ 1000о С, полимеров с ТК-100 = 200оС, что конечно очень мало. При ионном механизме электропроводности имеет место перенос массы и, следовательно, постепенная деградация диэлектрика, вплоть до разрушения (конечно локального). В БИС необходимым элементом являются пассивные диэлектрики - оксидные и нитридные пленки, в конденсаторах – тоже.

Электрическая прочность диэлектриков

Электрическая прочность оценивается по напряженности поля пробоя

Епр = Uпр / d, где Uпр - пробивное напряжение, d – расстояние между

Электродами.

Пробой - локальное нарушение диэлектрических свойств материала. Виды пробоя:

Тепловой – если теплоотдача за счет сквозного и абсорбционных токов растет быстрее, чем теплоотвод от поверхности, то растет температура и проводимость диэлектрика, а вслед за ней – лавинообразно–ток. Возникает проводящий токовый шнур, вслед за тем плавление, испарение диэлектрика, дуговой разряд в плазме. Даже если не дошло дело до такой катастрофы, то следствием локального термоудара будут трещины и общее ухудшение свойств диэлектрика. Время развития теплового пробоя – минуты. Напряжение теплового пробоя Е ~ 0,1 – 1 МВ/м.

Электрический пробой – туннельный переход электронов в зону проводимости из примесных уровней или металлических контактов. Процесс развивается за счет ударной ионизации валентных электронов и размножения свободных носителей

Напряжение электрического пробоя Епр гораздо больше 10-1000 МВ/м, электрический пробой - безинерционный (практически мгновенный). Это напряжение пробоя считается свойством диэлектрического материала и вводится в справочники.

Поверхностный пробой – возникает в силу поверхностных токов по примесным поверхностным уровням; остаточной влажности на поверхности, возможным загрязнениям. Обычно поверхностный пробой переходит в воздушно-дуговой разряд перекрытия диэлектрика.

Электрохимический пробой – связан с изменением состава материала в силу его деградации под действием электрического поля, электрохимической диссоциации, электромиграции.

В тонких диэлектрических пленках размеры неоднородностей сравнимы с толщиной и очень сильно меняют распределение токов и напряженностей. Пористость диэлектрических пленок высокого качества должна быть предельно низкой. Лучшие свойства имеют аморфные высокооднородные пленки с минимальными признаками кристаллизации.

Диэлектрические потери

Они обусловлены протеканием через объем диэлектрика двух токов – сквозного и абсорбционного, относительная безразмерная характеристика потерь - tg de, где d - угол между вектором полного тока и его реактивной составляющей или между вектором Е (поляризующим полем) и вектором Д (возникшей электрической индукцией) . Потери электрической мощности также зависят от tg de

Pa = 2pfCU2 tg de [Вт] 2pf = w.

Если U – вольты, С – фарады, w - 1/сек,

Обычно в случае потерь принято характеризовать материал комплексной диэлектрической проницаемостью e* = e’ + ie” , где i = eip/2 , тогда tg de = e” / e’ ;

Природа потерь связана с конечными (хоть и очень высокими!) значениями удельного сопротивления, с релаксационными процессами в механизмах ионной и дипольной поляризации. Диэлектрические потери особенно критичны для СВЧ –передающих линий, где tg de должен быть = 1.10-4 , таких диэлектриков для реализации в тонкопленочной технологии мало или вообще нет. Поэтому многоуровневые СВЧ схемы делать не удается.

В гибридных ИС и РЭА – пассивные диэлектрики - подложки ГИС, монтажные платы, диэлектрические слои конденсаторов – пленочных и дискретных, изоляция кабелей и шин.

Рис - пассивные диэлектрики в микросхемах

Применения Активных диэлектриков -

Пьезоэлектрики используются как стабилизаторы частоты, линии задержки, пьезоэлементы акустики, фильтры радиосигналов на поверхностных акустических волнах для телевидения. Кварц - неплохой пьезоэлектрик, обеспечивает высокую стабильность частоты - 10-12 % в сутки – уход частоты. А почему именно кварц?

Пироэлектрики – прецизионные термодатчики, приемники излучений малой мощности и коротких (до 10-11 сек) импульсов.

Пировидиконы –фотоприемники для ИК диапазона.

Электреты –материалы, которые способны длительное время сохранять заряженное состояние (электрический потенциал). Поляризованные электреты, некий электрический аналог постоянных магнитов, месяцы и годы не разряжаются, но в темноте!

Сегнетоэлектрики очень эффективно уменьшают размеры микроконденсаторов, они же часто обладают пъезосвойствами и используются в приборах акустоэлектроники, в монокристаллическом состоянии сегнетоэлектрики применяются в системах квантовой нелинейной оптики.

Лазерные матрицы – это диэлектрические монокристаллы и стекла, легированные ионами РЗМ и МПГ;примеры лучших лазерных матриц - YAlO3 , Y3Al5O12 ; ГСГГ(Gd 3 {ScGa} 5 O12 , Уникален сапфир Al2O3 – высокая прозрачность, высокая тепловая, механическая и электрическая прочность, способность растворять примеси(сапфир, легированный ионами хрома, называется рубин, это кристалл первого в мире твердотельного лазера), термостабильность. Высокие температуры плавления(1700-22000С) и высокие требования по оптической однородности лазерных

матриц несколько осложняют жизнь технологов, получающих эти кристаллы.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНАЦИОННЫМ БИЛЕТАМ

1. Подвижность – дрейфовая в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Роль подвижности в проводимости.

2. Кремний со свойствами полупроводника, диэлектрика, резистивного материала.

3. Функциональные и технологические достоинства кремния как полупроводника.

4. Алюминий в микроэлектронике. Преимущества и недостатки.

5. Материалы для резисторов.

6. Что зависит от адгезии в технологии микроэлектроники и от чего зависит сама адгезия?

7. Поверхностное сопротивление металлического тонкого слоя.

8. Электромиграция, когда она опасна? Когда и как с ней бороться?.

9. Униполярные полупроводниковые материалы – в чем проблема?

10. Непрямозонные полупроводники, в чем их ограничение.

11. Концентрация неосновных носителей в кремнии, содержащем например 5.1019 см-3 Р-(уметь рассчитать) .

12. В чем интерес микроэлектроники к монокристаллическим материалам, к аморфным материалам.

13. Зависимость дрейфовой подвижности носителей от температуры.

14. Диффузионная длина носителей заряда.

15. Способы получения полупроводника в полуизолирующем состоянии.

16. Сплавы, смеси, твердые растворы, химические соединения – в чем различие?

17. Свойства материалов – какие они бывают?

18. Пригодны ли для электроники материалы малой жесткости?

19. Что характеризует модуль Юнга и как его измерить?

20. Что такое теплопроводность материала, зачем она в микроэлектронике?

21. ТКЛР - a, когда и почему важно это свойство?

22. Носители заряда в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

23. Коэффициент поглощения света в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

24. Пространственное распределение электронов в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

25. Как может быть использован в микроэлектронике аморфный материал с ковалентными химическими связями?

26. Какое свойство материала зависит от a, l, sВ одновременно?.

27. Диэлектрик пробивается при (например) Е = 106 В/см. Какова должна быть минимальная толщина слоя диэлектрика в межатомной изоляции микросхемы?

28. Глубокий донор, глубокий акцептор, в чем их роль в полупроводнике?

29. В металле 1У группы ПС растворили 0,1% примеси У группы. Как изменятся свойства металла?

30. Электронно-дырочная пара. Вероятность генерации, вероятность рекомбинации. Как повлиять на вероятность?

31. В металле 1 группы растворили 2% металла Ш группы ПС. Как изменится проводимость и подвижность?

32. Трансформаторные стали кроме железа содержат 3-10% примесей кремния и алюминия (заведомо немагнитных элементов). Зачем нужны эти примеси?

33. Квант излучения с энергией hn генерирует в полупроводнике электронно-дырочную пару. Можно ли считать, что рекомбинация этой пары породит квант с энергией hn?

35. Полупроводниковое соединение типа АПВУ1 , полученное синтезом, идеально чистых компонентов постоянно имеет проводимость р-типа. Предложите объяснение.

1. Бестигельная зонная плавка кремния имеет перед методом Чохральского следующие преимущества:

Сравнительно простая ростовая установка;

Отсутствует легирование кристалла тиглем

Кристалл получается более совершенный.

2. Энергетический зазор между уровнем донора и потолком валентной зоны мал, потому что донор легко отдает электроны:

Все верно; - все неверно; - верно, но не все.

3. Преимущества GaAs перед Si.

а) проще вырастить совершенный кристалл (Тпл ниже);

б) прямозонная структура;

в) высокая подвижность носителей заряда.;

г)возможно получение полуизолированных слоев;

д) проще наносить защитные и диэлектрические слои.

4. Предел работоспособности p-n перехода обусловлен:

а) термостабильностью;

б) термическими напряжениями;

в) истощением примесной проводимости;

г) генерацией собственных носителей;

д) окислением поверхностного слоя (эмиттера).

5. Полупроводники легируют для:

а) уменьшения ширины запрещенной зоны;

б) создания p-n перехода;

в) стабилизации температурной зависимости проводимости;

г) регулирования проводимости;

д) перехода к прямозонной структуре.

1. Металлический стержень при сжатии деформировался на 5 %. Как и насколько изменились поперечные размеры стержня?

2. Приведите пример хрупкого металла.

3. Правильно ли сказать, что поликристалл – совокупность мелких разориентированных монокристаллов?

4. В чем возможное различие свойств монокристалла А и монокристаллической пленки А?

5. При каких условиях материал будет пластичен?

6.Чем отличаются химические соединения и твердые растворы?

6. чем объяснить упрочняющее действие на металл операций ковки или штамповки?

7. Как влияет повышение температуры на механическую прочность материалов?

8. Чем отличаются эластичные материалы от пластичных? Нужны ли эластичные материалы в РЭА?

9. Почему у металлов теплопроводность выше, чем у диэлектриков?

10. a, l, d, r, m - какие характеристики не являются электрическими?

11. Что такое термоудар, стойкость к термоудару? Для каких применений в РЭА это важно?

12. На материале с повышенной концентрацией глубоких акцепторов сделан p-n переход. Какое влияние окажут глубокие акцепторы на концентрацию носителей в p - и n– области?

13. Можно ли в качестве резистивного материала использовать смесь стеклофазы и микрокристаллов полупроводника? Какими свойствами будет обладать такая структура?

14. Легирование кремния глубокими акцепторами приводит к:

1) снижению проводимости;

2) увеличению времени жизни неосновных носителей заряда;

3) ускорению рекомбинации;

4) возникновению высокоомных компенсированных слоев;

5) изменению ширины запрещенной зоны в кремнии.

Требуется выбрать правильные ответы

16. К классу АПВУ1 относятся, например, MgO, ВeO и HgTe, CdTe, отличающиеся положением компонентов в ПС. Сравните теоретически ожидаемую теплопроводность этих двух пар соединений. Какие соединения более пригодны для термоэлектрогенератора.