Досліди, що підтверджують електронну провідність металів, металургійний комплекс. Електронна провідність металів

Електричний струм у металах згідно з класичною електронною теорією провідності це впорядкований рух електронів під дією сторонніх сил. Відповідно до цієї теорії метал складається з позитивних іонів, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки. А у вільному просторі між ними рухаються електрони подібно до одноатомного ідеального газу.

Однак якщо в газі атоми стикаються між собою, то в провіднику електрони ударяються об вузли решітки, віддаючи таким чином їм свою енергію.

Малюнок 1 - будова металу

Як була отримана ця теорія. Спочатку потрібно було з'ясувати, що є носіями зарядів у провіднику. З цією метою вчений Рікке в 1899 провів такий експеримент. Він узяв три однакові циліндри з тонко обробленими торцями. Два з них були мідні, а третій - алюмінієвий. Стиснув їх між собою так, щоб алюмінієвий циліндр опинився посередині і включив всю це конструкцію в головний провід живлення на трамвайній підстанції.

Через рік він розібрав конструкцію та ретельно обстежив місця з'єднання циліндрів. І виявив, що дифузії металів одна в одну не сталося. Тобто атоми міді не проникли до алюмінію і навпаки. З цього експерименту можна зробити висновок, що під дією електричного струму по провіднику не переміщуються іони. А рухаються лише вільні електрони.

Те, що по провіднику рухаються електрони, було встановлено завдяки ще одному досвіду. Для нього необхідно взяти котушку з дроту та розкрутити її. До котушки має бути підключений амперметр. У момент різкої зупинки котушки пристрій покаже короткочасний струм. Цей струм обумовлений тим, що електрони продовжують рухатися за інерцією, тоді як котушка вже зупинилася. Тобто спостерігається рух електронів із дроту хоч і короткочасний.

Малюнок 2 - котушка з проводом обертається навколо поздовжньої осі

У провіднику без електричного поля вільні електрони перебувають у безперервному хаотичному русі як молекули газу. Але при створенні зовнішнього електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, почнуть рухатися під дією сил поля. Ось цей спрямований рух і називається струмом.

Самі електрони під впливом поля рухаються досить повільно. Приблизно кілька міліметрів на секунду. Адже лампочка, яку ми вмикаємо, загоряється так швидко адже провід, яким вона підключена досить довгий. І електрон від вимикача щонайменше пару хвилин повинен рухатися до спіралі лампи.

Насправді все трохи інакше. Адже дроти спіраль і вимикач складаються з провідника і в них є електрони по всій довжині. І при замиканні вимикача щоб струм почав діяти необов'язково, щоб електрон від вимикача потрапив у спіраль. Адже електрони у ній уже є. При замиканні по провідникам починає рухатися електричне поле практично зі швидкістю світла ось воно та передає енергію.

Уявіть собі тонку трубку набиту кульками зовнішнім діаметром трохи менше від діаметра труби. Коли ми всунемо ще кульку з одного боку, то з іншого кінця випаде інша кулька. Тобто по трубці рухалося зусилля, передаючись від кульки до кульки, а не струм кулька, яку ми впхнули.

>>Фізика: Електронна провідність металів

Почнемо із металевих провідників. Вольт-амперна характеристика цих провідників нам відома, але поки що нічого не говорилося про її пояснення з точки зору молекулярно-кінетичної теорії.
Носіями вільних зарядів у металах є електрони. Їхня концентрація велика - близько 10 28 1/м 3 . Ці електрони беруть участь у безладному тепловому русі. Під впливом електричного поля вони починають переміщатися впорядковано із середньою швидкістю близько 10 -4 м/с.
Експериментальний доказ існування вільних електронів у металах.Експериментальний доказ того, що провідність металів обумовлена ​​рухом вільних електронів, було дано в дослідах Л. І. Мандельштама та Н. Д. Папалексі (1913), Б. Стюарта та Р. Толмена (1916). Схема цих дослідів така.
На котушку намотують дріт, кінці якого припаюють до двох металевих дисків, ізольованим один від одного ( рис.16.1). До кінців дисків за допомогою ковзних контактів підключають гальванометр.

Котушку приводять у швидке обертання, а потім різко зупиняють. Після різкої зупинки котушки вільні заряджені частинки деякий час рухаються щодо провідника інерції і, отже, в котушці виникає електричний струм. Струм існує незначний час, тому що через опір провідника заряджені частинки гальмуються і впорядкований рух частинок, що утворює струм, припиняється.
Напрямок струму цьому досвіді свідчить, що він створюється рухом негативно заряджених частинок. Заряд, що переноситься при цьому, пропорційний відношенню заряду частинок, що створюють струм, до їх маси, тобто. |q|/m. Тому, вимірюючи заряд, що проходить через гальванометр за час існування струму в ланцюзі, вдалося визначити це відношення. Воно дорівнювало 1,8 10 11 Кл/кг. Ця величина збігалася із ставленням заряду електрона до його маси е/mзнайденим раніше з інших дослідів.
Рух електронів у металі.Електрони під впливом сили, що діє на них з боку електричного поля, набувають певної швидкості впорядкованого руху . Ця швидкість не збільшується надалі згодом, оскільки, зіштовхуючись з іонами кристалічної решітки, електрони втрачають спрямоване рух, та був знову під впливом електричного поля починають рухатися спрямовано. В результаті середня швидкість упорядкованого руху електронів виявляється пропорційною напруженості електричного поля у провіднику v ~ Eі, отже, різниці потенціалів на кінцях провідника, оскільки , де l- Довжина провідника.
Сила струму у провіднику пропорційна швидкості упорядкованого руху частинок (див. формулу (15.2)). Тому можемо сказати, що сила струму пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника: I~U. У цьому полягає якісне пояснення закону Омаз урахуванням електронної теорії провідності металів.
Побудувати задовільну кількісну теорію руху електронів у металі з урахуванням законів класичної механіки неможливо. Справа в тому, що умови руху електронів у металі такі, що класична механіка Ньютона не застосовується для опису цього руху.
Найбільш наочно це видно з такого прикладу. Якщо експериментально визначити середню кінетичну енергію теплового руху електронів у металі при кімнатній температурі і знайти відповідну цій енергії температуру, то отримаємо температуру близько 105-106К. Така температура існує всередині зірок. Рух електронів у металі підпорядковується законам квантової механіки.
Експериментально доведено, що носіями вільних зарядів у металах є електрони. Під дією електричного поля електрони рухаються з постійною середньою швидкістю, зазнаючи гальмівного впливу з боку кристалічних ґрат. Швидкість упорядкованого руху електронів прямо пропорційна напруженості поля у провіднику.

???
1. Котушка (див. рис. 16.1) оберталася за годинниковою стрілкою, а потім була різко загальмована. Який напрямок електричного струму в котушці в момент гальмування?
2. Як швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику залежить від напруги на кінцях провідника?

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

Електричний струм у металах – це впорядкований рух електронів під дією електричного поля.

Найбільш переконливий доказ електронної природи струму в металах було отримано у дослідах з інерцією електронів (досвід Толмена та Стьюарта):

Котушка з великою кількістю витків тонкого дроту (рис. 9.1) приводилася у швидке обертання навколо осі. Кінці котушки за допомогою гнучких проводів були приєднані до чутливого балістичного гальванометру. Розкручена котушка різко гальмувалась, і в ланцюзі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікає ланцюгом, вимірювався гальванометром.

При гальмуванні котушки, що обертається, на кожен носій заряду eмасою mдіє гальмівна сила, яка відіграє роль сторонньої сили, тобто сили неелектричного походження:

Стороння сила, віднесена до одиниці заряду, за визначенням є напруженістю поля сторонніх сил:

Отже, в ланцюзі при гальмуванні котушки виникає електрорушійна сила:

За час гальмування котушки по ланцюга протікає заряд q,рівний:

де - Довжина дроту котушки, I- Миттєве значення сили струму в котушці, R- Повний опір ланцюга, - Початкова лінійна швидкість дроту.

Хороша електропровідність металів пояснюється високою концентрацією вільних електронів , що дорівнює по порядку величини числу атомів в одиниці об'єму.

Припущення про те, що за електричний струм у металах відповідальні електрони, виникло значно раніше за досвіди Толмена і Стюарта. Ще 1900 року німецький вчений П. Друде з урахуванням гіпотези про існування вільних електронів у металах створив електронну теорію провідності металів. Ця теорія отримала розвиток у роботах голландського фізика Х. Лоренца і зветься класичної електронної теорії . Згідно з цією теорією, електрони в металах поводяться як електронний газ, багато в чому схожий на ідеальний газ.

Електронний газ заповнює простір між іонами, що утворюють кристалічні ґрати металу. Через взаємодію з іонами електрони можуть залишити метал лише подолавши так званий потенційний бар'єр . Висота цього бар'єру називається роботою виходу .

При нормальних (кімнатних) температурах у електронів не вистачає енергії для подолання потенційного бар'єру. Відповідно до теорії Друде-Лоренца, електрони мають таку ж середню енергію теплового руху, як і молекули одноатомного ідеального газу. Це дозволяє оцінити середню швидкість теплового руху електронів за формулами молекулярно-кінетичної теорії:

При накладенні зовнішнього електричного поля металевому провіднику крім теплового руху електронів виникає їх упорядкований рух (дрейф), тобто електричний струм. Розмір дрейфової швидкості електронівлежить у межах 0,6 – 6 мм/c. Таким чином, середня швидкість упорядкованого руху електронів у металевих провідниках на багато порядків менша за середню швидкість їх теплового руху.

Мала швидкість дрейфу не суперечить досвідченому факту, що струм у всьому ланцюгу постійного струму встановлюється практично миттєво. Замикання ланцюга викликає поширення електричного поля зі швидкістю c= 3 · 10 8 м / с. Через час ( l- Довжина ланцюга) вздовж ланцюга встановлюється стаціонарний розподіл електричного поля і в ньому починається впорядкований рух електронів.

У класичній електронній теорії металів передбачається, що рух електронів підпорядковується законам механіки Ньютона. У цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, які взаємодія з позитивними іонами зводять лише до зіткнень. Передбачається також, що при кожному зіткненні електрон передає решітці всю накопичену в електричному полі енергію і тому після зіткнення він починає рух з нульовою швидкістю.

Незважаючи на те, що всі ці припущення є наближеними, класична електронна теорія якісно пояснює закони електричного струму в металевих провідниках: закон Ома, закон Джоуля - Ленца і пояснює існування електричного опору металів

Закон Ома:

Електричний опір провідника:

Закон Джоуля-Ленца:

Однак у низці питань класична електронна теорія призводить до висновків, що перебувають у суперечності з досвідом. Ця теорія не може, наприклад, пояснити, чому молярна теплоємність металів, так само як і молярна теплоємність діелектричних кристалів, дорівнює 3 R(Закон Дюлонга та Пті). Класична електронна теорія не може також пояснити температурну залежність питомого опору металів: теорія дає , тоді як з експерименту виходить залежність ρ ~ T.

Найбільш яскравим прикладом розбіжності теорії та дослідів є надпровідність.

Зонна модель електронної провідності металів

Якісна різниця між металами та напівпровідниками (діелектриками) полягає у характері залежності питомої провідності від температури. У металів із зростанням температури провідність падає, а у напівпровідників та діелектриків зростає. При Т ® 0 К у чистих металів провідність s ® ¥. У напівпровідників і діелектриків при Т ® 0 К, s ® 0. Якісної різниці між напівпровідниками та діелектриками щодо електропровідності немає.

Прояв в одних речовин металевих властивостей, а в інших напівпровідникових та діелектричних може бути послідовно пояснено лише в рамках квантової теорії.

Згідно з квантовими уявленнями, енергія електронів в атомі може змінюватися дискретним чином.Причому, згідно з принципом Паулі, в одному квантовому стані може бути не більше одного електрона. В результаті електрони не збираються на одному енергетичному рівні, а послідовно заповнюють дозволені енергетичні рівні в атомі, формуючи його електронні оболонки.

При зближенні великої кількості атомів та освіті кристалічної структури хімічні зв'язки між атомами утворюються з допомогою електронів, що у зовнішніх, валентних, електронних оболонках.

Згідно з принципом Паулі, атоми не можуть збитися в щільну масу, оскільки в цьому випадку в одному квантовому стані виявилося б багато частинок напівцілим спином – власним моментом кількості руху (L = ħ/2). Такі частки називаються ферміонами, і до них, зокрема, належать електрони, протони, нейтрони. Названо вони так на честь італійського фізика Е. Фермі, який вперше описав особливості поведінки колективів таких частинок. При зближенні великої кількості атомів у межах твердого тіла відбувається розщеплення вихідного енергетичного рівня валентного електрона в атомі Nпідрівнів, де N- Число атомів, що утворюють кристал. В результаті утворюється зона дозволених енергетичних рівнів для електронів у твердому тілі (рис.9.2).

У металах зовнішні валентні оболонки заповнені не повністю, наприклад, атомів срібла у зовнішній оболонці 5 s 1знаходиться один електрон, тоді як, згідно з принципом Паулі, могло б перебувати два електрони з різними орієнтаціями спинів, але другого електрона у зовнішній оболонці атома срібла просто немає. При зближенні Nатомів Ag та розщепленні зовнішнього енергетичного рівня 5 s 1 1 на Nпідрівнів кожен із них заповнюється вже двома електронами з різними орієнтаціями спинів. В результаті при зближенні Nатомів срібла виникає енергетична зона, що наполовину заповнена електронами. Енергія, що відповідає останньому заповненому електронному рівню при 0 К, називається енергією Фермі e F ≈ kT g. Відстань між сусідніми енергетичними рівнями D Едуже мало, оскільки Nдуже велике, до .

e F ~ 1¸10 еВ, Δ Е= e F / N << kT» 0,025 еВ.

Відстань між сусідніми дозволеними рівнями електронів у металах значно менша за енергію теплового руху електронів навіть за найнижчих температур. Якщо помістити провідник в електричне поле, включивши його, наприклад, у замкнутий ланцюг з джерелом ЕРС, то електрони почнуть переміщатися з точки провідника з меншим потенціалом до точки з більшим потенціалом, оскільки їх заряд негативний. Але рух в електричному полі означає збільшення енергії електрона, а за квантовими уявленнями, перехід на вищий енергетичний рівень у електрона можливий, якщо цей сусідній рівень вільний. У металах таких вільних рівнів для електронів, що знаходяться поблизу рівня Фермі, досить, тому метали є хорошими провідниками електричного струму.

Однак цю провідність забезпечують не всі вільні електрони металу, а лише ті, що розташовані поблизу рівня Фермі. Концентрація таких електронів приблизно дорівнює nT/T g, де T g= 5×10 4 К – температура виродження.

Проходження струму через метали (провідники першого роду) не супроводжується хімічною зміною їх (§ 40). Ця обставина змушує припускати, що атоми металу під час проходження струму не переміщаються від однієї ділянки провідника до іншого. Це припущення було підтверджено дослідами німецького фізика Карла Віктора Едуарда Рікке (1845–1915). Рікке склав ланцюг, до якого входили три тісно притиснутих один до одного торцями циліндра, з яких два крайні були мідні, а середній алюмінієвий. Через ці циліндри пропускався електричний струм протягом досить тривалого часу (більше року), так що загальна кількість електрики, що протікла, досягла величезної величини (понад 3000000 Кл). Проводячи потім ретельний аналіз місця зіткнення міді і алюмінію, Рікке було знайти слідів проникнення одного металу на інший. Таким чином, при проходженні струму через метали атоми металу не переміщуються разом із струмом.

Яким чином відбувається перенесення зарядів при проходженні струму через метал?

Відповідно до уявлень електронної теорії, якими ми неодноразово користувалися, негативні та позитивні заряди, що входять до складу кожного атома, істотно відрізняються один від одного. Позитивний заряд пов'язаний із самим атомом і у звичайних умовах невіддільний від основної частини атома (його ядра). Негативні ж заряди – електрони, що мають певний заряд і масу, майже в 2000 разів меншої маси найлегшого атома – водню, порівняно легко можуть бути відокремлені від атома; атом, що втратив електрон, утворює позитивно заряджений іон. У металах завжди є значна кількість «вільних», що відокремилися від атомів електронів, які блукають металом, переходячи від одного іона до іншого. Ці електрони під впливом електричного поля легко переміщаються металом. Іони ж складають кістяк металу, утворюючи його кристалічну решітку (див. том I).

Одним з найбільш переконливих явищ, що виявляють різницю між позитивним і негативним електричними зарядами в металі, є згаданий § 9 фотоелектричний ефект, що показує, що електрони порівняно легко можуть бути вирвані з металу, тоді як позитивні заряди міцно пов'язані з речовиною металу. Так як при проходженні струму атоми, а отже, і пов'язані з ними позитивні заряди не переміщуються по провіднику, переносниками електрики в металі слід вважати вільні електрони. Безпосереднім підтвердженням цих уявлень з'явилися важливі досліди, виконані вперше у 1912 р. Л. І. Мандельштамом та Н. Д. Папалексі, але не опубліковані ними. Чотири роки (1916 р.) Р. Ч. Толмен і Т. Д. Стюарт опублікували результати своїх дослідів, що виявилися аналогічними дослідам Мандельштама і Папалексі.

При постановці цих дослідів виходили такої думки. Якщо в металі є вільні заряди, які мають масу, то вони повинні підкорятися закону інерції (див. том I). Провідник, що швидко рухається, наприклад, зліва направо являє собою сукупність атомів металу, що рухаються в цьому напрямку, які захоплюють разом з собою і вільні заряди. Коли такий провідник раптово зупиняється, то зупиняються атоми, що входять до його складу; вільні ж заряди по інерції повинні продовжувати рух зліва направо, поки різні перешкоди (співдарення з атомами, що зупинилися) не зупинять їх. Подібне явище подібне до того, що спостерігається при раптовій зупинці трамвая, коли «вільні», не прикріплені до вагона предмети і люди за інерцією деякий час продовжують рухатися вперед.

Таким чином, короткий час після зупинки провідника вільні заряди повинні рухатися в один бік. Але рух зарядів у певний бік є електричним струмом. Отже, якщо наші міркування справедливі, після раптової зупинки провідника слід очікувати появи у ньому короткочасного струму. Напрямок цього струму дозволить судити про знак зарядів, які рухалися за інерцією; якщо зліва направо рухатимуться позитивні заряди, то виявиться струм, спрямований зліва направо; якщо ж у цьому напрямку рухатимуться негативні заряди, то має спостерігатися струм, що має напрямок праворуч наліво. Виникає струм залежить від зарядів і здатності їх носіїв більш менш довго зберігати по інерції свій рух, незважаючи на перешкоди, тобто від їх маси. Таким чином, цей досвід не тільки дозволяє перевірити припущення про існування в металі вільних зарядів, а й визначити самі заряди, їх знак та масу носіїв (точніше, відношення заряду до маси).

У практичному здійсненні досвіду виявилося зручнішим використовувати не поступальний, а обертальний рух провідника. Схему такого досвіду наведено на рис. 141. На котушці, в яку вставлені дві ізольовані одна від одної півосі, укріплена дротяна спіраль 1. Кінці спіралі припаяні до обох половин осі і за допомогою ковзаючих контактів 2 («щіток») приєднані до чутливого гальванометра 3. Котушка наводилася в швидке потім раптово гальмувалась. Досвід справді виявив, що при цьому у гальванометрі виникав електричний струм. Напрямок цього струму показало, що з інерції рухаються негативні заряди. Вимірявши заряд, який переноситься цим короткочасним струмом, можна було знайти відношення вільного заряду до маси його носія. Відношення це виявилося рівним Кл/кг, що добре збігається зі значенням такого відношення для електронів, визначеним іншими способами.

Мал. 141. Дослідження природи електричного струму у металах

Отже, досліди показують, що у металах є вільні електрони. Ці досліди є одним із найважливіших підтверджень електронної теорії металів. Електричний струм у металах є впорядкованим рухом вільних електронів (на відміну від їх безладного теплового руху, що завжди є в провіднику).

Металів

Концентрація електронів у металах велика 5 .1021 – 5.1022 е/см3 слабко залежить від зовнішніх впливів. Майже кожен атом решітки металу звільняє свій електрон, утворюючи електронний газ.

Електричне поле всередині металу дорівнює нулю, тому що рух електронів (зміщення їх до зовнішніх поверхонь) миттєво компенсує будь-яке зовнішнє поле. Дрейфова швидкість електронів мала - мм/сек, теплова швидкість - тисячі км/сек.

Різниця у провідності металів залежить від довжини вільного пробігу електронів (близько 1-10 нм). Механізми розсіювання визначаються з хвильових властивостей електрона.

r = rфонон + rдомішок + rдефект

або за рівнянням Матіссена r = rфон +rост

rфон – залежить від температури

Більш відомий вираз

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

де rо – рівень початку відліку, наприклад, для температури кімнатної (300К) або О оС.

Домішка в металі завжди підвищує опір, тому що є додатковим центром, що розсіює (навіть золото в Ag зменшує провідність сплаву)

Рівняння Нордхейму описує опір бінарного сплаву

rспл = rМе + Ах (1-х),

де А – постійна розсіювання з розмірністю питомої

опору, для Ag А = 30 Ом. см;

Теплопровідністьметалів головним чином електронна, а напівпровідниках важлива і фононна складова.

Для металів діє емпіричний закон Відемана-Франця

де l – теплопровідність [вт/див. до];

r - електроопір, [мкОм. см];

L - постійна Лоренца (порядку 2-3-3,6)

Дифузія" дифузію золота, також веде себе Cu для В, олово для дифузії азоту).

Захисні (антикорозійні) - Au, Pt, Sn, Ni (відповідні технологічні операції: золочення, лудіння,

Нікелювання тощо)

Припійні - сплави Sn - Pb, Sn - Bi - Sbleft>>

Роль міжкристалітних кордонів: а) аномально швидка дифузія атомів по кордонах, на кілька порядків швидше, ніж усередині регулярних ґрат;

б) міжкристалітна корозія та внутрішнє окислення (власне та ж дифузія кисню) по кордонах йде швидше і призводить до руйнування або збільшення розсіювання носіїв, зниження рухливості та збільшення опору;

В) на межах концентруються домішки – тобто йде геттерування (самоочищення) твердого розчину, спрямоване виділення другої фази межі, що може погіршити механічні властивості сплаву.

Але в полікристалічному стані є й плюси:

а) ізотропія властивостей металу часто практично зручна;

Б) структурою полікристалів можна управляти в досить широких межах, чому головним чином і навчають на інших (металургійних) факультетах МІСІС. Можна створити текстуру (неізотропні формою кристалліти!) або нанокристалічний, або аморфний стан.

Металеві порошки (наночастки) (1-100 нм) – спеціальні стани металів. Їх особливості: висока реакційна здатність у композиціях та при спіканні, можливість у широкому діапазоні змінювати властивості металів у складі композицій зі склом, кераміками, клеями, графітом тощо.

Металеві плівки

Властивості металів у плівках відмінні від об'ємних з наступних причин:

Поляризація – зміщення пов'язаних зарядів на мінімальну обмежену відстань під впливом зовнішнього електричного поля. В результаті частина зарядів діелектрика переходить з "+" пластини конденсатора на "-" пластину і загальний заряд зростає в e разів.

e - діелектрична проникність

Місткість конденсатора з діелектриком визначається як

Залежно від цього, які саме пов'язані заряди зміщуються існує кілька видів поляризації: а) електронна; б) іонна; в) дипольна; г) міграційна

Електронна (зміщення електронних хмар атомів щодо центру атома) поляризація протікає дуже швидко- За 10-15 сек, іонна (зміщення іонів як цілого) -за 10-13 сек - це дуже швидко протікають процеси.

За рахунок електронної поляризації матеріал набуває проникності e ~ 2-2,5 eо, за рахунок іонної - e ~ 5-10eо і ці значення зростають із підвищенням температури. Електронна компонента поляризації притаманна всім діелектрикам, іонна – лише іонним.

Дипольнаполяризація має місце у молекуліводи (e~ 80), багатьох олій та полімерів (де зміщуються деякі частини великих дипольних молекул)

Міграційнаполяризації я-рух домішкових іонів на відстань, більший за період решітки. Кордон кристалічного зерна такий іон не переходить. Особливо рухливі іони Na+, Li.

e – залежить від частоти електричного поля, ця залежність називається діелектричним спектром матеріалу. У міру зростання частоти спочатку згасають повільні види поляризації.

Поляризованість діелектрика (стан, що виник у результаті поляризації) визначається щільністю поверхневого заряду

D = eо E + P, де D-електрична індукція

P = c ео E (де c - діелектрична сприйнятливість).

П'ЄЗОПОЛЯРИЗАЦІЯ (П'ЄЗОЕФЕКТ)

Деякі (далеко не всі, лише близько 1500) діелектричні кристали мимовільно поляризуються при пружній деформації. Причина - випливає з рис. Цей ефект називається п'єзоелектричним

Ефект оборотний - у зовнішньому електричному полі ті ж кристали пружно деформуються.

P = d sп, де d - п'єзомодуль [Кл | н]

d - зазвичай близько 10-10.

П'єзоефект має широке застосування, а завдяки використанню недорогих та міцних керамік п'єзоматеріали відносно доступні.

(BaTiO3 та деякі інші кераміки). Електроакустичні лінії затримки, п'єзозвучачі, п'єзодатчики ефективно застосовуються в електроніці

Для п'єзоефективності важливим є коефіцієнт електромеханічного зв'язку

Вони дозволяють стабілізувати частоти генераторів (і радіочастотних і тактових), зробити їх незалежними від зовнішніх умов (температура, напруга живлення і т. п. Електронні схеми). .) П'єзорезонатори характеризуються резонансною частотою та добротністю

Добротністьп'єзорезонатор Q - енергетичний параметр. Зворотна величина 1/Q характеризує відносні втрати енергії, причому всі втрати в діелектричному пристрої(не в матеріалі!) У т. ч. діелектричні, механічні, випромінювальні. Q показує скільки разів амплітуда в резонансі більше, ніж амплітуда на частоті набагато менше.

Багато сегнетоелектриків – хороші п'єзоелектрики. Кращий за багатьма показниками п'єзокристал - кварц.

Спонтанна поляризація

Деякі діелектричні кристали здатні поляризуватися мимовільно, тобто в нормальних температурних умовах і без зовнішніх електричних полів ці речовини вже знаходяться в поляризованому стані. Одна з перших речовин, що показали такі властивості, сегнетова сіль – твердий розчин оксалатів Na і К дало назву явищу – сегнетоелектрична поляризація, а подібні речовини називають сегнетоелектриками. Подібно до феромагнетиків сегнетоелектрики розбиваються на поляризовані мікрообласті - домени, межі яких порівняно легко зміщуються при впливі зовнішнього поля. У західній науковій літературі сегнетоелектричні матеріали за цими ознаками подібності називають ф ероелектриками.

Деякі сегнетоелектрики:

КДП(калійдігідрофосфат KH2PO4), LiNbO3, BaTiO3.

Ознаки сегнетоелектриків:

а) електричний гістерезис

P = j (E) - петля

Б) надзвичайно високі e (від десятків до 104 eо)

В) залежність e від Е

Г) наявність критичної температури переходу зі стану спонтанної поляризації у звичайне діелектричне Тс – точки Кюрі

(зазвичай 373 - 423 К), що іноді обмежує термостабільність приладів на їх основі

Піроелектрики - поляризуються при зміні температури в часі, причому зміна температури іноді дуже нікчемно за абсолютною величиною. Це робить піроелектрики цінними матеріалами для

Пірометрії, приладів інфрачервоної оптики тощо.

ПРОВІДНІСТЬ І ПРОБІЙ ДІЕЛЕКТРИКІВ

Діелектрики поділяють на пасивні та активні. У пасивнихнас насамперед цікавлять дуже висока r та довготривала стабільність у великому електричному полі.

У активнихДіелектриками важливі залежності п'єзо-, сегнето-, та оптичних властивостей від напруженості електричного поля Е – відповідні сфери застосування таких матеріалів називаються акустоелектроніка та квантова електроніка (фізична оптика).

Поговоримо про пасивнихД-це їх застосування найбільш загальне! У діелектриках течуть два види активних струмів: наскрізні-об'ємні та поверхневі; а також абсорбційні – тільки при dE/dt ¹ 0 це активна частина витрат енергії на дипольну та міграційну поляризацію.

Наскрізні струми мають в основному домішкову природу: пояснюються дифузією легкорухливих іонів H+, Na+, Cu+, K+, Ag+, особливо помітною в тонкоплівкових шарах. Формально провідність діелектрика

але енергія активації Q різна щодо різних іонів, а початкова концентрація домішкових іонів А майже залежить від температури. Є й стрибкові механізми провідності. електронамишляхом переходу між розновалентними іонами в решітці з низькою рухливістю, вони залежать від концентрації цих розновалентних іонів. Зі зростанням температури провідність діелектриків зростає. Для оцінки температурної стійкості діелектриків вводять параметр ТК - 100, температуру, при якій r = 100 МОм. см - 108 Ом. див. У скла ТК-100 = 150-200о С, у керамік - ~ 1000о С, полімерів з ТК-100 = 200оС, що звичайно дуже мало. При іонному механізмі електропровідності має місце перенесення маси і, отже, поступове деградаціядіелектрика, аж до руйнування (звісно локального). У БІС необхідним елементом є пасивні діелектрики - оксидні та нітридні плівки, у конденсаторах – також.

Електрична міцність діелектриків

Електрична міцність оцінюється за напруженістю поля пробою

Епр = Uпр / d, де Uпр - пробивна напруга, d - відстань між

Електрод.

Пробій - локальне порушення діелектричних властивостей матеріалу. Види пробою:

Тепловий -якщо тепловіддача за рахунок наскрізного та абсорбційних струмів зростає швидше, ніж тепловідведення від поверхні, то зростає температура та провідність діелектрика, а слідом за нею – лавиноподібний струм. Виникає провідний струмовий шнур, потім плавлення, випаровування діелектрика, дуговий розряд у плазмі. Навіть якщо не дійшло до такої катастрофи, то наслідком локального термоудару будуть тріщини та загальне погіршення властивостей діелектрика. Час розвитку теплового пробою – хвилини. Напруга теплового пробою Е ~ 0,1 - 1 МВ/м.

Електричний пробій– тунельний перехід електронів у зону провідності із домішкових рівнів чи металевих контактів. Процес розвивається за рахунок ударної іонізації валентних електронів та розмноження вільних носіїв

Напруга електричного пробою Епр набагато більше 10-1000 МВ/м, електричний пробій - безінерційний (практично миттєвий). Ця напруга пробою вважається властивістю діелектричного матеріалу та вводиться у довідники.

Поверхневий пробій– виникає в силу поверхневих струмів за домішковими поверхневими рівнями; залишкової вологості на поверхні, можливим забрудненням. Зазвичай поверхневий пробій перетворюється на повітряно-дуговий розряд перекриття діелектрика.

Електрохімічний пробій– пов'язаний із зміною складу матеріалу через його деградацію під впливом електричного поля, електрохімічної дисоціації, електроміграції.

У тонких діелектричних плівках розміри неоднорідностей можна порівняти з товщиноюі дуже сильно змінюють розподіл струмів та напруженостей. Пористість діелектричних плівок високої якості має бути гранично низькою. Найкращі властивості мають аморфні високооднорідні плівки з мінімальними ознаками кристалізації.

Діелектричні втрати

Вони обумовлені протіканням через об'єм діелектрика двох струмів – наскрізного та абсорбційного, відносна безрозмірна характеристика втрат - tg de, де d - кут між вектором повного струму та його реактивною складовою або між вектором Е (поляризуючим полем) та вектором Д (що виникла електричною індукцією). Втрати електричної потужності також залежать від tg de

Pa = 2pfCU2 tg de [Вт] 2pf = w.

Якщо U – вольти, С – фаради, w – 1/сек,

Зазвичай у разі втрат прийнято характеризувати матеріал комплексною діелектричною проникністю e* = e' + ie” , де i = eip/2 тоді tg de = e” / e' ;

Природа втрат пов'язана з кінцевими (хоч і дуже високими!) значеннями питомого опору, з релаксаційними процесами у механізмах іонної та дипольної поляризації. Діелектричні втрати особливо критичні для НВЧ-передаючих ліній, де tg de повинен бути = 1.10-4 таких діелектриків для реалізації в тонкоплівкової технології мало або взагалі немає. Тому багаторівневі НВЧ схеми робити не вдається.

У гібридних ІС та РЕА – пасивні діелектрики – підкладки ГІС, монтажні плати, діелектричні шари конденсаторів – плівкових та дискретних, ізоляція кабелів та шин.

Рис - пасивні діелектрики у мікросхемах

Застосування активних діелектриків-

П'єзоелектрики використовуються як стабілізатори частоти, лінії затримки, п'єзоелементи акустики, фільтри радіосигналів на акустичних поверхневих хвилях для телебачення. Кварц - непоганий п'єзоелектрик, що забезпечує високу стабільність частоти - 10-12% на добу - догляд частоти. А чому саме кварц?

Піроелектрики - прецизійні термодатчики, приймачі випромінювань малої потужності та коротких (до 10-11 с) імпульсів.

Піровідикони – фотоприймачі для ІЧ діапазону.

Електрети - матеріали, які здатні тривалий час зберігати заряджений стан (електричний потенціал). Поляризовані електрети, електричний аналог постійних магнітів, м есяцы і роки не розряджаються, але в темряві!

Сегнетоелектрики дуже ефективно зменшують розміримікроконденсаторів, вони ж часто володіють п'єзвластивістю і використовуються в приладах акустоелектроніки, в монокристалічному стані сегнетоелектрики застосовуються в системах квантової нелінійної оптики.

Лазерні матриці - це діелектричні монокристали та скла, леговані іонами РЗМ і МПГ; приклади кращих лазерних матриць - YAlO3, Y3Al5O12; ГСГГ(Gd 3 (ScGa) 5 O12 , Унікальний сапфір Al2O3 – висока прозорість, висока теплова, механічна та електрична міцність, здатність розчиняти домішки(сапфір, легований іонами хрому, називається рубін, це кристал першого у світі твердотільного лазера). температури плавлення (1700-22000С) та високі вимоги щодо оптичної однорідності лазерних

матриць дещо ускладнюють життя технологів, які отримують ці кристали.

ПИТАННЯ ДО ЕКЗАМЕНАЦІЙНИХ КВИТКІВ

1. Рухливість - дрейфова в металах, напівпровідниках та діелектриках. Роль рухливості у провідності.

2. Кремній із властивостями напівпровідника, діелектрика, резистивного матеріалу.

3. Функціональні та технологічні переваги кремнію як напівпровідника.

4. Алюміній у мікроелектроніці. Переваги і недоліки.

5. Матеріали для резисторів.

6. Що залежить від адгезії в технології мікроелектроніки та від чого залежить сама адгезія?

7. Поверхневий опір тонкого металевого шару.

8. Електроміграція, коли вона є небезпечною? Коли і як з нею боротися?

9. Уніполярні напівпровідникові матеріали – у чому проблема?

10. Непрямозонні напівпровідники, у яких їх обмеження.

11. Концентрація неосновних носіїв у кремнії, що містить наприклад 5.1019 см-3 Р-(вміти розрахувати).

12. У чому інтерес мікроелектроніки до монокристалічних матеріалів, до аморфних матеріалів?

13. Залежність дрейфової рухливості носіїв від температури.

14. Дифузійна довжина носіїв заряду.

15. Способи отримання напівпровідника у напівізолюючому стані.

16. Сплави, суміші, тверді розчини, хімічні сполуки – у чому різниця?

17. Властивості матеріалів – які вони бувають?

18. Чи придатні для електроніки матеріали малої жорсткості?

19. Що характеризує модуль Юнга та як його виміряти?

20. Що таке теплопровідність матеріалу, навіщо вона у мікроелектроніці?

21. ТКЛР - a, коли і чому важлива ця властивість?

22. Носії заряду в металах, напівпровідниках та діелектриках.

23. Коефіцієнт поглинання світла в металах, напівпровідниках та діелектриках.

24. Просторовий розподіл електронів у металах, напівпровідниках та діелектриках.

25. Як може бути використаний у мікроелектроніці аморфний матеріал із ковалентними хімічними зв'язками?

26. Яка властивість матеріалу залежить від a, l, sв одночасно?

27. Діелектрик пробивається при (наприклад) Е = 106 В/см. Якою має бути мінімальна товщина шару діелектрика в міжатомній ізоляції мікросхеми?

28. Глибокий донор, глибокий акцептор, у яких їх роль напівпровіднику?

29. У металі 1У групи ПС розчинили 0,1% домішки групи. Як зміниться властивості металу?

30. Електронно-діркова пара. Можливість генерації, можливість рекомбінації. Як вплинути на ймовірність?

31. У металі групи 1 розчинили 2% металу Ш групи ПС. Як зміниться провідність та рухливість?

32. Трансформаторні сталі крім заліза містять 3-10% домішок кремнію та алюмінію (заздалегідь немагнітних елементів). Навіщо ці домішки потрібні?

33. Квант випромінювання з енергією hn генерує в напівпровіднику електронно-діркову пару. Чи можна вважати, що рекомбінація цієї пари породить квант із енергією hn?

35. Напівпровідникова сполука типу АПВУ1, отримана синтезом, ідеально чистих компонентів має провідність р-типу. Запропонуйте пояснення.

1. Безтигельна зонна плавка кремнію має перед методом Чохральського такі переваги:

Порівняно проста ростова установка;

Відсутнє легування кристала тиглем

Кристал виходить досконаліший.

2. Енергетичний зазор між рівнем донора та стелею валентної зони малий, тому що донор легко віддає електрони:

Все вірно; - все неправильно; - мабуть, але не всі.

3. Переваги GaAs перед Si.

а) простіше виростити досконалий кристал (Тпл нижче);

б) прямозонна структура;

в) висока рухливість носіїв заряду;

г) можливе отримання напівізольованих шарів;

д) простіше наносити захисні та діелектричні шари.

4. Межа працездатності p-n переходу обумовлена:

а) термостабільністю;

б) термічними напругами;

в) виснаженням домішкової провідності;

г) генерацією власних носіїв;

д) окисленням поверхневого шару (емітера).

5. Напівпровідники легують для:

а) зменшення ширини забороненої зони;

б) створення p-n переходу;

в) стабілізації температурної залежності провідності;

г) регулювання провідності;

д) переходу до прямозонної структури.

1. Металевий стрижень при стиску деформувався на 5 %. Як і наскільки змінилися поперечні розміри стрижня?

2. Наведіть приклад крихкого металу.

3. Чи правильно сказати, що полікристал – сукупність дрібних розорієнтованих монокристалів?

4. У чому можлива відмінність властивостей монокристалу А та монокристалічної плівки А?

5. За яких умов матеріал буде пластичний?

6.Чим відрізняються хімічні сполуки та тверді розчини?

6. чим пояснити зміцнюючу дію на метал операцій кування чи штампування?

7. Як впливає підвищення температури на механічну міцність матеріалів?

8. Чим відрізняються еластичні матеріали від пластичних? Чи потрібні еластичні матеріали у РЕА?

9. Чому у металів теплопровідність вища, ніж у діелектриків?

10. a, l, d, r, m – які характеристики не є електричними?

11. Що таке термоудар, стійкість до термоудару? Для яких застосувань у РЕА це важливо?

12. На матеріалі з підвищеною концентрацією глибоких акцепторів зроблено p-n перехід. Який вплив мають глибокі акцептори на концентрацію носіїв в p - і n-області?

13. Чи можна як резистивний матеріал використовувати суміш склофази та мікрокристалів напівпровідника? Якими властивостями матиме така структура?

14. Легування кремнію глибокими акцепторами призводить до:

1) зниження провідності;

2) збільшення часу життя неосновних носіїв заряду;

3) прискорення рекомбінації;

4) виникнення високоомних компенсованих верств;

5) зміни ширини забороненої зони в кремнії.

Потрібно вибрати правильні відповіді

16. До класу АПВУ1 відносяться, наприклад, MgO, ВeO і HgTe, CdTe, що відрізняються положенням компонентів ПС. Порівняйте теоретично очікувану теплопровідність цих двох пар з'єднань. Які сполуки є більш придатними для термоелектрогенератора.