19

1. Материалы, применяемые в электронике делятся на активные и пассивные.

3. По магнитным свойствам материалы делятся на диамагнетики (магнитная проницаемость µ < 1, но µ ≈ 1), парамагнитные (µ > 1, но µ ≈ 1), ферромагнитные (µ >> 1), ферримагнитные (µ >> 1).

По агрегатному состоянию материалы делят на твердые, жидкие, газообразные.

По структуре на монокристаллические, поликристаллические, аморфные и смешанные.

Связь между атомами бывает ионной, ковалентной (атомной), металлической, молекулярной.

4. 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.

Полная внутренняя энергия атома ε равна сумме кинетических энергий W всех электронов и потенциальных энергий U притяжения их ядром:

где r - расстояние электрона от ядра.

Если ε = W + U < 0, то движение электрона является связанным, оно ограничено в пространстве значением

r = .

При ε > 0 движение электрона является свободным, и он может уйти на бесконечно большое расстояние от ядра.

Полная внутренняя энергия может принимать лишь одно из значений дискретного ряда: ε1, ε2, ε 3... (ε1 < ε2 < ε3...).

Энергия атома может изменяться только скачкообразно путем квантового перехода из одного стационарного состояния εi в другое состояние εj.

Согласно принципу Паули в каждом из возможных квантовых состояний может находиться не более одного электрона. Распределение электронов по энергетическим уровням в многоэлектронных атомах происходит в соответствии с двумя основными принципами:

1) атомная система устойчива, когда ее внутренняя энергия минимальна;

2) каждый электрон в атоме находится в своем квантовом состоянии, ха-

рактеризующимся четырьмя квантовыми числами n, l, m, s.

Главное квантовое число n определяет радиус круговой орбиты или большую полуось эллиптической. Оно может принимать значения n = 1, 2, 3 и т.д. Чем больше n, тем больше радиус орбиты и энергия электрона. Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями.

Орбитальное квантовое число l определяет малую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать значения l = 0, 1, 2, …, (n–1). Значение l = 0 соответствует круговой орбите. Энергетические состояния, характеризующиеся различными значениями l, называют подуровнями.

Магнитное квантовое число m определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно может принимать значения m =0, ±1, ±2,..., ±l. Каждому квантовому числу l соответствует (2l+1) по-разному ориентированных орбит.

Спиновое квантовое число s определяет момент количества движения электрона вокруг собственной оси. Вектор момента количества движения может быть параллелен или антипараллелен вектору орбитального момента. Спин электрона равен половине постоянной Планка, поэтому он равен ± Ѕ.

5. Виды химической связи

1. Ионная связь или электровалентная связь

2. Ковалентная связь – гомеополярная связь

3. Металлическая связь – разновидность гомеополярной связи

4. Молекулярная связь

6. 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)

Сингония  — дословно «сходноугольность») — одно из подразделений кристаллов по признаку  формы их элементарной ячейки. В основном применяется в кристаллографии для категоризации  кристаллов, но представление о сингонии само по себе является одной из тем трехмерной евклидовой геометрии.

Виды сингонии: триклинная , моноклинная, Ромбическая (орторомбическая), Тетрагональная, Тригональная (ромбоэдрическая), Гексагональная и Кубическая.

7. Точечные или нульмерные дефекты – это дефекты с размерами, сравнимыми с размерами атома. К точечным дефектам относятся примесные атомы внедрения и замещения, межузельные атомы и вакансии, а также центры окраски.

Все точечные дефекты являются центрами механических напряжений в кристаллах вследствие некоторых смещений ионов

К линейным или одномерным дефектам относятся цепочки точечных дефектов, дислокации и дисклинации. Дислокации – это дефекты кристаллической решетки, искажающие правильное расположение плоскостей атомов.

Поверхностными или двумерными дефектами являются дефекты упаковки атомов в кристаллической структуре, границы зерен, сама поверхность кристалла.

8. Динамика кристаллической решетки Частицы, составляющие кристалл (атомы, ионы, молекулы), под действием внешних сил или в результате теплового движения могут смещаться относительно своих равновесных положений в узлах кристаллической решетки.

В сложной кристаллической решетке, когда число атомов в элементарной ячейке больше 1, кроме акустических мод существует также (3N-3) колебательных мод, называемых оптическими колебаниями. Оптические моды характеризуются индивидуальным колебанием атомов, каждое из которых имеет независящую от других фазу колебаний. В отличие от акустических колебаний частоты оптических колебаний отличны от 0 даже при q = 0

При квантовом описании малых колебаний атомов кристалла, каждомунормальному колебанию с волновым вектором q можно сопоставить квазичастицу с квазиимпульсом P = hq и энергией ε = hω . Эти квазичастицы получили название фононов и являются элементарными возбуждения (квантами) поля упругих колебаний кристалла.

9. Энергетические зоны в кристаллах

В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами от талкивания от других электронов. В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия – это силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов увеличивается, других – уменьшается. 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. Во многих случаях может иметь место перекрытие разрешенных энергетических зон

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.

10. 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.

Существуют три типа структурных твердых растворов:

1. растворы замещения, когда атомы растворенного металла замещают в узлах кристаллической решетки атомы металла-растворителя, распределяясь среди них по определенному закону;

2. растворы внедрения, когда атомы растворенного металла не замещают атомы металла растворителя, а располагаются в межатомных промежутках его кристаллической решетки;

3. твердые растворы вычитания, которые образуются при недостатке од-ного из компонентов сплава.

Два металла могут образовывать между собой не одно, а несколько соединений, например, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na4Sn3, Na2Sn, Na4Sn и др.

11. Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

Распределение электронов по энергетическим уровням в многоэлектронных атомах происходит в соответствии с двумя основными принципами:

1. Атомная система устойчива, когда ее внутренняя энергия минимальна;

2. каждый электрон в атоме находится в своем квантовом состоянии, характеризующимся четырьмя квантовыми числами n, l, m, s.

ФЕ́РМИ ЭНЕ́РГИЯ, значение энергии, ниже которой при температуре абсолютного нуля Т=0 К,

Плотность тока в проводнике определяется выражением: J=en , (0.2)

г

де – средняя скорость направленного движения носителей заряда (скорость дрейфа), которая составляет порядка ≈ м/с.

При подстановке скорости дрейфа, получим равенство

Дрейфовую скорость в единичном электрическом поле определяют термином подвижность µ:

µ = L τ / m*.

12. Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. показывает теория [1-3], величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τe, длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость < v > носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:

σ = ne². τе / m = (n · e² /  m). (λe  / < v >) = e · n · u

где u - подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности , а именно: u = < v > / E = (e · τ_е) /m

– удельная электропроводность полупроводника, и – подвижность электронов и дырок соответственно, q – заряд электрона, E – напряженность электрического поля.

Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности тока приводит к следующему результату:

т.е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, а это и есть налитическое выражение закона Ома. В этом случае, выражение для удельной проводимости имеет вид:

Механизмы рассеяния электронов в металлах

    Среди механизмов рассеяния наиболее важными являются электрон-фононное, электрон-электронное, примесное, изотопное, на торцах образцов и на дефектах.

Правило Матиссена (Matthiessen's rule).

    Если имеется несколько механизмов рассеяния, каждый из которых не влияет на другие, то полная вероятность рассеяния

W =  iWi.

Интеграл столкновений в изотропной среде. Рассеяние электронов на примеси.

    Считаем, что рассеяние - упругое, концентрация примеси мала, взаимодействие U примесь-электрон достаточно слабо. Можно показать, что при этом вероятность рассеяния:

Wk,k' = 2 ni/   (E(k)-E(k'))|<k|U|k'>|2