Глава 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВ

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Электрорадиоматериалы обладают большим разнообразием свойств, благодаря которым их применяют в изделиях радиоэлектронной аппаратуры. От этих свойств зависят такие процессы в элементах радиоприборов, как передача, генерация, выпрямление или модуляция электрического тока, преобразование электрических сигналов в звуковые или световые и т.д. Эти свойства позволяют изготавливать такие разные по функциональному назначению, кон­структивному исполнению и размерам изделия, как провода, волноводы, трансформаторы, магниты, электронные лампы, лазеры и мазеры, приемники света, полупроводниковые интегральные схе­мы и т.д. Для правильного выбора и эффективного использования этих материалов необходимо знание не только проявления их свойств, но и причин их разнообразия, которые связаны со строением вещества.

ВИДЫ СВЯЗИ

Все вещества состоят из атомов. Атом представляет собой сис­тему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Расположенные ближе к ядру электроны подвержены большему притяжению, они ослабляют притяжение внешних электронов, которые находятся на большем расстоянии от ядра. Внешние электроны могут отрываться от одного атома и присоединяться к другому атому, изменяя число его внешних электронов. Такие электроны называются валентными. У разных веществ атомы содержат разное число ва­лентных электронов. Атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительно заряженным. Атом, который присоединил к себе свободные электроны, становится отрицательно за­ряженным. Образовавшиеся таким образом положительные и отрицательные частицы называются ионами.

Из атомов строятся молекулы. Связи, благодаря которым происходит объединение атомов в молекулы, называются химическими.

Рис. 1.1. Ковалентная (атомная) связь в молекуле водорода:

а - изолированные атомы; б - молекула с ковалентной связью

Способность атомов вступать в соединения с атомами других веществ и образовывать молекулы определяет химические свойства вещества. Молекула является наименьшей частицей вещества, которая сохраняет его химические свойства. Химические связи между атомами вещества делят на ковалентные (атомные), ионные, металлические и молекулярные.

Ковалентные связи возникают между атомами за счет образования устойчивых пар валентных электронов разных атомов (рис. 1.1).

Эти пары являются общими для атомов, которые входят в моле­кулу. Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (Н₂, С₁₂, N₂), то электронная пара в одинаковой степени принадлежит обойм атомам. В таком случае молекулу и ковалентную связь называют неполярными и (или) нейтральными. В неполярных молеку­лах центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, то электронная пара может бить смещена к одному из ато­мов. В этом случае ковалентную связь называют полярной, а молекулы с полярной связью, у которых центры положительных заря­дов не совпадают, - полярными или дипольными. Дипольная молеку­ла характеризуется электрическим дипольным моментом

                                                   (1)

где g - абсолютное значение заряда, Кл; l - расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов, м.

Если у многоатомных молекул заряди расположены симметрично, то они неполярны, при несимметричном расположении атомов молекулы полярны (рис. 1.2).

В отличие от ионной атомная связь имеет направленный харак­тер. Эта связь образуется в направлений наибольшей плотности объединенных электронов. Поэтому вещества с ковалентными связями обычно характеризуются твердостью, хрупкостью, тугоплавкостью и химической инертностью. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Д. И. Менделеева – SiC, BN.

                                      а                                         б

Рис. 1.2. Схемы неполярной молекулы полиэтилена (μ= 0) (а) и полярной

молекулы поливинилхлорида (б):

q - абсолютное значение заряда; l - расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов

Атомные связи характерны для таких газов, как Н₂, 0₂, N₂. Молекулы некоторых органических соединений: полиэтилена (С₂Н₄)n, политетрафторэтилена (С₂F₄)n - имеют ковалентную связь, при этом между отдельными молекула­ми в этих материалах образуются молекулярные связи.

Разновидностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь, которая возникает между атомом, способным отдать электрон (донор), и атомом, способным принять этот электрон (акцеп­тор). Примером таких материалов являются соединения мышьяка - арсениды галлия GaAs и индия InAs.

Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами.

Молекулы вещества с полярной связью полярны. Соединения с ионной связью обладают разными свойствами, которые характер­ны для типичных металлов и неметаллов. Такие связи наиболее ха­рактерны для неорганических диэлектриков, которые имеют в своем составе ионы противоположных знаков (большинство солей и некоторые оксиды, например, ZnO, СdO, NiO, СuO₂).

Ионные связи менее прочны, чем ковалентные, поэтому соеди­нения, образованные ионной связью, уступают веществам с кова­лентной связью по механической прочности и химической стойкости.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом. Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными. В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов. В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свобод­ными электронами и ковалентная связь между нейтральными мо­лекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Молекулярные связи образуются между отдельными молекула­ми в результате электростатического притяжения между зарядами противоположных знаков, которые имеются в молекулах. Такое электростатическое притяжение называют силами Ван-дер-Ваальса. С помощью таких сил образуются молекулы в твердом водороде Н₂, азоте К₂, углекислом газе СО₂ и других органических соединениях - полиэтилене, фторопласте и др.

Особым видом молекулярной связи является водородная связь, которая образуется через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами соседних молекул. Водородной связью соединяются молекулы води и некоторых органических соединений.

В твердых веществах атомы и молекулы располагаются в строгом порядке и хаотично. Вещества с закономерным упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве называют кристаллическими, а вещества с беспорядочным расположением ато­мов или молекул - аморфными.

1.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

К кристаллическим веществам относятся все металлы и метал­лические сплавы.

Кристалл состоит из множества сопряженных друг с другом элементарных кристаллических ячеек. В элементарной кристаллической ячейке содержится наименьшее число атомов.

Для описания структуры кристаллических тел пользуются понятием

а                б                      в

Рис. 1.3. Основные типы кристаллических решеток

металлов:

а - кубическая объемно центрированная; б - кубическая гранецентрированная; в - гексагональная

пространственной кристаллической ре­шетки, которая представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело (рис. 1.3).

В узлах ковалентных (атомных) решеток находятся нейтральные атомы, которые связаны друг с другом ковалентной связью.

В узлах ионных решеток располагаются чередуясь положительные и отрицательные ионы, которые связаны друг с другом ионной связью.

В узлах металлических решеток расположены положительные ионы, в промежутках между которыми находятся свободные электроны. Они образуют решетку с помощью металлических связей.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы. Такие ре­шетки образуются за счет ковалентной и ионной связей.

Рис. 1.4. Элементарная ячейка кубической решетки

Каждое вещество обычно образует кристаллы определенной формы. Порядок взаимного расположения атомов в кристалле может быть различным.

Простейшим типом элементарной кристаллической ячейки является простая кубическая решетка. Размеры кристаллической решет­ки характеризуются ее параметрами. Под параметром решетки понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Эти расстояния очень малы и их измеряют в нанометрах или ангстремах (1Е = 10^-10 м). Параметр кубической решетки (рис. 1.4) обозначается буквой а и находится в пределах 0,28...0,6 нм. Параметр решетки хрома равен 2,9 Е , алюминия - 4,04 Е. Следовательно, в кристаллическом веществе на 1 мм размещаются десятки миллионов атомов.

Стремление атомов металлов к сближению и уплотнению приводит к образованию более сложных типов решеток. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются:

кубическая объемно центрированная (см. рис. 1.3, а), ее имеют α-железо, хром, вольфрам, ванадий;

кубическая гранецентрированная (см. рис. 1.3, б), ее имеют γ-железо, медь, алюминий;

гексагональная (см. рис. 1.3, в), ее имеют бериллий, кадмий, магний и другие металлы.

Наиболее плотно и компактно размещены атомы гексагональной и кубической гранецентрированной решеток.

Упорядоченное расположение атомов в кристаллах приводит к различному расположению и плотности атомов в разных направлениях. Этим обусловлено различие свойств металлов в разных направлениях.

Изменение свойств кристаллов (металлов) в зависимости от направления называют анизотропией. Степень анизотропности свойств

Рис. 1.5. Кристаллографические плоскости в кубических кристаллах

металлов может быть значительной. Например, предел прочности на растяжение у меди изменяется от 120 до 360 МПа, а относительное удлинение при растяжении (Δl/l= 10) - до 55%.

Однако промышленные сплавы обычно состоят из большого числа кристаллов, кристаллические решетки которых по-разному ориентированы в пространстве, поэтому свойства сплавов не зависят от направления.

Учитывая анизотропию свойств кристаллов в разных направлениях, применяют количественную индексацию плоскостей и направлений в кристаллических решетках (индексы Миллера). Кристаллографические плоскости и их индексация представлены на рис. 1.5.

Плоскость I (рис. 1.5, а) отсекает от оси X отрезок, равный длине п ребра куба, и проходит параллельно осям Y и Z, т.е. пересекается с ними в бесконечности. Индексами выбирают отношения длины этого отрезка к длине ребра куба. Индексы записывают в круглых скобках.

Индексы плоскости I определяются следующим образом: по оси Х п/п = 1, по оси У п/∞ = 0, по оси Z п/∞ = 0. Следовательно, плос­кость I имеет индексы (100).

Плоскость IIотсекает по осям Х и У отрезки, равные п, и пересе­кается в бесконечности с осью Z, (рис. 1.5, б). Индексы этой плоско­сти следующие: по оси по оси Х п/п = 1, по оси У п/п = 1,по оси Z п/∞ = 0. Следовательно, плоскость IIимеет индексы (110).

Плоскость III(рис. 1.5, в) имеет индексы (111).

Все кристаллические вещества при нагревании сохраняют твер­дое состояние до определенной температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура вещества, тем больше амплитуда этих колебаний. При достижении определенной температуры амплитуда колебаний атомов настолько увеличивается, что происходит разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в хаотическое состояние, а вещество превращается из твердого в жидкое. Температура, при которой происходит фазовое превращение твердого вещества в жидкое, называется температурой плавления Т_пл.

 

Рис. 1.6. Условное изображение точечных несовершенств:

1 - вакансия; 2 - дисло­цированный атом; 3 - примесный атом

Обратный переход кристаллических веществ из жидкого состояния в твердое на­зывается кристаллизацией. Температура, при которой происходит фазовое превраще­ние жидких веществ в кристаллические, на­зывается температурой кристаллизации Т_кр. Строение металлов, когда атомы обра­зуют геометрически правильную кристалли­ческую структуру, может быть только в иде­альном случае. В реальных условиях крис­таллы имеют большое число дефектов, на­личие которых оказывает существенное вли­яние на свойства металлов и сплавов.

Основными дефектами кристаллических решеток являются точечные, линейные, по­верхностные и объемные (трехмерные) не­совершенства. Точечные несовершенства появляются в результате образования вакансий (атомных дырок) или внедрения атомов в междуузлие (рис. 1.6).

Атомы металлов находятся в колебательном движении относи­тельно положения равновесия. При нагревании амплитуда колеба­ний атомов возрастает. Большинство атомов в данной кристалли­ческой решетке обладает одинаковой средней энергией, поэтому амплитуда их колебаний при данной температуре одинакова, но отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую сред­нюю, и амплитуда колебаний их также больше среднего значения. Такие атомы могут перемещаться из одного места в другое и выхо­дить из узла в междуузлие. Атомы, вышедшие из узла решетки, на­зываются дислоцированными, а места, где находились атомы, оста­ются в решетке незаполненными и называются вакансиями.

Причинами точечных несовершенств являются условия кри­сталлизации, наличие примесей в металлах и сплавах, неравно­мерное распределение энергии между атомами кристаллической решетки.

Точечные дефекты влияют на диффузионные процессы. Напри­мер, при изготовлении полупроводниковых интегральных схем на­гревание до температуры плавления приводит к увеличению вакан­сий на 2%.

Линейные несовершенства представляют собой изменения струк­туры, протяженность которых в одном измерении гораздо больше, чем в двух других. Такие несовершенства называют дислокациями. Появление дислокаций вызвано воздействиями на металл напря­жений разного происхождения. При воздействии сосредоточенной нагрузки на некоторый участок происходит перераспределение на­пряжений в образце. Этот процесс сопровождается медленным сдвигом атомов. Граница между сдвинутыми участками и сохранившей­ся без изменения областью является дислокацией (рис. 1.7).

 

Рис. 1.7. Линейные дислокации Рис. 1.8. Поверхностные несовершенства

                                                     (мозаичная структура кристалла)

Дислокации бывают краевыми, винтовыми и смешанными.

Поверхностные несовершенства характеризуются значительны­ми изменениями в двух измерениях. Примером поверхностного не­совершенства является граница между кристаллами в реальных сплавах.

Кристалл состоит из блоков, которые по-разному ориентируются в пределах этого кристалла, образуя мозаичную структуру. На гра­ницах повернутых друг относительно друга блоков возникают на­пряжения, приводящие к искажению кристаллической решетки (рис. 1.8).

Объемные несовершенства кристалла имеют существенные раз­меры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или кристал­лической модификации.

По структуре кристаллические материалы бывают монокристал­лическими и поликристаллическими.

Монокристаллические материалы - это однородные анизотроп­ные тела, у которых атомы расположены по всему объему в пра­вильном порядке. При этом сами атомы состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа срос­шихся между собой мелких кристаллических зерен (кристаллитов), которые хаотически ориентированы в разных направлениях. За счет усреднения свойств отдельных кристаллов свойства тела в целом не зависят от направления, и поликристаллические материалы обыч­но изотропны. Однако с помощью специальной обработки (холод­ная прокатка с последующим отжигом, намагничивание, поляри­зация и т.д.) материал становится анизотропным. Материалы с ис­кусственно созданной анизотропией называют текстурами.

К поликристаллическим материалам относятся металлы и мно­гие керамические материалы.

1.3. АМОРФНЫЕ И АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Аморфные вещества. В аморфных веществах атомы и молекулы расположены беспорядочно. В отличие от кристаллических амор­фные вещества не имеют строго определенной температуры пере­хода из твердого состояния в жидкое. Этот переход осуществляется в некотором диапазоне температур. При понижении температуры у аморфных материалов, находящихся в жидком состоянии, проис­ходит быстрое повышение вязкости, которое затрудняет перемеще­ние молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов. Свойства аморфных тел не зависят от выбранного направления, так как аморфные тела изотропны. Например, при охлаждении рас­плавленного кристалла кварца образуется так называемый плавленый кварц, свойства которого одинаковы по всем направлени­ям и при этом не отличаются от свойств кристаллического кварца. Аморфные вещества делятся на две группы:

простые аморфные, к которым относятся низкомолекулярные жидкости, неорганические стекла, плавленый кварц и др.;

высокополимерные соединения, к которым относятся каучуки, резины, органические стекла, смолы.

Аморфно-кристаллические вещества. Некоторые вещества могут находиться в кристаллическом и аморфном состояниях. Аморфное состояние вещества менее устойчиво, чем кристаллическое, поэто­му возможен самопроизвольный переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое. Примером такого превращения слу­жит расстекловывание, в процессе которого происходит самопро­извольная кристаллизация стекла при повышенных температурах или давлении. В связи с образованием мелких кристаллов стекло меняет свои оптические свойства и превращается в аморфно-крис­таллический материал, называемый штатом.

Аморфно-кристаллическое состояние свойственно оксиду крем­ния, который встречается в природе в виде кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии в виде минерала опал. В определен­ном интервале температур в термодинамически устойчивом состо­янии, которое характерно для аморфно-кристаллических веществ, находятся жидкие кристаллы.

Контрольные вопросы

1. Из чего состоят вещества?

2.  Какие виды химических связей между атомами вы знаете?

3. Что представляет собой пространственная кристаллическая решетка?

4. Чем отличаются кристаллические вещества от аморфных?

5. В чем отличие температуры плавления Т_пл от температуры кристаллиза­ции Т_кр

Глава 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВ

По назначению материалы, используемые в различных облас­тях электроники, условно подразделяют на конструкционные и элек­тротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления не­сущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Электротехнические материалы, которые находят применение в радиоэлектронике, называют электрорадиоматериалами. Приме­нение этих материалов в радиоэлектронике обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры на электрорадиоматериалы воздей­ствуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совмест­но. По поведению в электрическом поле эти материалы подразде­ляют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой орби­те может находиться не более двух электронов. Каждой орбите со­ответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой опреде­ленный энергетический уровень. Под воздействием притяжения по­ложительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. По­этому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни -свободными. Электрон может скач­кообразно перейти с нижнего энергетического уровня W₁ на другой

свободный уровень W₂ (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию ΔW = W₂-W₁.Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.

Валентная зона

Запретная зона

Зона проводимости

 

   1                        2

Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2)

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, ко­торые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом рас­щепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается W_v. Свободная зона называется зо­ной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обознача­ется W_c. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимос­ти называют запретной зоной, которая характеризуется определенным уравнем дополнительной энергии ΔW. Значение запретной зоны суще­ственно влияет на свойства материалов.

Если ΔW равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводни­ками являются металлы.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ - энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциа­лов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону про­водимости требуется значительная энергия. Такие вещества отно­сят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное элект­рическое сопротивление.

Если значение запретной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то элект­роны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости бла­годаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

Проводниковые материалы служат для проведения электричес­кого тока.

Обычно к проводникам относят вещества с удельным электри­ческим сопротивлением ρ менее 10^-5 Ом·м.

Диэлектрические материалы обладают способностью препят­ствовать прохождению тока.

К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением ρ более 10⁷ Ом·м. Благодаря высо­кому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твер­дые и жидкие металлы - проводники, а пары металлов - диэ­лектрики; типичные при нормальных условиях полупроводни­ки германий и кремний при воздействии высоких гидростати­ческих давлений становятся проводниками; углерод в модифи­кации алмаза - диэлектрик, а в модификации графита - про­водник.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

Удельное электрическое сопротивление полупроводников может со­ставлять от 10^-6 Ом·м до 10⁺⁸ Ом∙м.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо­му полю является электропроводность, характеризующая способ­ность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т. е. поля, напряжение которого не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью у и удельным электрическим сопротивлением р:

J = γ·E = E/ρ,                                        (2)

где J - плотность тока; γ - удельная электрическая проводимость, См/м; Е -напряженность электрического поля, В/м; ρ = 1/γ - удельное электрическое со­противление, Ом·м.

Значения удельной электрической проводимости γ и удельного электрического сопротивления ρ у разных материалов существен­но различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электри­ческое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.

---

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1300; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!