Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Каждой оболочкесоответствует свое число n (оболочкам К, L, М, N, O, Q соответствуютn = 1,2,3,4,5,6,7). Предельное количество электронов в оболочке 2n2, т.е. в Коболочке не больше двух электронов, в L – не больше 8 и т.д. Элементы,расположенные по возрастанию Z образуют 7 периодов. В первый период входятдва элемента (Н, Не). Во втором и третьем – по 8, в четвертом и пятом – по 18, вшестом – 32. В седьмом периоде известен (1977) 21 элемент. В периодах свойстваэлементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов кинертным газам.
Орбитальное квантовое число определяет момент количествадвижения (эксцентриситет орбиты) электрона при движении вокруг ядра.Численные значения (0,1,2,3,4,5,6) этого квантового числа обычно записываются56789не цифрами, а буквами s, p, d, f, g, h, являющимися первыми буквами слов,характеризующих спектр излучения. Таким образом состояние электронов в Коболочке (n=1; l=0) запишется 1s; в L-оболочке (n=2, l=0) запишется 2s, а приl=1–2р (3-я оболочка 3s, 3p и т.д.). Элементы, у которых заполняются невнешние, а более глубокие оболочки называются переходными. Так вчетвертом периоде к переходным относятся элементы от Sс до Zn, у которыхдостраиваются 3d - оболочки (табл.1.1).
Спиновое число ms определяетсобственный момент количества движения электрона, связанный с его вращением. Так как орбита с движущимся по ней электроном можетрассматриваться как контур тока, то электрон обладает магнитным моментом.Квантовое число ml характеризует ориентировку этого момента в магнитномполе. Согласно принципу Паули в одном атоме не может быть двуходинаковых электронов, одним из квантовых чисел электроны атомаотличаются друг от друга. Количество электронов в элементах и распределениеих по орбитам (см.
табл. 1.1).Кроме горизонтального разделения элементов в таблице по периодампроизводится вертикальное разделение их по группам. Элементы, входящие вкаждую группу, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек исоответственно похожие свойства. Внутри групп свойства элементов такжеизменяются закономерно. Во время создания периодической системы былиизвестны далеко не все элементы системы.
Менделеев не просто расположилэлементы в порядке возрастания их атомного веса, а подметив периодическуюповторяемость свойств, расположил их по периодам и группам, оставив пустыеместа для необнаруженных еще элементов, подробно описав их свойства,например, неизвестного, тогда Sc, названного Менделеевым экабором.Обнаружение и исследование свойств неизвестных элементов (Sc, Ge, Ga)явилось блестящим подтверждением гениального предвидения Менделеева.“Микроструктура” атомов элементов определяет их макросвойства. Так,например, элементы 1А группы (табл.
1.2) имеют на внешней оболочке одинэлектрон, который сравнительно легко теряют, вступая в химическую реакцию.Например, Na бурно реагирует с водой, соединяясь с кислородом и вытесняягазообразный водород. На качественном уровне еще более активным долженбыть калий, т.к. его связь с атомным ядром еще слабее, притяжение отрицательного электрона к положительному ядру экранировано не двумя как у Na,а тремя внутренними оболочками. Действительно, калий реагирует с водой ещеинтенсивнее, со взрывом. Из металлов самыми активными элементамиявляются элементы, находящиеся в самом нижнем левом углу таблицы. Это Rви Сs (не считая франция Fr, наименее устойчивого и редчайшегорадиоактивного элемента, названного Менделеевым экацезием).Наоборот, самым активным неметаллом является фтор F, верхний элемент7А группы. В элементах этой группы в наружной оболочке не хватает одногоэлектрона до образования устойчивой 8-ми электронной оболочки.
Говорятсродство к электрону у этих элементов высокое, причем наиболее высокое у F,так как недостроенная его оболочка ближе всего к ядру атома. Вода в среде10фтора горит, при этом F соединяется с водородом, образуя плавиковую кислотуНF, а кислород является продуктом сгорания.
Элементы 8А группы имеютдостроенные оболочки, это инертные газы (Не, Nе, Аr...), которые находятся ватомарном состоянии. Их атомы не образуют ковалентных связей между собой,таких как в молекулах водорода Н2, кислорода О2 и других газов, и не вступаютв химические соединения с другими атомами. Структура атомов определяет идругие свойства элементов. Например, у элементов с ярко выраженнымимагнитными свойствами в недостроенных оболочках имеются электроны снекомпенсированными магнитными моментами (Fe, Ni, Gd и др.), что иобеспечивает макромагнитные свойства ферромагнетиков.Но не только положение элемента в таблице Менделеева определяет егомакросвойства.
Так, например, углерод существует в нескольких полиморфныхмодификациях. Одна из них – алмаз, который кристаллизуется в кубическойсингонии. Сингония – классификационное подразделение кристаллов попризнаку симметрии элементарной ячейки кристалла, характеризуетсясоотношениями между ее ребрами и углами. Атомы углерода в алмазеобразуют октаэдрические (8-ми гранные) кристаллы, это самое твердоевещество (по минераловедческой шкале 10 единиц).
Другая, наиболеераспространенная и устойчивая модификация – графит, это углерод сгексагональной слоистой кристаллической структурой и твердостью по той жешкале, равной 1 единице. Эти материалы имеют совершенно разные физико–химические свойства, например, графит – проводник, а алмаз – диэлектрик.Существует и третья модификация кристаллического углерода – линейная,нитевидная структура, углеволокно. Существуют и разновидности каждоймодификации, например, для алмаза это баллас, карбонадо, борт. Можнополучить углерод и в аморфном, некристаллическом состоянии.
Из этихпримеров видно, что свойства материала определяет не только химсостав, но иструктура, способ выстраивания атомов в твердом теле.Гораздо шире в электронике используются сложные вещества: сплавы,органические и неорганические, химические и интерметаллическиесоединения. Атомы в сложных и элементных веществах твердых тел связанымежду собой.
Глубинная причина таких связей всегда кулоновскоевзаимодействие между противоположными зарядами. Поэтому тип связиопределяет свойства (в том числе электрические, магнитные) материала.Известны четыре типа связей: ионная, ковалентная, металлическая имолекулярная (связь Ван-дер-Ваальса, водородная). Энергия связи – это работа,которую необходимо произвести, чтобы связь нарушить, т.е. разделить(разрушить) материал на отдельные части (атомы, молекулы). Эта энергияобычно измеряется в кДж на моль вещества и составляет 400…1000 кДж/моль(наименее прочная Ван-дер-Ваальсова связь составляет примерно 10кДж/моль).
Эта энергия сравнима с тепловым эффектом химических реакций,составляющих 200…400 кДж/моль, теплота плавления льда составляет – 41кДж/моль. В расчете на одну частицу (на одну связь между двумя атомами) этаэнергия составит несколько эВ (электронвольт*). Для сравнения средняя11∗энергия тепловых колебаний частицы при комнатной температуре составляет0,04 эВ, энергия фотона красного цвета равна ∼1,9 эВ, а кинетической энергииодного электрона в 1 эВ соответствует скорость ∼6⋅105 м/c.Существует несколько классификаций материалов (по видам связей, поэлектрическим, магнитным свойствам и т.д.).
По поведению в электрическихполях материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые идиэлектрические.Проводниковые материалы. Их применение обусловлено в основномсвойствами электропроводности, удельное сопротивление ρ их оченьнезначительно, порядка 10–6…10–8 Ом⋅м. В основном это металлы, материалы сметаллической связью проводимость их обусловлена большим количеством“свободных” электронов, количество которых в единице объема примерноравно количеству атомов в этом же объеме.Полупроводниковыми называются материалы, являющиеся по удельномусопротивлению промежуточными между проводниками и диэлектриками.Диапазон удельных сопротивлений полупроводников 10–6…108 Ом⋅м, междупластинами заряженного конденсатора).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
