Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Из сравнениясхем (рис.1.9, г и д) видно, что у Ge металлические свойства выраженысильнее, чем у Si, стоящего выше в таблице (см. группу 4А, табл.1.2). Стоящийниже в таблице полуметалл Sn в разных полиморфных состояниях (белоеолово, серое олово) проявляет себя либо как металл, либо как полупроводник.Все соединения рис.1.9 б, в, г, д – полупроводники, но с разными свойствами;выше отмечался широкий диапазон электрических свойств полупроводников.Отличие металлов в том (рис.1.9,е), что коллективизация валентныхэлектронов в них является полной, и электроны под действием электрическогополя становятся носителями заряда. У атомов металлов валентных электроновмало и тенденция образовать устойчивую 8-электронную оболочку не можетпроявиться.1.2.
Особенности строения твердых телПо степени упорядоченности расположения атомов материалы делятся накристаллические и аморфные. Кристалл – твердое тело с трехмернымпериодическим пространственным расположением атомов и приобретающеепри определенных условиях роста форму многогранника. Бесконечноетрехмерное периодическое образование называется кристаллической решеткой,точки расположения атомов в решетке –узлами. Расстояние междуближайшими узлами в одном из 3-х направлений называется параметромрешетки, они постоянны для данного материала; говорят, что кристаллобладает дальним порядком.
Параллелепипеды, вершины которых занятыузлами решетки – ячейки. Ячейка называется примитивной (простой), еслиузлы решетки располагаются только в вершинах ячейки и сложной, если узлысодержатся внутри или на поверхности граней ячейки.Количество атомов в одном кубическом сантиметре ∼1022, приблизительностолько же в таком объеме и электронов в металлах. Чтобы представить себеэто количество, напомним, что если 1 см увеличить в 1022 раз, то получитсяразмер нашей Галактики (∼1020 м). На площади 1 см2 располагаетсясоответственно ∼ 1015 атомов, а вдоль ребра куба со стороной 1 см ∼3⋅107 (30миллионов) атомов.
Тепловое движение в кристалле выражается в том, чтоатомы в узлах решетки колеблются с частотой ∼1013 Гц и амплитудой на23несколько порядков меньшей параметра решетки. При нагревании амплитудаколебаний увеличивается.Если обозначить углы между гранями параллелепипеда через α, β, γ, аразмеры ребер а, в, с, то семь различных их сочетаний образуют 7 сингоний(рис.1.10).
Еще 7 типов являются производными от простых (базо–, гране– иобъемноцентрированные решетки). На рис.1.11 изображены 14 возможныхпространственных решеток (решетки Бравэ). Геометрическая классификациякристалловнедостаточнадляразрешенияструктур,кажущихсятождественными. Вследствие различных видов симметрии (совмещениякристалла с самим собой путем поворотов, отражений, параллельныхпереносов и их комбинаций), которые насчитывают 32 класса, кристаллы могутразличаться по двойному лучепреломлению, по пьезо– и пироэлектрическимсвойствам и т.д.В 1890 году Е. С. Федоров строго математически вывел все возможныесочетания элементов симметрии в пространстве. Было доказано, что такихпространственных групп симметрии может быть только 230, этот вывод сталосновой современной кристаллохимии и был подтвержден впоследствииэкспериментальнометодамирентгеноструктурногоиэлектроннодифракционного анализа.
Типы решеток элементов, постоянные решетки ихарактерные углы (см. табл.1.2). Типы решеток некоторых характерныхсоединений –рис.1.5 (NaCl и СsCl), а также рис.1.12 и 1.13. На рис. 1.12показана структура минерала сфалерита ZnS (цинковой обманки), она оченьсходна со структурой алмаза (рис.1.8). Атомы одного элемента занимают узлыгранецентрированной кубической ячейки, а атомы второго – центры четырех(из восьми) малых кубов.
Пустые октанты чередуются с заселенными во всех 3х координатных направлениях (сфалерит – пьезо– и пироэлектрик). На рис.1.13показан структурный тип перовскита СaТiO3, более сложного трехэлементногосоединения. Перовскит – минерал подкласса сложных окислов кристаллизуетсяв ромбической сингонии. Многие химические соединения со структуройперовскита – ферримагнетики (см. раздел 3), сегнетоэлектрики (см. раздел 5),сверхпроводники (см. раздел 4). Начало координат обычно выбирается вцентре тяжести атомов Ti, которые занимают все вершины элементарного куба,в центре расположен атом Са. Атомы кислорода распределяются по серединам всехребер, создавая вокруг атома Са координационный многогранник в форме кубооктаэдра.Около 25 элементов могут образовать более чем одну кристаллическую структуру.
Отмечался полиморфизм углерода, олова. Fe при нормальной температуреимеет объемно–центрированную структуру (α–Fe), а при температуре выше 9100С– гранецентрированную (γ–Fe). Огромно количество полиморфных модификацийв мире химических соединений. Важно подчеркнуть, что эти модификации резкоотличаются по свойствам и их смена под воздействием температур, давлений идругих изменений внешних условий, может привести к разрушению конструкции,вследствие изменения плотности и коэффициента линейного расширения(“оловянная чума” паяных соединений, трещины при закалке и т.п).
При переходе24Рис.1.11. 14 решеток Бравэ:а)триклинная;моноклинные:б)примитивная;в)базоцентрированная;ромбические:г)примитивная;д)базоцентрированная;е)гранецентрированная;ж)объемноцентрированная; тетрагональные: з) примитивная; и)объемноцентрированная; к) гексагональная; л) тригональная;кубические: м) прмитивная; н) гранецентрированная; о)объемноцентрированная. На рисунке отмечены углы, которыеотличаются от 90 градусовРис. 1.12. Структурный типсфалерита ZnSРис. 1.13. Структурный типперовскита CaTiO325кристаллического углерода из алмаза в графит, плотность уменьшается с 3,5 до2,2, а твердость с 10 до 1.Основной особенностью монокристаллов является анизотропия – зависимостьсвойств от направления.
Это объяснимо, поскольку плотность заполненияатомами различных направлений в монокристалле неодинакова. Следствием этогоявляется анизотропия упругих, тепловых, оптических, пьезо– и других свойств.Например, из кристалла пьезокварца вырезают пластины (срезы) с самымиразными свойствами – разными пьезомодулями, добротностью, частотойколебаний, температурным коэффициентом. Некоторые срезы имеют дажеспециальные названия: “срез Кюри”, Х–срез...
При выращивании, монокристаллобязательно ориентируется, а после выращивания методами структурного анализаопределяется и фиксируется (например, зашлифовкой площадок) фактическоерасположение кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле свысокой точностью (до нескольких угловых минут). При указании в техническойдокументации свойств образца обязательно указывается направление, в которомэти свойства проявляются. Для обозначения плоскостей и направленийиспользуются индексы Миллера (рис.1.14). Например, необходимо зафиксироватьплоскость, пересекающую оси Х, У, Z в точках А, В, С.
Обозначим расстояния отначала координат ОА, ОВ, ОС, измеренные в единицах периода решетки через Н,К и L, а обратные им величины через Н1, К1, L1. Наименьшие целые числа с темиже отношениями, что и между Н1, К1, L1 (h, k, l) называется индексами Миллера.Пусть Н, К, L равны 1, 4 и 2 соответственно. Числами Н1, К1, L1 будут 1, ¼ и ½, аиндексы Миллера данной плоскости будут (412). Индексы пишутся в круглыхскобках. В кубическом кристалле индекс (100) относится к плоскости,параллельной осям У и Z; индекс (010) – к плоскости, параллельной осям Х и Z, а(001) – к плоскости, параллельной осям Х и У. В прямоугольных кристаллах(кубических, тетрагональных, орторомбических) эти плоскости перпендикулярныосям Х, У, Z соответственно.
В гексагональной сингонии удобно применятьсистему координат с 4-мя осями. Начало координат берется в центрешестигранника основания, а 3 оси располагаются в плоскости основания подуглом 1200 друг к другу. 4-ая ось – перпендикулярна к этой плоскости.Для обозначения направлений в кристалле применяются индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компоненты векторанаправления. Обозначения пишутся в квадратных скобках.
В кубическихкристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами.Положительное направление оси Х обозначают [100], а отрицательное [–100], осиУ – [010], диагональ куба [111] и т.д. (рис.1.14). Одним из наиболее яркихпримеров анизотропии является спайность, т.е. способность кристаллараскалываться по сингулярным (однонаправленным) граням. Так кремнийобладает спайностью по граням (111).Однако идеальное строение кристаллической решетки реальных материаловвесьма относительно. При изучении полупроводниковых соединений типа АIIBYIустановлено, что даже кратковременный отжиг в парах одного из компонентов(например, сульфида Cd в парах серы) приводит к скачкообразному изменению26Рис.1.14.Примерыобозначениякристаллографических плоскостей и направленийв кубических кристаллах с помощью индексовМиллераРис.
1.15. Структуры реальных кристаллов:а) идеальный кристалл; б) структура Шоттки, атомы переползают из глубинкристалла на поверхность, оставляя внутри незанятые узлы; в) структураФренкеля, атомы смещаются из узлов в междуузилия; г) структуразамещения, атомы примеси проникают в кристалл и размещаются в узлах; д)структура внедрения примеси в междоузлия; е) сплав АБ с бездефектнойструктурой; ж) сложная структура взаимозамещения А на Б и Б на А; з)структура вычитания, некоторые узлы остаются вакантными27(на 10 порядков) удельного сопротивления. Модель идеального кристалла немогла объяснить этого факта, как не могла объяснить явлений диффузии, некоторых магнитных свойств кристаллов. Практика показала, что абсолютнымявляются различные отклонения от геометрически правильного строения –структурные дефекты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
