Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 6
Текст из файла (страница 6)
1.12), что и обусловливает апизотропию поликристаллов. В направлении 11001 расположены четыре атома, в направлении 11101 — шесть, в направлении 11111 — семь атомов. Поэтому оптические свойства, скорость диффузии и т. д. различны в разных направлениях. 11 001 11101 Рис. 1.12 29 1.1. Общие сведения о строении вещества Основные понятия зонной теории В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов.
В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия — зто 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.
В результате вместо дискретных уровней изолированного атома образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных энергетических уровней, плотность которых возрастает по мере удаления от краев зоны по параболическому закону, достигая максимума в середине зоны. Механизм образования энергетических зон схематически показан на рис. 1.13. По мере сближения атомов (уменьшения расстояний) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем по мере сближения атомов — более низкие. гр вО Рис. 1.13 При сближении атомов на расстояние а, образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. 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. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными электронами, частично заполненными и свободными. Все зависит от структуры электронных оболочек изолированных атомов и межатомных расстояний в кристалле.
Внутренние оболочки изолированных атомов полностью заполнены электронами, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную Глава 1. Эле физические свойства радиомате ивлов электронами, называют валентиой зоной, а ближайшую к ней незаполненную электронами — зоной нраводимсстпи. Взаимное положение этих зон зависит от структуры оболочек изолированных атомов и определяет большинство процессов в твердом теле.
Рассмотрим некоторые характерные примеры образования энергетических зон. На рис. 1.14 показана схема образования энергетических зон у лития, изолированные атомы которого имеют структуру оболочек 1з'2з'. В этом случае зона 2з оказывается запояиенной наполовину, поэтому при незначительном внешнем энергетическом воздействии электроны легко переходят на более высокие энергетические уровни, что и обусловливает хорошую электропроводность лития. Схожую структуру имеют кристаллы натрия, в которых частично заполненной оказывается зона Зз, и калия, где частично заполнена зона 4з.
а0 х Рис. 1.14 Атомы бериллия имеют структуру оболочек 1з'2з'. В кристалле бернллия зона 2з перекрывается с зоной 2р, в результате чего создается смешанная (гибридная) зона (рис. 1.15), в которой нижняя половина занята электронами, а верхняя свободна. ао Рис. 1.1$ 1,1. Общие сведения о строении вещества В кристаллах магния перекрываются зоны Зз и Зр, в кристаллах кальция — зоны 4з и 4р. Подобные кристаллы также обладают хорошей электропроводностью. Перекрытие энергетических зон имеет место у меди и других металлов. В изолированном атоме меди структура оболочек имеет вид 1з'2з'2р'Зз'Зр'3<Р4з', то есть все уровни вплоть до 36 включительно заняты электронами, а на уровне 4з, способном вместить два электрона, находится только один. В кристалле меди (рис.
1.16) атомы располагаются на расстоянии а„и зоны ЗЙ, 4з и 4р перекрываются. В результате образуется объединенная зона, в которой лишь нижняя часть заполнена электронами. Поэтому медь обладает хорошей электропроводностью. аа рис. 1.1В Аналогичными свойствами обладают серебро, у которого частично заполнен уровень 5з, и золото, у которого частично заполнен уровень 6з. Схема образования энергетических зон углерода показана на рис. 1.17. В уединенном атоме углерода структура электронных оболочек имеет вид 1з'2з'2р', и четыре валентных электрона располагаются по два на уровнях 2з и 2р. По мере сближения атомов сначала образуются две обособленных зоны: зона 2з, способная вместить по 2 электрона на атом, полностью заполнена электронами, а зона 2р, способная вместить по 6 электронов на атом, заполнена частично.
При сближении атомов на расстояние х„что соответствует кристаллической решетке графита, образуется одна объединенная зона (покэзанная на рисунке справа), которая способна вместить 6 электронов на атом и заполнена наполовину. В этой зоне электроны могут переходить из нижней половины в верхнюю, обусловливая хорошую элекгропроводимость графита. Если сблизить атомы на расстояние меньше х,, то произойдет расщепление объединенной зоны на две, каждая с вместимостью по четыре электрона на атом.
В результате четыре валентных электрона оказываются в нижней зоне, полностью заполнив ее, а верхняя зона становится свободной. В кристаллической решетке алмаза атомы расположены на расстоянии а, друг от друга, и энергетическая диаграмма алмаза принимает вид, показанный на рисунке слева.
Ширина запрещенной зоны в этом случае равна 5,3 эВ; переход электронов из валентной эоны в зону проводимости невозможен, поэтому алмаз является диэлектриком. Картина, аналогичная диаграмме алмаза, характерна для кремния и германия; в кремнии ширина запрещенной зоны составляет 1,12 эВ, в германии — 0,72 эВ. Глава 1. Электрофизические свойства радиоматериалов При внешних энергетических воздействиях (нагреве, облучении) электроны способны преодолеть сравнительно узкую запрещенную зону. Поэтому кремний и германий являются полупроводниками. Зона промзднмоотн Еь Свободина уровня Запрещенная зона Занятье уровни Ез Вапентная зона х Графит Алмаз хо Рис.
1.17 Ма ззз Рис. 1.18 Оксид меди Сп,О содержит атомы меди со структурой электронных оболочек 1з'2зз2рзЗззЗрзЗсрз4з' и атомы кислорода со структурой оболочек 1У2зз2р', В моле- Все вышеизложенное относилось к простым веществам. Построение энергетических диаграмм химических соединений осуществляется аналогичным образом. Покажем это на конкретных примерах.
"Хлористый натрий г1аС1 состоит из атомов натрия со структурой оболочек 1з'2з'2р'Зз' и атомов хлора со структурой оболочек 1з'2з'2р'Зз'Зр'. При образовании молекулы г1аС1 происходит расщепление внешних электронных оболочек и образуются зоны Зз и Зр, причем зона Зз располагается выше зоны Зр (рис.
1.18), В зоне Зр содержится только пять электронов на атом, поэтому электрон с уровня Зз атома натрия переходит на свободный уровень в зоне Зр. В результате зона Зр оказывается полностью заполненной, а зона Зз — свободной, поэтому получается энергетическая диаграмма, характерная для диэлектриков с шириной запрещенной зоны около 7 эВ. 1.2. Элект офизические свойства проводниковык материалов куле оксида меди в кислородной зоне 2р с вместимостью 6 электронов на атом содержится только четыре электрона, поэтому на свободные уровни этой зоны переходят два электрона с уровня 4з атомов меди. В результате образуется диаграмма, в которой зоны Зд и 2р полностью заняты электронами, а зона 4з свободна (рис.
1.19). Между зонами Зс1 и 4з располагается запрешенная зона шириной около 1,8 эВ, что характерно для полупроводников. 0 Со20 Со 4э' Злы Рис. т.те Из всего вышеизложенного следует, что 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 запрешенной зоной. В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более высокие энергетические уровни, что обусловливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышаюшего ширину запрешенной зоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
