Физикалық материалтануға кіріспе


Мазмұны
Алғы сөз ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
КІРІСПЕ «ФИЗИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУҒА КІРІСПЕ» КУРСЫНЫҢ МІНДЕТТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 5
1 . ТАРАУ. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРЛІҢ, ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ МЕТАЛДАРДЫҢ НЕГІЗГІ ФИЗИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ ... ... ... ... ... .. ... ... 7
§ 1. Жалпы жағдайы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
§ 2. Электрлік қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 9
§ 3. Оптикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 28
§ 4. Акустикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
§ 5. Магниттік қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35
§ 6. Жылулық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 43
§ 7. Механикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 48
2 . ТАРАУ. ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСТАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 53
§ 1. Атомдардың құрылымы және химиялық байланыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...53
§ 2. Химиялық байланыстардың түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 57
§ 3. Химиялық байланыс пен атомдық және иондық радиустар ... ... ... ... ... ... 64
§ 4. Металдар мен жартылай өткізгіштердегі химиялық байланыстардың ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 66
3 . ТАРАУ. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ, ДИЭЛЕКТРИКТІК ЖӘНЕ МЕТАЛДЫҚ ЖҮЙЕЛЕРДЕГІ ФАЗАЛЫҚ ТЕПЕ.ТЕҢДІК ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 79
§ 1. Фазалық тепе.теңдік термодинамикасының негізгі мәселелері ... ... ... ... .. 79
§ 2. Фазалық тепе.теңдік. Фазалар ережесі. Гиббс заңы ... ... ... ... ... ... ... ... 84
§ 3. Фазалық тепе.теңдік диаграммасын тұрғызу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... 87
§ 4. Компоненттерінің еруі шектелмеген қос жүйенің Т . Х фазалық тепе.теңдік диаграммалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 92
§ 5. Термодинамикалық потенциалдың өзгеруі туралы мәліметтері бойынша шексіз еритін диаграмма тұрғызу және анализі. Таралу коэффициенті ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..98
§ 6. Компонеттерінің еруі шектелген қос жүйенің Т . Х фазалық тепе.теңдіқ диаграммалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 109
§ 7. Қос жартылай өткізгіштік және диэлектриктік фазалар ... ... ... ... ... ... .. 122
§ 8. Тепе.теңдік күйден ауытқу. Кристаллизация және термиялық өңдеу шарттарын таңдауда фазалық тепе.теңдік диаграммасының рөлі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 126
§ 9. Р . Т және Р . Т . Х фазалық тепе.теңдік диаграммалары ... ... ... ... ... 132
БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ МЕН ТАПСЫРМАЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... 139
ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 142
ҚОСЫМШАЛАР. КЕЙБІР ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ЖҮЙЕЛЕРДІҢ ФАЗАЛЫҚ ДИАГРАММАЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 143
Адамзат өркениетінің үрдісі әртүрлі материалдарды жасап шығару, алу және оларды қолдану прогрестерімен байланысты. Жаңа материалдар еңбектің тиімділігін арттырады. Бүгінгі күні ой еңбегінің тиімділігін арттыратын, есептеуіш техникада ақпараттарды сақтау және беру, өндірісті автоматтандыру прогрестерін қамтамасыз ететін, пайдалы әсер коэффициенті жоғары энергиялардың әр түрге айналдыратын тиімді материалдар мен құрылғылар ерекше мәнге ие.
1. Глазов В.М., Павлова Л.М. Химическая термодинамика и фазовые превращения. М.: Металлургия, 1981, – 336 с.
2. Товстюк К.Д. Полупроводниковое материаловедение. – Киев, Наукова думка. 1984 – 264 с.
3. Физическое материаловедение под ред. Кана Р. Т 1-3. М. Мир 1967-1968 г
4. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. – М., МИССиС, 2003. – 480 с.
5. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела. Изд-во Московского университета. 1988. – 231 с.
6. Лившиц Б.Г., Краношин В.С., Лиснецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.Металлургия, 1980, – 320 с.
7. Харрисон У. Электронная структура и свойства твердых тел. Т. 1,2 М. Мир, 1983 т.1. – 379, т.2. – 332 с.
8. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургиздат, 1963, – 676 с.
9. Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.:Высш.шк., 2002.
10. В.С.Чередниченко Материаловедение, Москва, Омега-Л. 2006
11. Кабанова Т.А. Электрофизические свойства твердых диэлектрических материалов. – М.: МИЭМ, 1999. – 40 с.
12. Горбачев В.В., Синицина Л.С., Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1982, – 434 с.
13. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.Наука, 1978, – 791с.
14. Левин А.А. Введение в квантовую химию твердого тела. М., Химия, 1974, – 237 с.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Көлемі: 141 бет
Бұл жұмыстың бағасы: 1300 теңге




ӘЛЬ-ФАРАБИ атындағы ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

Исмайлова Г.А., Приходько О.Ю., Ташкеева Г.Қ.

ФИЗИКАЛЫҚ
МАТЕРИАЛТАНУҒА КІРІСПЕ
(шығарылуымен)
Оқу құралы

Алматы
Қазақ университеті
2014
Баспаға әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті физика техникалық факультетінің Ғылыми кеңесі және Редакциялық - баспа кеңесі шешімімен ұсынылған

Пікір жазғандар:
физика -математика ғылымдарының докторы, проф. Г.Ш. Яр-Мухамедова
физика -математика ғылымдарының докторы, проф. С.Е. Кумеков
физика -математика ғылымдарының канд., м.а. доцент Ф.Б. Белисарова

Физикалықматериалтануға кіріспе: оқу құралы Исмайлова Г.А., Приходько О.Ю., Ташкеева Г.Қ.
- Алматы: Қазақ университеті, 2014. -

Исмайлова Г.А., Приходько О.Ю., Ташкеева Г.Қ.
Физикалық материалтануға кіріспе Бұл оқулық тепе-тең және тепе-тең емес жағдайлардағы материалдар фазаларының заңдылықтары мен пайда болуын, берілген қасиеттері бар материалдар жасау жолдарына олардың қасиеттерінің тәуелділіктерін оқытуға арналған. Сондай-ақ бұл кітапта металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектритердің негізгі физикалық қасиеттері, материалдардың химиялық байланыстарының ерекшеліктері қарастырылған.

Мазмұны
Алғы сөз ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
КІРІСПЕ ФИЗИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУҒА КІРІСПЕ КУРСЫНЫҢ МІНДЕТТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5
1 - ТАРАУ. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРЛІҢ, ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ МЕТАЛДАРДЫҢ НЕГІЗГІ ФИЗИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ ... ... ... ... ... .. ... ... 7
§ 1. Жалпы жағдайы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 7
§ 2. Электрлік қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 9
§ 3. Оптикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 28
§ 4. Акустикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
§ 5. Магниттік қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35
§ 6. Жылулық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 43
§ 7. Механикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48
2 - ТАРАУ. ХИМИЯЛЫҚ БАЙЛАНЫСТАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 53
§ 1. Атомдардың құрылымы және химиялық байланыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 53
§ 2. Химиялық байланыстардың түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .57
§ 3. Химиялық байланыс пен атомдық және иондық радиустар ... ... ... ... ... ... 64
§ 4. Металдар мен жартылай өткізгіштердегі химиялық байланыстардың ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 66
3 - ТАРАУ. Жартылай өткізгіш, диэлектриктік және металдық жүйелердегі фазалық тепе-теңдік ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 79
§ 1. Фазалық тепе-теңдік термодинамикасының негізгі мәселелері ... ... ... ... .. 79
§ 2. Фазалық тепе-теңдік. Фазалар ережесі. Гиббс заңы ... ... ... ... ... ... ... ... . 84
§ 3. Фазалық тепе-теңдік диаграммасын тұрғызу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... 87
§ 4. Компоненттерінің еруі шектелмеген қос жүйенің Т - Х фазалық тепе-теңдік диаграммалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 92
§ 5. Термодинамикалық потенциалдың өзгеруі туралы мәліметтері бойынша шексіз еритін диаграмма тұрғызу және анализі. Таралу коэффициенті ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 98
§ 6. Компонеттерінің еруі шектелген қос жүйенің Т - Х фазалық тепе-теңдіқ диаграммалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 109
§ 7. Қос жартылай өткізгіштік және диэлектриктік фазалар ... ... ... ... ... ... .. 122
§ 8. Тепе-теңдік күйден ауытқу. Кристаллизация және термиялық өңдеу шарттарын таңдауда фазалық тепе-теңдік диаграммасының рөлі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 126
§ 9. Р - Т және Р - Т - Х фазалық тепе-теңдік диаграммалары ... ... ... ... ... 132
БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ МЕН ТАПСЫРМАЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... 139
ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 142
ҚОСЫМШАЛАР. КЕЙБІР ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ЖҮЙЕЛЕРДІҢ ФАЗАЛЫҚ ДИАГРАММАЛАРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 143
АЛҒЫ СӨЗ

Адамзат өркениетінің үрдісі әртүрлі материалдарды жасап шығару, алу және оларды қолдану прогрестерімен байланысты. Жаңа материалдар еңбектің тиімділігін арттырады. Бүгінгі күні ой еңбегінің тиімділігін арттыратын, есептеуіш техникада ақпараттарды сақтау және беру, өндірісті автоматтандыру прогрестерін қамтамасыз ететін, пайдалы әсер коэффициенті жоғары энергиялардың әр түрге айналдыратын тиімді материалдар мен құрылғылар ерекше мәнге ие.
Физикалық материалтану - тепе-тең және тепе-тең емес жағдайларда материалдардың фазаларының (металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің және т.б.) заңдылықтары мен пайда болуының атомдық механизмдерін, бұл материалдардың көлемдік және бетттік қасиеттерінің химиялық байланыс сипаттамаларына, химиялық және фазалық құрамға тәуелділігін, құрылымдық жетіспеушілік, берілген қасиеттері бар материалдар жасау жолдарын және химиялық құрамды соңғы жолдармен басқаруды, материалдардың фазалық және құрылымдық күйлерін оқытатын ғылыми пән.
Курстың мақсаты тепе-тең және тепе-тең емес жағдайларда материалдардың (металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің және т.б.) фазаларының заңдылықтары мен пайда болу механизмдерін, олардың қасиеттерінің химиялық байланыс сипаттамаларына, химиялық және фазалық құрамдарға тәуелділігін және берілген қасиеттері бар материалдарды жасау жолдарын оқыту болып табылады.
Тепе-тең және оған жақын жағдайлардағы қоспаның фазалық құрамы туралы, фазалық ауысудың бастапқы және соңғы нүктелері туралы маңызды ақпараттарды күй диаграммасынан алуға болады.
Екі және үш жүйелердің құрам-қасиет диаграммасымен сәйкестіктегі күй диаграммалары белгілі қасиеттері бар қоспаларды легирлеу және жасап шығару теорияларының негізі болып табылады.
Материалтану және жаңа материалдар технология аумағында жұмыс жасайтын мамандар үшін күй диаграммалары - бұл жаңа материалдарды іздеу және бар материалдарды жақсарту болып табылады. Металлургтер үшін күй диаграммалары өңдеу және металдарды алу және біріктіру және оларды қоспалардан тазартудың металлургиялық процестерін жетілдірудегі база болып табылады.

КІРІСПЕ. ФИЗИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУҒА КІРІСПЕ КУРСЫНЫҢ МІНДЕТТЕРІ

Берілген қасиеттері бар материалдарды жасап шығаруда оның қасиеттері қандай факторларға және қалай, қандай шамада тәуелді, қалай және қандай шамада басқаруға болатыны туралы толық түсініктер қажет.
Материалдардың қасиеттері көптеген қасиеттерге тәуелді және көбінесе химиялық байланыстар сипаттамалары, материалдардың фазалық күйлері, түрлері, қоспаның концентрациясы мен сипатталарымен анықталынады. Материалдардың қасиеттеріне өте күшті әсер ететін атомдық құрылымның ақаулары, олардың өзара және қоспа арсындағы байланыстар.
Қатты денелердегі, әсіресе металдардағы құбылыстар мен қасиеттерді түсіндірудің екі жолы бар:
макроскопиялық немесе феноменологиялық;
микроскопиялық немесе аномистикалық.
Макроскопиялық түсіндіруде қатты дене оның ішкі құрылысының детализациялануынсыз біртегіс орта ретінде қарастырып, түсіндіреді. Материалдардың кедергісімен және басқа ғылымдармен жақындауға негізделінген.
Микроскопиялық жақындауда қатты денелердің қасиетін баяндау және суреттеу оны құрайтын бөлшектердің, яғни атомдық деңгейіндегі, өзара әсерлесулерінің заңдылықтарына негізделінген. Бұл жақындауда құрылым-қасиет тізбегі жүзеге асырылады. Микроскопиялық жақындау бүгінде қатты денелердегі құбылыстар мен қасиеттерді бақылаудың интерпретациясындағы жалғыз салмақты ғылыми жақындау болып табылады.
Жалпы жағдайда, белгіленген қасиеттері бойынша материалдарды жасап шығаруда келесі логикалық жүйелілікті (реттілікті) орындауды қамтамасыз ету керек:
Технология -- атомдық құрылым -- (энергетикалық спектр) -- физика-химиялық қасиеттер -- технология.
Материалтанудағы зерттеу объектісі табиғатта кездеспейтін, яғни монокристалдары жоғары дәрежеде тазаланған жартылай өткізгіштердің, яғни өңделген материалдар болып табылады.
Физикалық материалтанудың теоритикалық негіздеріне мыналар қатысты:
Менделеевтің периодтық заңдылығы;
Термодинамика заңдары;
Химиялық байланыстар теориясы;
Қатты денелердің аумақтық теориялары;
- Атомдардың орналасуындағы жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің құрылымданудағы жақын реттіліктің орналасу рөлі (ең алғаш А.Ф.Иоффемен құрылымдалған).
Материалтану ХІХ ғасырдың ортасында пайда болды. Материалтанудың негізін қалаған, жетекші ғалымдар бұл - Аносов (1797-1831жж) және Чернов (1839-1921жж). Жартылай өткізгіштер материалтануы академик А.Ф.Иоффенің басқаруымен ХХ ғасырдың 30-40 жылдары құрылымданды.
20 жылдары АҚШ-та сигнетик тұздардың сегнетоэлектрлік қасиеттері ашылған болатын.
1944 жылы КСРО академигі Вул барий титанатының (BaTi) сегнетоэлектрлік қасиеттерін ашты.
1948-49 жж. АҚШ-та Бардин, Шокли және Брайтейн - алғашқы транзисторды жасап шығарды.
40 жж.. басында АҚШ-та алғашқы атомдық реактор шығарылған.
1950 ж - Тилл және Литл приборлық тазалықта алғашқы монокристалл алған болатын.
1958 ж. - АҚШ және КСРО дислокациясыз кремнийдің алуын мерекелеген болатын.
1958-60 жж.. - жаңа матриалдардың құрылымдануын талап еткен космостық техниканың дамуы.
1960 жж.. - КСРО-да - Галлий арсениді (GaAs) негізіндегі алғашқы қатты денелі лазерлік генератор жасалды(Басов, Наследов, Рывкин).
1950 жж.. - КСРО-да - халькогенидті шынытәріздес жартылай өткізгіштердің ашылуы ХШЖ (Коломиец, Горюнова).
1975 жж.. - АҚШ-та алғаш рет аморфты кремниймен (а-Si) және кейінірек аморфты гидрогенизирленген кремний (а-Si:Н) қабыршақтары алынды (Спир, Ле Комбер).
1960-1970 жж.. - гетероқұрылымды технологиялы және теориялар құрылды (Ж.И.Алферов).
1970 жж.. - АЖИМ - аса жоғары интегралдық микрожүйелер жасалынуы.
1980 жж.. - жоғары торлардың ашылуы (суперрешетка).
1990 жж.. - кванттық нүктелер мен кванттық шұңқырлардың лазерлердің құрылуына бастапқыда қызмет еткен, қатты денелердегі квантты-өлшемді эффектілердің ашылуы.
Қазіргі уақытта жаңа материалдарды зерттеу интенсивті түрде жүргізілуде және жаңа технологиялар мен кұралдар өңделіп жасалуда: композиттер, полимерлер, аморфты металдар; ұнтақты металллургия, радиациялы технология, жоғары температуралы асқын өткізгіштік; конструкциялы материалдар; фуллерендер, нанотүтікшелер, наноөткізгіштер; наноматериалдардағы құрылғыларды қайта жасау.
1.1-суретте ғылымдағы материалтанудың жалпы құрылымдық жағдайы көрсетілген.

1.1-сурет. - Ғылымдағы материалтанудың жалпы құрылымдық жағдайы

Физикалық материалтануға кіріспе курсында негізгі мәселе болып материалдардың қасиеттері және құрылымы, құрамы арасындағы тәуелділіктерді қарастыру, материалдардың әртүрлілігі және олардың қолдану аймағын, қасиеттерді құрылымдау тұрғысынан білімді жетілдіру, термиялық, химиялық-термиялық және басқа да біріктіру әдістері мен өңдеуді оқып үйрету.

1-ТАРАУ. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ, ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ МЕТАЛдардың НЕГІЗГІ ФИЗИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ

§ 1. Жалпы жағдайы

Металл, диэлектрик және жартылай өткізгіштердің негізгі физикалық қасиеттері материалдардың қасиеттерінен құрам мен алу технологиясының әсер ету заңдылықтарын жеңілдетіп түсіндіру үшін мақсатты түрде қарастырылады.
Практикалық қызығушылығы көп материалдардың қасиеті, сондықтан жартылай өткізгішті электротехникада қолданылатын неғұрлым маңызды материалдар үшін қасиеттерді қарастырамыз. Бұл қасиеттер тобын келесі үлгілермен классификациялауға болады.

1.1-кесте. - Жартылай өткізгіштердің, диэлектриктердің және металдардың негізгі физикалық қасиеттері

Қасиеттер класы
Аталған қасиет класындағы негізгі құбылыстар мен процестер
1. Электрлік қасиеттер
Заряд тасымалдаушылар қозғалысы мен олардың өзара және ортамен әсерлесуі
2. Электрооптикалық қасиеттер
Оптикалық сәулелердің генерациясы мен тіркеуі (қармалуы), орта мен түрлі өрістермен өзара әсерлері, электрлік және оптикалық дабылдарды өзара түрлендіруі
3.Электроакустикалық қасиеттер
Акустикалық тербелістердің генерациясы мен тіркелуі (қармалуы), электромагнитті энергияның серпімді толқынға түрленуі
4. Магниттік қасиеттер
Магнетизм түрлерінің пайда болуы. Магнитті моменттердің электрондармен, қозғалатын электрлік зарядтармен және ортамен өзара әсерлесулері.
5. Жылулық қасиеттер
Атомдар тербілісі (фонондар қозғалысы), олардың бір-бірімен және ортамен әсерлесулері
6. Механикалық қасиеттер
Серпімді және пластикалық деформация

Жалпы жағдайда материалдар қасиеттері 3 сипаттамаға тәуелді:
1.Химиялық байланыстар табиғатына;
2.Химиялық құрам және фазалық күйге;
3.Атомдық құрылымдардың туынды дәрежесіне.
Құрылымдық ақаулардың қасиеттеріне эффективті әсері бойынша қасиеттерін былай топтауға болады:
а) құрылымдық - сезімтал емес қасиет - табиғатымен және химиялық байланыс беріктігімен анықталынатын құрылымдық дефектілерге практикалық түрде тәуелсіз немесе аз мөлшерде тәуелді;
б) құрылымдық сезімтал қасиет - құрылымдық ақаулардың әсерінен, олардың түрлері және концентрациясы әсерінен айтарлықтай өзгеріске ұшырайды. Бұл қасиеттер бөлшектер немесе квазибөлшектердің - атомдар, электрондар, фонондар, дәннің шегі, магнитті және электрлік домендер және т.б. орын ауыстыруымен күшті өзгеріп отырады.

§ 2. Электрлік қасиеттер

Барлық дерлік материалдар белгілі бір дәрежеде электр тогын өткізеді, яғни электрөткізгіштікке ие. Осы тұрғысынан материалдар өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер болып бөлінеді.
Физикада металдар немесе бейметалдар болып бөлінуі материалдардың электрлік кедергісінің тәртібімен анықталынады: металдарда ол электрондық бұлттардың құрылымдалуымен және Т 0 К, 0 кезінде анықталынады. Ол бейметалдарда, яғни жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде Т 0 К, кезінде анықталынады.
Электрфизикалық қасиеттері бойынша (меншікті электрлік кедергісі )
негізгі үлкен 3 топқа бөлінуі мүмкін:
металдар: ρ = (10-6 - 10-4) ом*см,
жартылай өткізгіштер: ρ = (10-4 - 1010) ом*см,
диэлектриктер: ρ 1010 ом*см.
Бұл интервалдар шартты, әртүрлі факторлардың әсер ету салдарынан ρ мәнінің шекті мәні жабылып қалуы мүмкін. Жартылай өткізгіштердің меншікті электрөткізгіштігі металдар мен диэлектриктердің σ арасындағы аралық болып табылады.
Материалдардың электр тогын өткізу қабілеттілігі мен мүмкіндігі негізгі жағдайда: химиялық байланыс түрімен, тыйым салынған аумақтң енімен, еркін заряд тасымалдаушылардың түрлерінен, концентрациясы және қозғалғыштығымен қамсыздандырылған.
Электрлік қасиеттерін сипаттайтын негізгі параметрлер болып мыналар табылады: меншікті электр өткізгіштік γ (Ом-1*м-1); меншікті электр кедергісі ρ (Ом*м); меншікті электр кедергісінің температуралық коэффициенті αρ (К-1).
Меншікті электр өткізгіштігі γ ток тығыздығы ј (Ам2) осы токты тудыратын электрлік өрістің кернеулігін Е (Вм) байланыстырады, ол мына тәуелділікпен беріледі:

ј = γЕ (1.1)

(Ом заңының дифференциалдық формасы).
Меншікті электр кедергі- меншікті электрлік өткізгіштікке кері шама болып табылады:
(1.2)

мұндағы γ-меншікті электр өткізгіштігі, [γ] = [Смм], (См - Сименс).
Ток тығыздығы ј токты тасымалдаушы зарядқа е, оның санына n және өрістің кернеулігіне мына қатынаспен байланысты:

j = еnμЕ (1.3)
мұндағы μ-заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы, өріс бойымен бағытталған зарядталған бөлшектердің 1Всм кезіндегі дрейфтік жылдамдығына сандық тұрғыдан тең болады, [Е]= [1 Всм]), [μ] - [см2 (В*с)]. Заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы химиялық байланыстардың түрінен тәуелді және әртүрлі заттар үшін мына шектерде құбылып отырады: 10-нан 105 [см2 (В*с)].
Электр өткізгіштің құрылымдық сезімталдылығы заряд тасымалдаушылар қозғалғыштығына құрылымдық шексіз мүмкіндіктің әсерінен туындайды. Материалдардағы заряд тасымалдаушылардың әртүлі тектерінің бар болуынан (электрон, кемтік, ион) электр өткізгіштік мына формуламен анықталынады:

γ = Σ eniui (1.4)

бұдан шығатыны, берілген материал түрінің заряд тасымалдаушылардың электр өткізгіштігі олардың концентрацияларының электр өткізгіштігі олардың концентрациясы мен қозғалғыштығына тәуелді болып табылады.
Заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы мынаған тең:

u== (1.5)

мұндағы m* - тасымалдаушылардың эффективті массасы; l - еркін жүру жолының ұзындығы; v - заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығының жылулық жылдамдығы; τ - еркін жүру жолының немесе релаксация уақыты.

Онда (1.6)

яғни электр өткізгіштік заряд тасымалдаушылар концентрациясына, олардың қозғалғыштығына, еркін жүру жолына тура пропорционал болса, эффективті массасына кері пропорционал болады. Электронның еркін жүру жолының ұзындығы 10-6 lсм 10-5 және одан аз аймақтар шегінде табылады, атомдардың жылулық тербелуінің немесе атомдардың бей-берекет қозғалуларының әсерінен туындаған, матрицалықтан ерекшеленген (статикалық бұрмаланумен) атомдық радиуспен басқа текті атомдардың араласуынан туындаған кристалдық, иондық сүйеуіштері өрісінің периодтық потенциалдары барынша күшті.
Бөлме температурасында азғындалмаған жартылай өткізгіштердегі электрондардың жылулық температурасы 10смс-тең, ал металдарда, яғни электрондық газ азғындалған заттарда, жылдамдық шамамен ретке жоғары болады. Бұл жерден еркін электрондардың толқын ұзындығы де Бройль тәуелділігінен шығады:
(1.7)

Жартылай өткізгіштерде шамамен алғанда 7*10-7 см, ал металдарда бір ретке аз болып, 5*10-8 см құрайды, яғни атомаралық қашықтықтағы сияқты реттіліктің мәні болып табылады. Бұдан шығатыны, электрондардың нүктелік дефекттер шашырауы металдарда, ұзартылған ақауларда (дислокацияда, аралық шегара мен дәндердің шегінде) - жартылай өткізгіштердегі өте күшті бейнеленген болуы керек.
Физикалық табиғатына сәйкес заряд тасымалдаушыларды электр өткізгіштік түріне қарай негізгі екі түрге ажыратады: электрондық және иондық.
Электрондардың электр өткізгіштігі таза электронды (металдарда), таза кемтікті және аралас, яғни электр өткізгіштік электрондар сияқты рөл атқарғанда, сондай-ақ кемтікті (жартылай өткізгіштер) иондық өткізгіштік катионды, анионды және аралас болуы мүмкін.
Электронды электр өткізгіштігі қасиетке металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер ие болады.
Диэлектриктерде электронды электр өткізгіштік тек өте жоғары кернеуліктер (ойылуға жақын) кезінде ғана байқалады.
Ионды электр өткізгішті сұйық электролиттер және ионды кристалдардан (сілтілі-галоидты және т.б.) байқауға болады. Иондық электр өткізгіштің айтарлықтай маңызды ерекшелігі оның заттардың тасымалдануы арқылы өтуінен болып табылады.
Электр өткізгіштік температурадан, қысымнан, сәулелендіруден, қоспа қосудан тәуелді болып келеді. Жартылай өткізгіштердің әртүрлі әсер етулердің түрінен ұшқыр тәуелділігі оларда датчик сапасында кең көлемде қолданылуында жатыр.
Жартылай өткізгіштерде температураның жоғарлауымен және басқа да әсер ету түрлерінің әсерінен заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығына металдардікіне әсер еткендей әсер етеді, бірақ сонымен қатар осы кезде тасымалдаушылар концентрациялары артады, тыйым салынған аумақтың ені және басқа да сипаттамалары өзгеруі мүмкін. Бұл өзгерістер жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісін заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығының өзгерісіне қарағанда күштірек әсер етеді. Сондықтан жартылай өткізгіштердегі меншікті кедергінің температураға тәуелділігі айтарлықтай күрделі сипатқа ие.
Меншікті кедергіге ρ деформацияның әсері материал табиғатына, деформация түріне - серпімді немесе пластикалық, тәуелді. Пластикалық деформация кезінде ρ меншікті кедергіге түр, концентрация және құрылымдық ерекшеліктердің таралу сипаттамасы әсер етеді. Серпімді деформация әсер еткендегі жартылай өткізгіштердің ρ өзгерісі - механикалық кернеуліктер датчиктерде қолданатын тензорезистивті эффектіні қамтамасыз етеді. Пластикалық деформация және сәулелендіру заряд тасымалдаушылардың концентрациясын ұлғайтып, сонымен қатар қозғалғыштықты төмендетеді, көбінде бірінші эффектке болады да, ρ төмендейді.
Тұрақты көлденең қимасы S, кедергіге R және ұзындыққа l ие заттар үшін ρ төмендегі формула бойынша анықталынады:

(1.8)

Электр өткізгіштік теориясымен келісе отырып, γ келесі фомуламен өрнектелген болар еді:
(1.9)

мұндағы q және m - сәйкесінше заряд тасымалдаушылардың заряды мен массасы (өткізгіштердегі электронның, жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің, диэлектриктердегі иондардың); және λ - заряд тасымалдаушылардың еркін жүру жолының жылдамдғы мен ұзындығы; n - заряд концентрациясы, яғни көлем бірлігіндегі оның мөлшері.
Меншікті электр өткізгіштіктің өзгерісі, сәйкесінше, меншікті электр кедергісінің өзгерісі реалды материалдарда концентрация мен заряд тасымалдаушылардың еркін жүру жолдарының өзгерісімен байланысты.
Электр өрсінің әсеріне заряд тасымалдаушылар үдеуге ие болады, ал олардың жылдамдығы өріс кернеулігіне пропорционал болады:

(1.11)
осыдан
γ =qnu (1.12)

Электр өткізгіштіктің өлшемі кристалдық тордың мүлтіксіздігі - құрылымдық ақаулармен фонондардағы тасымалдаушылардың шашырауына күшті тәуелді. Шашыраудың нәтижесінде заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы, жылдамдығы, еркін жүру ұзындығы азаяды. Оңашаланған атомның электрондары қатаң анықталынған энергияның дискретті мәндеріне ие болады. Қатты денелердегі атомдардың жақындауы әсерлесуінен атом деңгейлерінің энергетикалық аумақтардағы олардың бірігуі өтеді (1.2-сурет).

Е Өткізгіштік аумағы Ес

Тыйым салынған
аумақ

Валенттік аумақ

1.2-сурет. - Қатты денелердегі энергетикалық аумақтар

Заряд тасымалдаушылар қатысуы мүмкін болатын энергетикалық аумақтар рұқсат етілген аумақ деп аталынады. Заряд тасымалдаушылар қатыса алмайтын энергия бойынша деңгейлер - тыйым салынған аумақ деп аталынады. n атомдардан тұратын қатты дененің құрылуы кезінде атомдардың дискретті деңгейлері рұқсат етілген энергия аумақтарына тармақталады және олар өзара аумақтар аралық тыйым салынған энергия аумақтарына бөлінеді.
Атомның дискретті дейгелеріндегі электрондардың максимальді мәні мынаған тең:

Деңгейлер
s
p
d
f
Электрондар саны
2
6
10
14

Металдарда энергия бойынша ең жоғары аумағында энергетикалық күйі бойынша рұқсат етілген, толықтырылмаған бөлігінен ажыратып тұрады.
Валентттік электрондар деңгейінің тармақталуы n бойынша түзілетін энергетикалық аумақ валенттік аумақ деп аталынады. Осыдан кейінгі энергия бойынша рұқсат етілген аумақ - өткізгіштік аумақ Ес деп аталынады. Осы екі аумақтың арасында тыйым салынған аумағы Еg орналасқан. Егер электрон тыйым салынған аумақ енінен үлкен энергияға ие болса, ол валентті аумақтан өткізгіштік аумағына өтеді және электр өткізгіштікке қатыса алады. Қатты дененің аумақтық теория бойынша металдардың бейметалдардан айырмашылығы жоғары (ең соңғы) энергетикалық аумақтың толтырылуымен сипатталады. Металдардың ең маңызды ерекшелігі олардағы электрондардан құралған ең жоғарғы энергетикалық аумақ (өткізгіштік аумағы) бос деңгейлерге ие болу болып табылады. Диэлектриктер мен жартылай өткізгіштерде төменгі температуралар кезінде (0К-ге жақын) толығымен электрондармен толтырылған жоғары энергетикалық аумақ (валенттік аумақ) келесі - бос рұқсат етілген аумақпен (өткізгіштік аумақ) тыйым салынған аймақ Еg тыйым салынған аумақпен бөлінеді (ажыратылады), мұнда электрондардың энергетикалық деңгейлері болмайды. Аумақтық теория көзқарасынан жартылай өткізгіштер мен диэлектриктер арасында айырмашылық шартты: диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердегі валенттік аумақ пен өткізгіштік аумақты бөліп тұратын Еg мәні мынаған тең:

Еg(пп) = = 2 эВ,
(1.13)
Еg(диэл.) = = 2 эВ

Сондай-ақ саңылаусыз жартылай өткізгіштер де бар, оларда Еg =0, мысалы HgTe және HgSe.
Жартылай өткізгіштердегі валенттік электрондармен құрылған зонаны валенттік аумақ деп атайды (ол 0К кезінде толығымен толтырылған). Валенттік аумақ төбесін деп белгілейді. Т=0К кезіндегі тыйым салынған аумақтан кейінгі бос аумақ өткізгіштік аумақ деп аталады. Өткізгіштік аумақ түбін деп белгілейді (ең төменгі энергия).
Аумақтық модель бойынша диэлектриктер мен жартылай өткізгіштерде айырмашылық болмайды. Практикалық түрде көптеген жартылай өткізгіштердің ең төменгі температураларда (0К-ге жақын) өздерін диэлектриктер секілді көрсетеді, ал көптеген диэлектриктер жоғары температуралар кезінде жартылай өткізгіштер болып келеді.
Аумақтық теорияға сәйкес қатты денелердегі өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер деп бөледі.
Өткізгіштер - валенттік аумақ пен өткізгіштік аумақтар бір бірін жауып кететін немесе бірігіп кететін материалдар. Сондықтан, металдардағы электрондар еркін, яғни электр өрісі кернеулігінің аз мәнін берген кезде де олар валенттік аумақтан өткізгіштік аумаққа өте алады. Металдардағы атомдар бір бірімен металдық байланыстар бойынша байланысқан. және аумақтардың бірігіп кетуінен валенттік электрондар жоғарғы қозғалғыштыққа ие болады және металдың кристалдық торларында оңай қозғалады (ауыса алады).
Металдарда электр өткізгіштіктің электрондық түрі бақыланады. Осылайша үдетілген өріспен электрондар тек зарядтарды тасымалдайды. Материалдардағыдай электр өткізгіштіктің иондық түріне массалар тасымалы өтпейді.
ρ мәнінің диапазоны металдық өткізгіштіктің үш реттілікті алады: Fe - Cr - Al жүйесіндегі 1,58*10-18 Ом*м-ден күмісте 1,6*10-8 Ом*м дейінгі құймада.
Жартылай өткізгіштер электрлік қасиеті бойынша өткізгіштік және диэлектрик арасындағы аралық күйді алады: олардың меншікті электр кедергісі 10-6-109 Ом*м, тыйым салынған аумақ ені 0,05-тен 2,5-3 эВ дейінгі мәнді құрайды. Жартылай өткізгіштердегі атомдар ковалентті полярлы емес және полярлы түрде де, ионды байланыспен байланысуы мүмкін, электр өткізгіштік түрі - электронды-кемтікті.
Диэлектрдікіндей жартылай өткізгіштер кедергісінің теріс температуралық коэффициентке (КТК) αρ ие, яғни температураның артуымен жартылай өткізгіштердегі ρ кемиді, ал металдардікі артады.
Жартылай өткізгіштердің негізгі ерекшелігі меншікті электр кедергісінің жылулыққа қана емес, басқа да сыртқы әсерлерге (электрмагниттік өріске, сәулененуге және т.б.) сезімталдығының жоғарлығы. Бұл жартылай өткізгіштердің кристалдық торындағы атомдар арасындағы химиялық байланыстар түрімен, сондай-ақ басқа ақаулар мен қоспалардың болуымен шартталған, тіпті болмашы концентрация еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясына, сәйкесінше материалдың электрлік қасиеттеріне елеулі түрде әсер етеді.
Өндірісте электр өткізгіштің электронды және кемтікті түрлері бар жартылай өткізгіштер қолданылады.
Диэлектриктерде тыйым салынған аумақ ені 3 эВ-тан артады, меншікті электр кедергісі 109 - 1016 Ом*м. Жартылай өткізгіштердегідей диэлектриктерде байланыс түрі ковалентті. Қатты диэлектриктердің электр өткізгіштігінің ерекшелігі көп жағдайда оның иондық сипаты болып тбылады. Еg kT болғандықтан, электрондардың өте аз мөлшері жылулық энергия әсерінен өзінің атомдарынан бөлінуі мүмкін, олардың электр өткізгіштікте қорын елемеуге де болады. Ионды электр өткізгіштік қоспа иондары секілді, сол диэлектриктердің иондарының жылжуына шартталған.
Өткізгіштің электрондық түрін елеуге болады, егер де өткізгіштік аумағының түбіне және валенттік аумақ төбесіне жуық тыйым салынған аумақта донорлық және акцепторлық деңгейлердің сәйкесінше үлкен сандары пайда болады. Мұндай деңгейлердің пайда болуы кристалдық торда қоспа мен ақаулардың болуымен байланысты.
Бос электрондардың болуына негізделінген электронды электр өткізгіштік күшті электр өрісінде пайда болады және изоляция бұзылуына алып келеді.
Техникада металл және оның құймаларының қолданылуының маңыздылығының бірі өткізгіштер ретінде қолдану болып табылады. Олар екі топқа бөлінеді:
* Жоғары өткізгіштік металдар мен құймалары
* Жоғары кедергілікті металдар мен құймалары.
Жоғары өткізгішті металдар мен құймалар өткізгіштіктерді, желілерді, электр сымдарын, контактілерді, трансформаторларының орамдарын жасауда, интегралдық схемаларда ток жүргізетін элементтер жасауда және т.б. қолданылады. Жоғары өткізгіштікке таза металдар - Ag, Au, Cu, Al және олардың құймалары, кейбір болаттар, бейметалдар ие. Оларға қойылатын негізгі талаптар - аз меншікті электр кедергісі және электр кедергісінің аз температуралық коэффициенті.
Кедергісі жоғары металдар мен құймалары резистер, реостат, электр қыздырғыштық қондырғылар және т.б. жасауда қолданылады. Оларға мыс құймалары (константан, манганин, никелин) және Fe -- Ni -- Cr, Fe -- Cr -- Al жүйелерінің құймалары жатады. Оларға қойылатын негізгі талаптар: жоғары ρ, аз және мыстық жұптағы аз термоЭҚК. Одан басқа электр қыздырғыш қондырғылардың құймалары жылуға төзімді болуы керек.
Жоғарыда аталған талаптардан басқа өткізгіш және резистивті материалдар жоғары механикалық беріктікке, коррозиялық төзімділікке және технологиялыққа, яғни қысыммен, дәнекерленеумен, пайкамен және басқа да өңдеудің түрімен өңдеуге қарсы тұру қабілеттілікке ие болуы керек.
Реалды өткізгіштерде γ және ρ шамаларының өзгеруі бірінші кезекте еркін жол ұзындығының λ өзгеруімен байланысты.
Металдардың меншікті электр кедергісі электрондық бұлтшаларды жабатын, валенттік бұлтшалардың толықпауына тәуелді.
Электр кедергісі өте жоғары - периодтық жүйедегі ІВ топшасы (Ag, Cu, Au) мен ІІІВ топшадағы (Al) элементтер. Бұл дегеніміз электрондар толықпаған s-бұлтшадан электронды газға оңай өтеді. ІА - топшасының элементтері осындай ішкі s-бұлтшаға ие бола тұра кристалдық тордың параметрлері қатынасы мен иондар диаметрін анықтайтын өткізгіштің электрондарының концентрациясының (n) аз болуы себебінен электр өткізгіштігі төмен.
Ауыспалы металдарда ауыспалы емес металдарға қарағанда ρ айтарлықтай жоғары. Ауыспалы металдарда s-бұлтшадан төмен жатқан толықпаған d - және f - бұлтшалармен s-бұлтшасының жабылуы өтеді. Электр өрісін қосқан кезде d - және f - бұлтшаларда s-электрондардың шашырауы, олардың концентрацияларының өткізгіштік аумақта азаюы өтеді.
Таза металдардың меншікті кедергісі бірінші кезекте олардың табиғатын, яғни өткізгіштік электрондар концентрациясын анықтайды. Ол темпратураға тәуелді емес, реалды бақыланатын ρ өзгерісі температуралық түрленуі кезінде электрондардың еркін жүру ұзындығы мен электронның қозғалғыштығының өзгеруімен байланысты.
Электронды толқынның идеалды (ақаусыз) тордан өтуі кезінде шашырайды. Кристалдық тор ақаулары λ азаюына, сәйкесінше ρ өсуіне алып келетін электрондардың шашырауына алып келеді.
Шашыраушы электрондардың жетілмегендігін екі топқа бөлуге болады:
материалдың меншікті кедергісінің температуралық кедергісінің температуралық құраушысын (ρТ) анықтайтын энергетикалық ақаулар (тор атомдары мен иондарының жылулық тербелістері);
материалдың меншікті кедергісінің құрылымдық немесе қалдықтық (ρқалд) құраушыларын анықтайтын кристалдық құрылысының ақаулары.
Осыған байланысты таза металдардың меншікті электр кедергісі келесі түрде жазылады:

ρ = ρт +ρқалд (1.14)

Кристалдық тордың периодтылығын бұзатын қоспалық және меншікті ақаулар электрондық толқындардың шашырауының орталығы болып табылады. Осы кезде еркін жүру жолының ұзындығы λ азаяды және меншікті электр кедергісі артады.
Кең диапазонда ρ температураға тәуелдлігі:

ρт = ρ0(1+αt+βt2+γt3+...) (1.15)

tΘд (Θд -- Дебай температурасы) кезіндегі температуралық аралықта ρ t-ға сызықты байланыста болады:

ρт= ρ0(1+αt) (1.16)

Немесе температураның абсолютті шкалаларын таңдағанда

ρт= ρ0αТ (1.17)

мұндағы ρ0 - санақ басы ретінде алынған температура кезіндегі меншікті электр кедергісі; Т - температура (К); α = αρ - меншікті кедергінің температуралық коэффициенті.
Дебай температурасы кванттық эффект пайда болатын және жоғары температуралар облысынан кванттық статистиканы қолдану қажет аумақтарды бөліп тұрады.
Дифференциалды түрде αр = (1ρ0) (dρdT).
Т=Тбал кезінде электр кедергі өткізгіштік электрондар концентрациясының лездік өзгеруі салдарынан секірмелі түрде артады.
0К жақын температура кезінде кейбір металдар мен құймалар асқын өткізгіш күйге өтеді, яғни олардың ρ мәні нөлге дейін тез төмендейді. Асқын өткізгіштік ауысу температурасы кезінде (Та) ρ 10-18Ом*м.
Асқын өткізгіштер теориясы электр өткізгіштік процесін жүзеге асыратын электрондар куперлік жұптармен байланысады, осы кезде электрондар мұндай жұптарда спиндері мен импульстері қарама-қарсы болуы тұжырымдамасына негізделінген. Электрондардың бұлай жұптасуы оң зарядталған иондардан тұратын орта өріс электрондар арасындағы кулондық күшті әлсіздендіреді. Барлық электронның жұптар қозғалысын тор түйіндерімен шашырамайтын, тек олардан ағатын бір электронды толқын ретінде қарастыруға болады. Т =0 кезінде өткізгіштің барлық электрондары байланысқан. Температураны арттыру және жылулық тербелісінің күшеюі жұп бөлшектерінің жарылысына алып келеді, ал Та кезінде жұптар бұзылады, асқын өткізгіштік жойылады және металл меншікті электр кедергісінің қорытқы мәнімен қалыпты жағдайға өтеді.
Таза металдан ерекшелік - құйманың негізгі затының торында басқа торында басқа элемент атомы орналасады немесе басқа фазалар түзіледі. Екі жағдайда да олар электрондық толқынның шашырау орталығын көрсетеді.
Құймалар мен таза металдар үшін келесі заңдылық:
ρ = ρт +ρост.

Құйманың түрлері үшін меншікті электр кедергісінің құйма түзетін компоненттер түзетін компонененттер концентрациясына тәуелділік әртүрлі.
Ерітілген компоненттің құйманың электрлік қасиетіне әсері негізгі компоненттің торының электрлік потенциалының периодтылығының бұзылуына негзіделінген. Бұл бұзылулар электрондардың шашырауына, еркін жүру жолының ұзындығының азаюына, сәйкесінше ρ өсуіне алып келеді.
ρ өзгеру дәрежесі негізгі және қоспалық компоненттердің табиғатына - олардың валенттілігі мен атомдық диаметріне тәуелді. Валенттілік пен атомдық диаметрінің айырмашылығы қаншалықты көп болса, ρ өсуі елеулі болады.
Егер А және В компоненттері - ауыспалы емес элементтер болмаса, А және В компоненттерінің шексіз қатты ерітінділері жағдайында ρқалд В компонентінің А компонентінде еріткені сияқты А компоненті В компонентінде еріткендей артады. Осы кезде ρ компонеттер концентрациясына тәуелділігі максимумды симметриялық қисықпен сипатталынады.
Құймадағы А және В компоненттерінің концентрациясына еркін жүру жолы ұзындығының тәуелділігі мына қатынаста өрнектеледі:

λ = β(сАсВ) = β(сА(1 - сА)) (1.18)

мұндағы β - берілген жүйе үшін тұрақты пропорционалдық коэффициенті; сА және сВ - негізгі және қоспалық компоненттердің сәйкес концентрациялары (ат.%).
Бұл өрнекті ρ = mT (e2nλ) фомуласына қойғанда алатынымыз:

ρ = mTсА(1 - сА) (e2nβ) (1.19)

Тұрақты көбейткіштерді жинақтап және mT(e2nβ)=D деп белгілесек

ρ = DсА(1 - сА) (1.20)

сА(1 - сА) функциясы - сА= (12) кезіндегі максимумды парабола, яғни құймадағы компоненттер қатынасының эквиатомдық қатынасы кезіндегі. Мұндай құймалар мысалы: Ag - Au, Cu - Au, W- Mo.
Құйманың меншікті электр кедергісінің температуралық коэффицинеті таза металдар үшін де мына формула бойынша анықталынады:

αp құй = (1 ρ0 құй) (d ρқұй dT ) (1.21)

Изометриялық шарттарда αp құй 1 ρ0 құй .
Егер қатты ерітіндінің бір компоненті - ауыспалы металл болса, онда концентрациялық тәуелділік параболалықтан ерекшеленеді. s - d немесе s - f - электрондар шашырауының салдарынан ауыспалы металда ρ максимумы аыспалы металдың өте жоғары концентрация жағына орын ауыстырады. Егер екі компонент те ауыспалы металл болса, онда тек максимум ғана емес, қисық жүруінің бірқалыпсыздығы бақыланатын болады.
Эвтектикалық құймалардың меншікті электр кедергісінің концентрациялық тәуелділігі сызықтық сипатқа ие, себебі эвтектика әрқайсысы меншікті электронды құрылысқа, кристалдық торға және өткізгіштің электрондар концентрациясына ие фазалардан тұрады. Эвтектиканың фазалары таза металдар, қатты ерітінділермен химиялық қосылыстар болуы мүмкін. Компоненттердің концентрациясының өзгеруі кезінде эвтектика фазаларының сандық қатынасы аддитивті өзгереді, бір шекті фазалардан басқаға аддитивті өзгереді және эвтектиканың меншікті электр кедергісі аддитивті өзгереді.
Ек фазалық эвтектиканың меншікті электр кедергісі ρэвт = ρ1 с1 + ρ2 с2 өрнегімен өрнектеледі, мұндағы ρ1, ρ2, с1, с2 - бірінші және екінші фазалардың сәйкес меншікті электр кедергісі мен концентрациялары.
Практикада эвтектиканың ρ мәні концентрациясының тәуелділігінің сызықтығының бұзылуы қоспа, дән шегаралары және басқа да ақаулардың болу салдарынан бақыланады. Эвтектиканың меншікті электр кедергісінің температуралық коэффициенті, αр сияқты (қатты ерітіндінің) ρ концентрациялық өзгеруінің кері пропорционалды түрде өзгереді.
Қатты ерітінділер мен эвтектикадан химиялық қосылысының айырмашылығы оның компоненттерінің түзушілерінен қасиеттері (кристалдық тордың басқа түрі, электронды құрылысы, заряд тасымалдаушылар концентрациясы, кейде химиялық байланыс түрінің басқа түрі және электр кедергісі) мен құрылымы бойынша кардиналды ерекшеленетін мүлдем жаңа зат болып табылады.
Вакуумдық әдіспен (мысалы, термиялық буландыру, ионды-плазмалық тозаңдаттыру) алынған металдық қабыршақтар микроэлектроникада элемент аралық қосылыс, контактілі аумақшалар, резистивті және магнитті элементтер, конденсаторларды қоршағыш ретінде қолданылады.
Жұқа қабыршақтың электрлік қасиеттері массивті күйде бастапқы материал қасиеттерінен елеулі түрде ерекшеленеді. Бұл мыналарға негізделінген:
-қабыршақ құрылымына. Тозаңдатылған металды қабыршақ құрылымының беткі қабатына конденсациялау кезінде аморфтан кристалдыққа дейін өзгеруі мүмкін.
-өлшемдік эффектілерге. Қабыршақта беткі қабаттық процестер көлемдік әсіресе қабыршақ қалыңдығы (h) негізгі заряд тасымалдағыштардың еркін жүру жолы ұзындығымен (λ) өлшемдес болса, қасиетіне, оның ішінде электрлік қасиетіне ие болады.
Қабыршақтың меншікті кедергісі ақаулардың жоғары концентрациясының салдарынан ρм мәнінен көп болады.
ρ өсуіне өлшемдік эффектілер де әсер етеді, яғни электрондардың еркін жүру жолының ұзындығына қабыршақтың беткі қабатының шашырауы салдарынан азаюы.
Жартылай өткізгіштердің электрлік қасиеттері
Маңызды қарапайым кремний және германий секілді жартылай өткізгіштер алмаз құрылымына ие, ал А2В6 немесе А3В5 (мысалы, CdS, SdTe, GaAs, GaP, InSb, InP, AlP, AlSb, ZnS) типтес көптеген жартылай өткізгіштердің кристалдары сфалерит түрінің құрылымына ие.
Жартылай өткізгіштердегі негізгі химиялық байланыс түрі - коваленттік. Типтік коваленттік байланыс (ковалентті полярсыз) көрші атомдардың валенттік электрондарының жиналуы нәтижесінде пайда болуы және әр атомы төрт валенттік электроннан тұратын периодтық жүйедегі IVB-топша элементтерінен (Si, Ge) бақыланады. Әр атом әрбір төрт көрші атомнан төрт электрон алып және соншалықты электрон беріп, осы кезде өзі электрлі нейтралды болып қалуы нәтижесінде байланыс түзіледі. Осы кезде атомдар арасында олардың әрқайсысында тұрақты сегіз электронды валенттік қабықшалар түзумен электрондар алмасуы өтеді.
Периодтық жүйедегі ІІІВ-(B, Al, Ga, In) және VB- (N, P, As, Sb) топша элементтерінен түзілетін, Si және Ge элементтеріне электронды түрде ұқсас А3В5 жартылай өткізгіштер қосылыстары алмазтәрізді болып келеді. ІІІ топ элементтерінің атомдары үш валенттік электроннан, ал V топ элементтері - 5 электроннан тұрады. Сол себепті бұл қосылыстағы бір атомға орташа түрде төрт валенттік электрон келеді. Мұндай байланыстағы электронды бұлтша электр теріс В атомына тартылған болса, онда толығымен ковалентті емес, жартылай иондық (мұндай байланыс ковалентті полярлы) байланыс болып табылады. А - оң зарядталған, В - теріс зарядталған.
Химиялық байланыстың өте күшті иондық құраушылар А2В6 қосылыстарына (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS және т.б.) тәуелді. Иондық байланыс бар жартылай өткізгіштер бар - олар қорғасын халькогенидтері (PbS, PbSe, PbTe).
Қосылыстың химиялық байланыстың сапалық сипатына олардың орташа атомдық нөмірі Zорт жатады.
А[3]В[5] және А[2]В[6] қарапайым қосылыстары үшін

Zср=(ZA+ZB)2 (1.22)

Zорт өсуімен қосылыстың бір класының шегінде коваленттіктен иондық байланысына өту тенденциясы өседі. Бұл байланыстың беріктігінің кемуіне алып келеді; тыйым салынған аумақ ені, балқу температурасы, меншікті электр кедергілері төмендейді.
Заряд тасымалдаушылар. Меншікті тасымалдаушылар. Атомдар арасында электрон алмасуы нәтижесінде коваленттік байланыс түзілуі кезінде электр кедергісі пайда болмайды, себебі электрондық тығыздық таралу тркелген (әрбір көрші атомдар жұптары арасындағы байланыста екі электрон бойынша). Сыртқы энергетикалық әсерлесу әсерінен (мысалы, жылыту, сәулелендіру) байланыстың біреуінде жарылыс болуы мүмкін, электрон кристалдарда бос болып одан үзіліп кетеді. Ол электрлік өрісі жоқ болғанда кристал бойынша хаосты қозғалады. Атом байланыстың біреуінде электрондық жоқ болуы кемтік деп аталады және кеткен электронның заряд мәні бойынша тән оң зарядтың болуын білдіреді. Кемтік электрон секілді көрші байланыстың электроны кеткен электрон орнын басқандай крситалл бойынша хаосты қозғалады.
Электр кедергісі меншікті заряд тасымалдаушылардың қозғалуына негізделінген жартылай өткізгіштер меншікті деп аталынады.
Электрон-кемтік жұптарының пайда болуы заряд тасымалдаушылар генерациясы деп аталады. Егер тыйым салынған аумақ енінен Еg энергиясы артса онда мұндай генерация болады; бұл жағдайда электрон валенттік аумақтан өткізгіштік аумаққа өтеді (яғни меншікті атомдық потенциалдық шұңқырынан кетеді); ал валенттік аумақта кемтік түзіледі. Сол себептен тыйым салынған аумақ ені коваленттік байланыстан электронды жұлып алуға жұмсалатын қажетті минималды энергияға сәйкес келеді. Егер электрон энергиясы Еg - ден аспайтын болса, онда экситон деп аталатын электрон-кемтік жұптарымен байланысқан электрлік бейтарап түзілуі мүмкін. Экситондар маңызды рөлге ие, мысалы сілтілік-галоидтық кристалдардағы бояу орталығының түзілуінде.
Идеалды кристалдарда электрондар мен кемтіктер концентрациялары тең және коваленттік байланыс бұзылу санының өсуімен артады.
Тыйым салынған аумақта қоспа мен құрылымдық дамушылықтың болуы салдарынан электрон энергиясына рұқсат етілген деңгейлер болуы мүмкін. Егер электрон валенттік аумақтан тыйым салынған аумақтағы рұқсат етілген вакансиялық деңгейге өтетін болса, онда қоспалық заряд тасымалдаушылар генерациясы өтеді.
Қоспалық тасымалдағыштар. Қоспалық заряд тасымалдаушылар көзіне электрлі активті қоспалық атомдар жатады. Орын ауыстыру немсе енгізудің қатты ерітіндінің жартылай өткізгіштігімен түзілетін және атомдардың валенттілігінен ерекшеленетін валенттілікке ие элементтер атомдары қоспалық тасымалдағыштар бола алады. Қоспалық атомдар бөлінеді:
* үлкен валентке ие, қалдықтық электрондарын беретін донорлар;
* аз валенттікке ие, негізгі заттың валенттік электрондарын ұстайтын акцепторлар.
Донорлар жартылай өткізгіштікте электронды өткізгішті (n-типті өткізгіштік), ал акцепторлар кемтіктік өткізгішті (p-типті өткізгіштік) құрайды. Жартылай өткізгіштер сәйкесінше (n-типтің) электронды және (p-типтің) кемтіктік деп аталады. Донорлы (Si, Ge) қарапайым жартылай өткізгіштеріне V тобының (P, As, Sb), ал акцепторлы жартылай өткізгіштерге - III топтың (B, Al, Ga, In) атомдарының қоспалары жатады. Донорлы және акцепторлы қоспалар легирлеуші деп аталады. Легирлеумен оның құрамына легирлеуші қоспаларды енгізу көмегімен өткізгіштің берілген түрімен жартылай өткізгіштертер алады. Мышьяк атомы бес валенттік электроннан, кремний атомы - төрт валенттік электронан тұрады, яғни мышьяктың бір электроны коваленттік байланыс түзуге қатыспайды. Бұл энергиясы бөлмелік ... жалғасы
Ұқсас жұмыстар
Нанотехнологияға кіріспе
Түркітануға кіріспе
Абайтануға кіріспе
Жасанды интеллект жүйесіне кіріспе
Спорттық метрологияға кіріспе
Жалпы экологияға кіріспе
Ерітінділер теориясы пәніне кіріспе
Модельдеуге кіріспе әдістемелік құрал
«Мамандыққа кіріспе» пәнінен дәрістер
Ботаникаға кіріспе. Жасуша теориясы
Пәндер

Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор №1 болып табылады.

Байланыс

Qazaqstan
Phone: 777 614 50 20
WhatsApp: 777 614 50 20
Email: info@stud.kz
Көмек / Помощь
Арайлым
Біз міндетті түрде жауап береміз!
Мы обязательно ответим!
Жіберу / Отправить

Рахмет!
Хабарлама жіберілді. / Сообщение отправлено.

Email: info@stud.kz

Phone: 777 614 50 20
Жабу / Закрыть

Көмек / Помощь