Материаловедение

Кафедра микроэлектроники

2008 г.

Федерации
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»
Факультет электроники
Кафедра микроэлектроники
тема 1

О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА Классификация материалов электронной техники

на функциональные и конструкционные. Под функциональными МЭТ следует понимать материалы,

которые обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронной аппаратуры.

В качестве примеров функциональных МЭТ можно назвать резистивные, конденсаторные и электроизоляционные материалы, высокопроводящие и сверхпроводящие вещества, материалы для хранения и записи информации, материалы с нелинейными электрическими свойствами, материалы для активных элементов полупроводниковой электроники, таких как диоды, транзисторы, лазеры, фотодетекторы и др.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для из-готовления корпусов и деталей различных приборов и устройств элек-тронной техники.

К ним предъявляются прежде всего жесткие эксплуатационные, технологические и экономические требования.

подразделять на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Объективным критерием, по которому

определяют принадлежность материала к той или иной группе, является удельное электрическое сопротивление ρ в нормальных условиях эксплуатации.

удельное электрическое сопротивление ρ=1/γ,
где γ=enμ; μ=(e2nλ)/(2mu);
е [A·c], n [м-3], μ [м2/(В·с)], λ [м], m [кг], u [м/с]

γ [См/м], ρ [Ом∙м]

К проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом∙м, к диэлектрикам – материалы, у которых
ρ > 108 Ом∙м.

Удельное сопротивление полупроводников может изменяться в очень широких пределах – от 10−5 до 108 Ом∙м.

По поведению в магнитном поле функциональные МЭТ классифицируют на слабомагнитные и сильномагнитные вещества.

водорода Э. Резерфорда (пунктиром показана разрешенная орбита электрона в возбужденном состоянии);




где

е и m – заряд и масса электрона, соответственно; Ze – заряд ядра; v – скорость движения электрона по орбите; ε0 – электрическая постоянная (ε0 = 8,85· 10-12 Ф/м).

б – квантовомеханическая модель электронной структуры двух уединенных атомов водорода; в – то же, для молекулы водорода.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Строение атомов

модели атома водорода:
1 – ядро;
2 – электронная орбита;
3 –

разрешенный энергетический уровень электрона

Полная энергия электрона Э в атоме складывается из кинетической энергии движения по орбите ЭК и потенциальной энергии ЭП, обусловленной полем протонов:

Характерная особенность потенциальной кривой ЭП (r) заключается в сильном увеличении ее крутизны по мере уменьшения r.

При движении электрона в поле центральных сил полная и кинетическая энергия одинаковы по величине, но противоположны по знаку, причем каждая из них равна половине потенциальной энергии.

соответствии с постулатом Бора стабильны только такие круговые орбиты, для

которых момент количества движения оказывается кратным постоянной Планка ћ = h/( 2π ):
mvr = n ћ ,
где n – главное квантовое число
( n = 1, 2, 3, ... ).

Энергетические уровни и радиусы стационарных орбит,
которые может иметь электрон в атоме:

где h = 6,62·10 -34 Дж · с.

Энергия электронов в атомах должна быть квантованной, т.е.
электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни

мере возрастания главного квантового числа n увеличивается плотность расположения уровней

на энергетической шкале. Соответственно, уменьшается дискретность энергии и поведение электрона приближается к классическому.
Значение n = ∞ определяет границу между сплошными и дискретными состояниями.

Переход электрона в область состояний со сплошным энергетическим спектром означает его отрыв от атома с некоторой кинетической энергией, т.е. ионизацию атома.
Энергия ионизации определяется глубиной залегания основного состояния относительно сплошного спектра. Для атома водорода Э1 = – 13,6 эВ.
Этому состоянию соответствует радиус электронной орбиты r = a0 = 0,53·10-10 м, который в физике принято называть боровским радиусом.
Постулат Бора: в атоме разрешенными являются лишь те электронные орбиты,
на длине которых укладывается целое число длин волн де Бройля λ = h/( mv).

уровней, затем заполняются более высокие, а верхние уровни остаются свободными

и соответствуют возбужденному состоянию атома.
В квантовой теории атома каждое электронное состояние описывается набором четырех квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет энергию электрона. Совокупность электронов, обладающих одинаковым значением главного квантового числа, называют электронной оболочкой.
Состояниям с квантовыми числами n = 1, 2, 3, 4, 5, ... присвоены буквенные обозначения K, L, M, N, O, P, Q.
В свою очередь, оболочки подразделяют на под-оболочки, отличающиеся значением азимутального квантового числа l. Последнее определяет орбитальный (вращательный) момент количества движения электрона MLв соответствии с формулой

Строение атомов

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

l = (n – 1) = 0, 1, 2, 3, ... .

Спектроскопические обозначения электронных состояний в атоме:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f и т.д.
первая цифра всегда указывает главное квантовое число n.