По их структурным свойствам

ПОЛУПРОВОДНИКИ и их использование

В полиграфическОЙ ТЕХНИКЕ

Классификация твердых тел

по их структурным свойствам

Твердые тела отличается от других его состояний (газообразного и жидкого) постоянством формы и объема и делятся на тела кристаллические и аморфные. (В физике часто под твердым телом понимают именно кристаллические тела.)

Для кристаллов характерна высокая упорядоченность частиц вещества (атомов, ионов, молекул). Кристаллы состоят из рядов этих частиц, периодически повторяющихся в пространстве и образующих так называемую кристаллическую решетку. В такой упорядоченной системе частиц природа находит баланс между силами притяжения и отталкивания частиц, образующих тело.

Для каждого вещества геометрические свойства кристаллической решётки индивидуальны, но есть сходства между кристаллами различных веществ. Эти общие свойства кристаллических решёток служат основой классификации кристаллов.

Идеальный кристалл твердого тела можно получить путем бесконечного периодического повторения в пространстве определенной группы атомов или молекул данного вещества – элементарной ячейки. Каждая из таких элементарных ячеек может быть отнесена к одной из сингоний (по форме элементарной ячейки) или кристаллических систем (в зависимости от набора элементов симметрии кристалла).

Рис. 1. Примеры элементарной ячейки

Идеальный кристалл - это абстрактная модель кристаллического тела, решетка которого не имеет нарушений периодичности. Однако идеальных кристаллов не существует. Порядок в решётках имеет различные нарушения. Это так называемые дефекты кристаллов. Дефекты кристаллической решетки многообразны. В первую очередь нужно понимать, что каждый кристалл имеет ограниченную протяженность, то есть кристаллическая решётка имеет границы. Граница кристалла, его поверхность – это один из типов несовершенств.

К дефектам кристаллов относят также нарушение чередования атомов в кристаллической решетке, вакансии или «лишние» атомы. Типичным дефектом кристалла являются «чужие» атомы – атомы примесей.

Именно дефекты кристаллической решетки обусловливают многие замечательные свойства реальных кристаллов – механические, оптические, электрические и др.

Если кристаллическая решетка распространяется на весь объем данного твердого тела, то есть, если атомные ряды пронизывают тело от одной его границы до другой, то такое тело является монокристаллом. Монокристаллы – это одиночные однородные кристаллы, обладающие непрерывной кристаллической решеткой, и это часто влияет на их внешнюю форму, в котором можно заметить естественную кристаллическую огранку плоскими участками поверхности.

Рис. 2. Примеры естественной огранки монокристаллов алмазов

Для монокристаллов характерна анизотропия (неодинаковость их свойств в разных направлениях).

Чаще же в пределах единого твердого тела имеется множество хаотически ориентированных монокристаллических областей, то такое твердое тело является поликристаллом. Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру. Монокристаллические области поли­кристалла называют кристаллитами (кристаллическими зернами).

Рис. 3. Микрофотография среза поликристалла полупроводникового кремния

Кристаллы могут иметь естественное происхождение или быть искусственно выращенными с помощью различных технологий кристаллизации (из раствора, из расплава, из газовой среды и др.).

Рис. 4. Пример искусственного монокристалла (полупроводниковое вещество антимонид индия). Справа виден исходный небольшой кристалл-затравка, который дал рост массивному монокристаллу. Искусственные кристаллы промышленного производства часто выращивают, вращая кристалл для подавления естественной огранки и придания кристаллу цилиндрической формы.

Наконец, рассматривая классификацию кристаллов, необходимо рассмотреть такие их подвиды, как массивные кристаллы и тонкие пленки (моно- и поликристаллические слои), а также многослойные кристаллические структуры.

Рис. 5. Микрофотография среза многослойной пленки кремния

Рис. 6. Микрофотография поликристаллической пленки карбида кремния

В технике давно начали использовать кристаллические вещества в виде тонких плёнок. Пример тому – традиционные никелевые, хромовые и оксидные покрытия на различных изделиях.

В современной полупроводниковой технике тонкие плёнки применяются чрезвычайно широко. По технологическим соображениям это оказывается более удобно, чем использование массивных кристаллов. При этом пленки наносят на различные основы (подложки). Пленки могут быть монокристаллическими, поликристаллическими или аморфными.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул. Они напоминают жидкость, только загустевшую до механической прочности. При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах – подобны очень вязким жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, смола, янтарь, канифоль, парафин и др.

Аморфные тела изотропны – их свойства одинаковы в разных направлениях.

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит, и температуры кристаллизации. При нагревании они постепенно размягчаются.

Одно и то же твердое вещество может встречаться в разных видах: в монокристаллическом, поликристаллическом, и в форме аморфного тела.