Строение и дефекты твердых тел (признак классификации)

Кристаллическая решетка – это присущее кристаллическому состоянию вещества регулярное расположение частиц (атомов, ионов, молекул) в трех измерениях, характеризующиеся периодической повторяемостью.

Русский ученый Е.С. Федоров рассчитал возможные расположения частиц в кристаллических решетках различных веществ. Он подразделил кристаллы на 32 класса симметрии, объединяющих 230 возможных пространственных групп. Кристаллы различаются по двойному лучепреломлению, по пьезоэлектрическим и пироэлектрическим свойствам, образованию адсорбционных центров, работе выхода электронов и т.д.

Причина образования каким-либо элементом или соединением данной пространственной решетки в основном зависит от размеров атома и электронной конфигурации его внешних оболочек.

В электрорадиотехнике широко применяются материалы как с упорядоченным, так и неупорядоченным строением.

К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического твердого поля кристаллической решетки: нарушение стехиометрического состава (наличие пустых узлов, собственных ионов в междоузлиях, посторонних атомов в узлах решетки), наличие посторонних примесей, дислокаций, трещин, пор и т.д.

Дефекты строения приводят к изменению свойств материалов. Различают макро- и микродефекты. Наличие макродефектов приводит как правило приводит к ухудшению свойств материала: снижению прочности, проводимости, температуры сгорания и т.д. Различают следующие виды макродефектов: трещины, пустоты, поры, примеси, неровность (шероховатость) поверхности. К наиболее известным полезным проявлениям дефектов структуры вещества относятся: оксидирование анодов электронных ламп; использование флюсов и присадок при пайке и сварке металлов.

Микродефекты могут существенно изменять свойства материалов. В частности, полупроводниковая техника основана на использовании именно дефектов строения материала. Изменение прочностных свойств сплавов также обусловлено влиянием примесей.

Классификация веществ по электрическим свойствам

Все вещества в зависимости от их электрических свойств делят на проводники, полупроводники или диэлектрики. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел. Согласно этой теории все атомы тел располагаются на определенных энергетических уровнях в так называемой зоне энергетических уровней. Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие, при этом он возбуждается.

По зонной теории строения вещества все тела, в зависимости от их электрических свойств, могут быть отнесены к группе диэлектриков, полупроводников и проводников. Энергетическая диаграмма зонной теории твердых тел наглядно показывает различие между ними. Если отсутствует электрическое поле, то нет наклона уровней энергетических зон: зоны проводимости 1, нормальной зоны 2 и широкий потенциальный барьер, что характерно для диэлектриков. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то чем выше напряженность поля, тем выше наклон уровней зон и уже потенциальный барьер рисунок 0.8, причем минимальна энергия электрона, когда он находится на нижнем уровне зоны проводимости или на верхнем уровне нормальной зоны.

Свободным электроном (способным возбудить нейтральную молекулу до акта ионизации) считают тот электрон, который в результате столкновений в электрическом поле достиг верхнего уровня зоны проводимости 1 или нижнего уровня нормальной зоны 3. Для полупроводников характерен узкий потенциальный барьер рисунок 0.9, а для проводников – нет потенциального барьера, поэтому электроны в металле свободны и могут переходить с уровня нормальной (заполненной) зоны на незанятые уровни зоны проводимости (свободной) под влиянием слабых напряженностей приложенного к проводнику электрического поля.

Энергетические диаграммы проводников, полупроводников и диэлектриков различны. Они показаны на рис. 1.1 (при нуле Кельвина).

а) б) в)

рис. 1.1

На рис. 1.1 изображены энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в). Цифрами на рисунке обозначены: 1-зона заполненная электронами, 2-запрещенная зона; 3-зона свободных энергетических уровней.

Проводниками называют материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т.е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

Полупроводниками называют материалы с узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена электронами только с помощью внешних энергетических воздействий.

Диэлектриками называют материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных случаях не наблюдается.