1.3 Общие свойства и отличительные особенности материалов электронной техники

Материалы электронной техники можно определить как материальные среды, позволяющие получать непосредственное преобразование энергии и информации. Например, пьезоэлектрик преобразует электрическую энергию в механическую и механическую энергию в электрическую. Пироэлектрик является теплоэлектрическим и, соответственно, электротепловым преобразователем энергии. Магнитная энергия в некоторых материалах также может быть обратимо преобразована в механическую и тепловую энергии.

Эти преобразовательные функции обусловлены физической структурой и химическим составом материалов. Таким образом, чтобы объяснить индуцированные в материале физические явления и эффекты (поляризацию, намагничивание, деформацию, теплоемкость, магнитострикцию и многие другие) при воздействии на материал электромагнитных, механических, тепловых полей и других воздействий следует знать молекулярно-атомную структуру материала.

Любые связи атомов, молекул или ионов осуществляются посредством электрического взаимодействия. На сравнительно большом расстоянии доминируют силы притяжения, а на малом расстоянии – резко возрастает отталкивание между частицами. Баланс между дальнодействующим притяжением и короткодействующим отталкиванием обусловливает основные свойства твердых веществ.

Отталкивание сблизившихся частиц обусловлено перекрытием их электронных оболочек. При этом важно отметить, что энергия отталкивания весьма быстро убывает с расстоянием между соседними атомами или ионами: . Это обстоятельство жестко препятствует сближению атомов и ионов при определенном расстоянии между ними.

Притяжение является более дальнодействующим: в ионных кристаллах энергия притяжения пропорциональна , в ковалентных кристаллах притяжение атомов убывает с расстоянием быстрее ( ), а в молекулярных кристаллах энергия притяжения изменяется с расстоянием весьма резко ( ), но не так резко, как энергия отталкивания.

В рамках макроскопической теории особенные электрические свойства диэлектриков (высокое удельное сопротивление и способность к поляризации), отличающие их от металлов, объясняется тем, что в металлах очень велика концентрация свободных электронов ( ), которая практически такая же, как и концентрация атомов. Напротив, в диэлектриках свободных электронов чрезвычайно мало (при комнатной температуре ), так что электроны не препятствуют проникновению в диэлектрик электрического поля, вызывающего поляризацию. В металлах, как известно, электрическое поле равно нулю.

С точки зрения микроскопической теории твердых тел различная концентрация свободных электронов в диэлектриках и металлах обусловлена разной природой их химических связей.

В то время как для большинства проводников характерна металлическая связь, основанная на общности валентных электронов в веществе, в диэлектриках возможны разные виды связей: ионная, ковалентная, молекулярная и вторичная (дисперсионная) связь, обусловленная связанными состояниями электронов (рисунок 1.2).

В результате электрическое поле, приложенное к диэлектрику извне, практически не приводит к переносу свободных электронов, но вызывает смещение связанных электронов – электрическую поляризацию. Важно отметить, что в индуцированной внешним электрическим полем поляризации участвуют практически все частицы, составляющие диэлектрик, и лишь очень немногие из заряженных частиц, оказавшись сравнительно свободными, переносят через диэлектрик электрические заряды и обусловливают его электропроводность. При воздействии на диэлектрик электрического, магнитного или механического полей, а также при изменении температуры или освещенности диэлектриков, в них происходят разнообразные физические явления. Большинство из этих явлений обусловлено электрической поляризацией и поэтому характерно только для диэлектриков. В тоже время некоторые из физических явлений, например, электропроводность, наблюдается также в полупроводниках и металлах. В связи с этим рассмотрение принципиальных различий между этими веществами представляется целесообразным.

Рисунок 1.2 – Зависимость энергии притяжения (1), энергии отталкивания (2) и результирующей энергии взаимодействия (3) от расстояния между частицами для частиц диэлектрических кристаллов различного типа: а – ионная связь, б – ковалентная связь, в – молекулярная связь, г – водородная связь.

Диэлектрики и металлы существенно отличаются друг от друга как по электрическим и оптическим, так и по тепловым и механическим свойствам. На рисунке 1.3 представлены зависимости электропроводности металлов и диэлектриков от температуры, которые отражают электрические свойства металлов, диэлектриков и полупроводников.

Эти зависимости противоположны - в то время как в диэлектриках величина растет с температурой по экспоненциальному закону (поскольку тепловое движение генерирует новые носители заряда) в металлах изменяется как ввиду рассеяния носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки.

Рисунок 1.3 – Зависимость от температуры электропроводности (См/м) металлов (м), диэлектриков (д) и полупроводников (п) в полулогарифмическом масштабе

Поэтому при низких температурах проводимость металлов резко возрастает, обращаясь в случае сверхпроводимости в бесконечность. В диэлектриках, напротив, при низких температурах величина стремится к нулю, так как в отсутствие теплового движения и радиационных воздействий свободные носители заряда не генерируются.

Электрическая поляризация, представляющая собой важнейшее явление для диэлектриков, в металлах не возникает из-за высокой концентрации свободных электронов, которые образуют почти свободный «электронный газ», окружающий положительно заряженные ионы. Наличие такого электронного газа приводит к экранированию электрического поля. Лишь при очень высоких частотах, значительно превышающих частоту видимого глазом света (около ), электронный газ в металлах не успевает взаимодействовать с электромагнитным полем, в результате чего становится возможной поляризация смещения глубинных электронных оболочек ионов относительно ядер. Эти процессы поляризации металлов, происходящие на частотах, больших, чем оптические, и определяют диэлектрическую проницаемость металлов.

В полупроводниках и диэлектриках при повышенной температуре поляризация и электропроводность проявляются одновременно. При этом электрический ток, обусловленный электропроводностью, изменяется синфазно с приложенным напряжением, а поляризация вызывает ток смещения, сдвинутый по фазе на угол относительно синусоидального электрического поля.

Сравнивая оптические свойства диэлектриков и металлов, следует отметить, что свободные электроны в металлах приводят к практически полному отражению электромагнитных волн от поверхности металлов, чем и объясняется их характерный блеск. Напротив, электромагнитные волны оптической частоты легко проникают в диэлектрики, причем большинство диэлектриков оптически прозрачны (окраска и непрозрачность некоторых из них объясняются наличием поглощающих свет примесей или рассеянием света на неоднородностях структуры).

Тепловые свойства диэлектриков и металлов отличаются, главным образом, величиной теплопроводности. Высокая теплопроводность металлов объясняется участием в переносе теплоты газа свободных электронов, в то время как в твердых диэлектриках теплота распространяется в основном за счет колебаний кристаллической решетки (фононов). По величине теплового расширения, а также по величине теплоемкости металлы и диэлектрики качественно не различаются (теплоемкость электронного газа металлов благодаря квантовым эффектам очень невелика по сравнению с вкладом в величину теплоемкости от колебаний кристаллической решетки).

По своим механическим свойствам кристаллические диэлектрики отличаются большей хрупкостью и твердостью, в то время как металлы более пластичны и упруги. Это также объясняется влиянием свободных электронов на свойства металлов, которые кристаллизуются в простые, плотно упакованные решетки, где преобладающей силой взаимодействия является металлическая связь (другие виды электрической связи между атомами экранизируются свободными электронами). В результате смещение атомов металла на соседние позиции не приводит к нарушению структуры, так что металлы пластично образуют проволоку или фольгу. Для диэлектриков, напротив, характерны сложные многоатомные структуры с различными по физической природе взаимодействиями структурных элементов. Поэтому, например, смещение иона из позиции Cl^-1 в узел решетки, занимаемой ионом Na⁺¹ в кристалле NaCl невозможен – скорее произойдет разрушение этого кристалла.

Таким образом, основные различия диэлектриков и металлов в рамках классической физики обусловлены наличием в металлах свободных электронов, а в диэлектриках – связанных электронов.

В квантово – механическом представлении различия свойств металлов и диэлектриков объясняются зонной теорией.

Структура энергетических зон электронов в кристаллических диэлектриках и металлах качественно различна. Известно, что при сближении атомов и образовании кристалла электронные уровни энергии атомов за счет их взаимодействия расщепляются, образуя зоны. Особенно сильное расщепление происходит в электрических уровнях внешних (валентных) электронов, так как валентные электроны сильнее взаимодействуют друг с другом, чем электроны глубинных оболочек атома. Вид электронных спектров кристаллов зависит от особенностей атомных волновых функций частиц и от степени перекрытия их при сближении атомов в процессе образования кристалла.

Для расчета энергетических спектров электронов обычно используется одноэлектронное приближение – предполагается, что каждый электрон движется в силовом поле ионов и всех электронов (за исключением рассматриваемого). Известно, что закон дисперсии (зависимость энергии электронов от их квазиимпульса p) различается для свободных электронов и электронов в кристаллической решетке. Для свободных электронов представляет собой простую параболическую функцию. Учет периодического потенциала кристаллической решетки усложняет эту зависимость, приводя к разрывам в параболической зависимости в области запрещенных энергий (рисунок 1.4).

в) г)

Рисунок 1.4 – Энергетические зоны диэлектрика (а), полупроводника (б), полуметалла (в) и металла (г).

В металлах различие в энергии между валентной зоной и зоной проводимости несущественно, вследствие чего электроны легко меняют энергию, переходя с уровня на уровень, и поэтому практически свободны. Электроны в металлах не локализованы – принадлежат всему кристаллу и не образуют пространственно-направленных связей между ионами.

В полупроводниках (главным образом – ковалентных кристаллах) валентные электроны образуют четко направленные орбитали, связывающие атомы, а энергия возбуждения (ширина энергетической щели ) превышает тепловую энергию . Но величина энергетической щели полупроводников меньше энергии видимого света .

В диэлектриках (главным образом – ионных и молекулярных кристаллах) валентные электроны локализованы в еще большей степени: не на связях между атомами (как в случае полупроводников), а вблизи отдельных анионов и молекул. Энергия связи электронов в диэлектриках намного превышает не только тепловую энергию , но и энергию видимого света . Поэтому вероятность возбуждения электронов мала. Кроме того, малая кривизна зон в диэлектрике в окрестности экстремумов означает большие эффективные массы носителей заряда, то есть приводит к низкой подвижности электронов в диэлектриках.

Диэлектрики и полупроводники качественно подобны – и диэлектрики и полупроводники имеют энергетическую щель в спектре состояний. Однако в полупроводниках энергетическая щель (запрещенная зона) гораздо меньше. Поэтому проводимость полупроводников заключена в широком интервале, разделяющем проводимость металлов и диэлектриков. Например, при температуре 300К для чистого кремния проводимость имеет величину , а для чистого германия . Таким образом, величина проводимости полупроводников в раз уступает проводимости металлов, но примерно в такой же степени превосходит проводимость диэлектриков.

С точки зрения зонной теории, полупроводники качественно отличаются от металлов наличием энергетической щели в электронном спектре, в то время как между полупроводниками и диэлектриками есть только количественное отличие. Считается, что при ширине энергетической щели кристаллическое вещество можно отнести к полупроводникам, а при больших значениях - к диэлектрикам.

Количественное различие в ширине запрещенной зоны и величине проводимости приводит к существенной разнице в оптических, магнитных и электрических свойствах диэлектриков и полупроводников. В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и характеризуются почти металлическим блеском. Причина заключается в том, что узкая энергетическая щель полупроводников позволяет световым квантам с энергией около 3 эВ возбуждать свободные электроны, которые и приводят (как в металлах) к отражению света. В диэлектриках такое отражение происходит в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра.

Ковалентные кристаллы полупроводников (типа кремния) в отличие от ионных кристаллов (диэлектриков) прозрачны в инфракрасной области спектра, так как энергия квантов этой частоты недостаточна для возбуждения свободных электронов. Поэтому и кремний, и германий на частотах используют как прозрачные материалы оптических элементов в инфракрасной технике. Следовательно, типичные полупроводники Ge и Si в инфракрасном диапазоне могут играть роль «почти идеальных» диэлектриков. В то же время обычно применяемые в оптике стекла и ионные кристаллы в инфракрасной области неприменимы, так как сильно (почти как металлы) отражают и поглощают электромагнитные волны. Причина заключается в том, что именно в инфракрасном диапазоне находятся собственные частоты колебаний кристаллической решетки, что приводит к сильному отражению и поглощению этих волн.

Таким образом, следует не разделять вещества на диэлектрики и полупроводники, а различать полупроводниковые и диэлектрические свойства кристаллов, обладающих энергетической щелью в спектре электронных состояний.

Электропроводность аморфных диэлектриков может быть обусловлена различными механизмами. В том случае, если уровень Ферми расположен вблизи валентной зоны или зоны проводимости, перенос заряда обусловлен обычным механизмом зонного типа. Если подавляющая часть электронов находится на локализованных состояниях в окрестностях уровня Ферми, а разрешенная зона удалена, то преобладающим является прыжковый механизм проводимости. Прыжковая проводимость происходит благодаря электронным переходам между локализованными состояниями и характеризуется малой подвижностью носителей.

Особенности электронной структуры приводят также к существенному различию механических свойств диэлектриков и металлов. Диэлектрики отличаются хрупкостью, поскольку при механическом воздействии составляющие их ионы и молекулы не могут замещать друг друга, что приводит к разрушению диэлектрика. В диэлектриках упругая деформация обычно не превышает . Напротив, металлы пластичны, поскольку «цементируемые газом свободных электронов» ионы металла приобретают способность к перемещению под воздействием механического напряжения, так что пластическая деформация металлов может быть очень большой. Полупроводники, в которых преобладают гомеополярные взаимодействия между атомами, по механическим свойствам близки к диэлектрикам.

Тепловые характеристики металлов и диэлектриков также резко отличны. В металлах теплопроводность определяется свободными электронами и обычно на два порядка больше, чем в диэлектриках, в которых перенос тепла обеспечивается фононами. Полупроводники по тепловым свойствам близки к диэлектрикам, поскольку концентрация газа свободных электронов и в полупроводниках, и в диэлектриках недостаточно велика, чтобы оказывать влияние на фононную проводимость. Только при низких температурах фононная теплопроводность большинства диэлектриков и полупроводников может быть сравнимой с электронной электропроводностью металлов.

Механизм электропроводности (переноса электрического заряда) у полупроводников и у диэлектриков существенно отличается. Носители заряда в полупроводниках (электроны и дырки) обладают столь же высокой подвижностью, как и в металлах (из-за слабого взаимодействия электронов с кристаллической решеткой полупроводника). Механизм переноса заряда в полупроводниках может быть дрейфовым или диффузионным. В диэлектриках (к которым относятся в основном ионные кристаллы) преобладает «прыжковый» механизм переноса заряда. Это характерно не только для ионов, но и для термически возбуждающихся электронов и дырок. Таким образом, в диэлектриках преобладает прыжковая (поляронная или ионная) электропроводность, в то время как в полупроводниках и металлах перенос заряда происходит по дрейфовому или диффузионному механизму.

В заключение следует отметить:

существует фундаментальное отличие только металлов от диэлектриков и полупроводников;

различия между диэлектриками и полупроводниками представляются не столь существенными.