1 тапсырма Металл, диэлектрик және жартылай өткізгіштердің негізгі физикалық қасиеттері материалдардың қасиеттерінен құрам мен алу технологиясының әсер ету заңдылықтарын жеңілдетіп түсіндіру үшін мақсатты түрде қарастырылады
жүктеу/скачать 61,3 Kb.
|
1 тапсырма
| 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: Жоғары өткізгіштік металдар мен құймалары Жоғары кедергілікті металдар мен құймалары болып екі топқа бөлінеді. Жоғары өткізгішті металдар мен құймалар өткізгіштіктерді, желілерді, электр сымдарын, контактілерді, трансформаторларының орамдарын жасауда, интегралдық сызбаларда 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: – 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 деп екі топқа бөлуге болады. Осыған байланысты таза металдардың меншікті электр кедергісі: ρ = ρт +ρқалд (1.14) түрінде жазылады Кристалдық тордың периодтылығын бұзатын қоспалық және меншікті ақаулар электрондық толқындар шашырауының орталығы болып табылады. Осы кезде еркін жүру жолының ұзындығы λ азаяды және меншікті электр кедергісі артады. Кең диапазонда ρ температураға тәуелділігі: ρт = ρ0(1+αt+βt2+γt3+…). (1.15) t>Θд (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 = (1/ρ0) (dρ/dT). 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 үдерісін 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 +ρқалд. Құйманың түрлері үшін меншікті электр кедергісінің құйма түзетін компоненттер түзетін компонененттер концентрациясына тәуелділік әртүрлі. Ерітілген компоненттің құйманың электрлік қасиетіне әсері негізгі компоненттің торының электрлік потенциал 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: λ = β/(сАсВ) = β/(сА(1 – сА)) (1.18) қатынаста өрнектеледі. Мұндағы β – берілген жүйе үшін тұрақты пропорционалдық коэффициенті; сА және сВ – негізгі және қоспалық компоненттердің сәйкес концентрациялары (ат.%). Бұл өрнекті ρ = m T/ (e2nλ) фомуласына қойғанда алатынымыз: ρ = m TсА(1 – сА)/ (e2nβ). (1.19) Тұрақты көбейткіштерді жинақтап және m T/(e2nβ)=D деп белгілесек ρ = DсА(1 – сА). (1.20) мұндағы, сА(1 – сА) функциясы - сА= ½ 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: αp құй = (1/ ρ0 құй) (d ρқұй /dT) (1.21) формуласы бойынша анықталынады. 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 ауыспалы 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 және эвтектиканың меншікті электр кедергісі аддитивті өзгереді. Екі 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 тәуелділік сызықтығының бұзылуы қоспа, дән шекаралары 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 үдерістер 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, яғни электрондардың еркін жүру жолының ұзындығына қабыршақтың беткі қабатының шашырауы салдарынан азаюы әсер етеді. жүктеу/скачать 61,3 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|