Дипломная работа на тему: Металлы. Зонная энергетическая структура металлов. Основные электрические параметры металлов

Введение

Чтобы понять, почему металлы обладают значительной проводимостью, намного большей, чем проводимость диэлектриков и полупроводников, следует рассмотреть какова структура их энергетических зон.

В изолированном атоме имеется ряд разрешённых уровней энергии, которые могут быть "заселены" электронами (рис. 1.1, а). Если атомов много, но они удалены на достаточно большие расстояния друг от друга, структура энергетических уровней не изменяется, а электроны по-прежнему оказываются локализованными вблизи своих ядер. При конденсации вещества и при образовании кристаллической решётки твёрдого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие воздействия соседних атомов друг на друга. В частности, притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижет высоту потенциального барьера, разделяющего электроны в уединённых атомах. Главное состоит в том, что при сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, то есть перемещаться по кристаллу. Обменное взаимодействие имеет чисто квантовую природу и является следствием неразличимости электронов. В этом случае уже нельзя говорить о принадлежности того или иного электрона определённому атому - каждый валентный электрон всем атомам кристаллической решётки одновременно. Иными словами, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов.

Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны (рисунок 1.1, б). Разрешенные энергетические зоны разделены запрещёнными интервалами энергии (запрещёнными зонами - ЗЗ). Уровни энергии внутренних оболочек, которые локализованы вблизи ядра и не подвержены сильному возмущению со стороны окружающих атомов, расщепляются меньше, чем уровни валентных (внешних) электронов.

Уровни возбуждённого атома

ЗП

ЗЗ

ВЗ

Уровень невозбуждённого состояния атома

а) б)

Рисунок 1.1 - энергетические уровни:

а - уединённого атома;

б - твёрдого тела;

Рассмотрим простую кристаллическую решётку, образованную одним сортом атомов. В каждой разрешённой энергетической зоне содержится столько уровней энергии, сколько атомов содержится во всём кристалле. Если учесть, что энергетические зоны имеют ширину порядка единиц эВ, то для кристалла размером 1см3, содержащего 1022-1023 атомов, энергетическое "расстояние" между уровнями окажется ~ 10-22-10-23 эВ. Эти цифры говорят о том, что энергетический спектр зоны можно считать непрерывным, поскольку даже тепловые флуктуации энергии электрона при нормальных условиях составляют значительно большую величину ~ 103эВ.

Стремление системы атомов к минимуму энергии приводит к тому, что энергетические уровни зон заселяются имеющимися электронами "снизу - вверх". При этом действует принцип Паули - каждый уровень может быть заселён не более чем двумя электронами. В итоге, нижние (внутренние) зоны заселяются полностью вплоть до зоны, образованной валентными уровнями. Валентная зона (ВЗ) является последней заселяемой зоной. В зависимости от "укомплектованности" электронами она может оказаться либо полностью заполненной, либо частично заполненной. Например, если валентная зона образована S-оболочками атомов, имеющих по одному электрону (щелочные металлы), то она будет заполнена ровно на половину. Следующая за валентной зоной свободная, незаполненная электронами зона называется зоной проводимости (ЗП). Взаимное положение этих зон и степень заполнения валентной зоны определяют большинство процессов, происходящих в твёрдом теле.

1. Предположим, что валентная зона заселена полностью (рисунок 1.2). Если при этом между валентной зоной и зоной проводимости имеется достаточно большая зона запрещённых энергий DЕ > ~ 0.1 эВ, то такое состояние соответствует либо полупроводнику (DЕ < ~ 3 эВ), либо диэлектрику (DЕ > ~ 3 эВ). Находясь в валентной зоне, электроны совершают квантовомеханические движения, но не способны к направленному движению (дрейфу) в электрическом поле, поскольку для этого им необходимо изменять свою энергию, переходя с уровня на уровень. Но уровни в пределах валентной зоны полностью заселены, поэтому дрейф возможен лишь при условии перебрасывания части электронов из валентной зоны в зону проводимости за счёт внешних возбуждающих факторов (температурный нагрев, освещёние и т.д.).

Уровни возбуждённого атома

а) б) в)

1 - валентная зона;

2 - зона проводимости;

3 - запрещённая зона;

Рисунок 1.2 - структура энергетических зон диэлектриков (а),

полупроводников (б) и металлов (в).

2. Случай, когда запретная зона оказывается незначительной, или вообще отсутствует, (валентная зона перекрывается с зоной проводимости) соответствует материалу высокой проводимости - металлы, поскольку электроны получают возможность относительно свободно изменять свою энергию при воздействии внешнего электрического поля, беспрепятственно переходя из зоны в зону.

3. если валентная зона заселена электронами частично то, очевидно, что соответствующий материал обладает металлическими свойствами независимо от взаимного расположения валентной зоны и зоны проводимости.

Случай перекрытых зон и случай частично заполненной валентной зоны с точки зрения электропроводности эквивалентны. Важно отметить, что уровень Ферми металлов располагается в области разрешённых квазинепрерывных энергетических зон, и что концентрацию носителей заряда ("свободных" электронов) можно считать почти постоянной по отношению к изменению внешних условий. Это также отличает металлы от полупроводников, у которых количество носителей заряда резко возрастает с ростом температуры.

Оглавление

- Металлы

- Зонная энергетическая структура металлов

- Основные электрические параметры металлов

- удельное сопротивление чистых металлов

- Электрические свойства металлических сплавов

- Диэлектрики

- Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА

- Виды поляризаций

- Диэлектрические потери

- Магнитные материалы

- Классификация веществ по магнитным свойствам

- Классификация магнитных материалов

- Ферриты

- Особенности ферримагнетиков

- Природа обменного взаимодействия

- зависимость магнитных свойств от температуры

- Список литературы 21

Список литературы

1.) Нефедцев Е. В. "РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ" Томск 2000 г.

2.) Пасынков В.В., Сорокин В.С. "Материалы электронной техники"

Москва 1986 г.

3) Тареев Б.М. "Электрорадиоматериаллы" Москва 1978 г.