Основные сведения о строении твердых тел

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Электронике

Введение

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации. Естественно возникает вопрос: что такое электроны и откуда они берутся? Вопрос не такой уж простой, если учесть, что до конца ХIХ века ученые понятия не имели о существовании электронов. Такие известные ученые как Ампер, Вольта, Кирхгоф, Эдисон и многие другие физики, внесшие огромный вклад в развитие учения об электричестве, которое было известно еще в древние времена, понятия не имели об электронах. В то время считалось, что мельчайшей неделимой частицей материального мира является атом. Вот что писал в 1749 г. американский исследователь Б. Франклин «Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой… Обыкновенная материя по отношению к электрической материи является как бы своеобразной губкой. Губка не смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не были меньше дырок в губке». Иначе говоря, атом считался мельчайшей материальной частицей, а «электрическая субстанция» представлялась состоящей из каких то других «бестелесных частиц». Электрический ток ученые представляли как движение дискретных электрических зарядов, величину которых позволили определить опыты по электролизу, проделанные Г.Гельмгольцем. Эти опыты показали, что для выделения одной грамм-молекулы вещества на электроде электролитической ванны требуется электрический заряд, равный 96500 кулонов. Несколько позже А.Авогадро установил, что в одной грамм-молекуле содержится атомов вещества. Поделив величину заряда на количество атомов, удалось определить величину элементарного электрического заряда, равную кулона. Этот элементарный заряд стали называть «атомом электричества». В 1891 году Г.Стоней предложил называть атом электричества электроном, однако природа этого заряда оставалась неясной, т.е. термин появился раньше открытия электрона.

В 1897 году выдающийся английский ученый Дж. Томсон, работая с вакуумной трубкой, экран которой светился под действием открытых к тому времени катодных лучей, установил, что катодный луч несет в себе отрицательный заряд. Отклоняя катодный луч магнитным полем Дж. Томсону удалось определить такой важный параметр, как отношение величины заряда к массе отклоняемой частицы. Сегодня известно, что электрон обладает массой, равной грамма. Ну, а коль скоро у электрона была обнаружена масса, то он не может быть «бестелесной порцией электричества». Это позволило Дж. Томсону сделать смелый вывод о существовании материальных частиц, гораздо меньших, чем атомы.

Открытие Дж. Томсона было ошеломляющим. Это была революция в вековых представлениях об атомной структуре материи. Многие ученые отказывались признавать его. Среди них был В.К. Рентген, который считал, что электронов в природе не существует – это не более чем «пустое, не заполненное конкретным содержанием слово». Однако факт оставался фактом. Опыты Дж. Томсона опровергли гипотезу о неделимости атомов. Зародилась новая наука – электроника, которая привела к созданию электронных приборов, позволивших создать современные средства телекоммуникаций.

Первоначально развивалась главным образом вакуумная электроника. В 1904 году Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод). В1907 году Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку, лампа стала трехэлектродной (триод) что позволило осуществить усиление слабых электрических сигналов. Существенный вклад в развитие вакуумной электроники внесла Нижегородская радиолаборатория, созданная в 1918 году, в которой под руководством М. А. Бонч-Бруевича были разработаны мощные триоды с водяным охлаждением. Впоследствии появились лампы с четырьмя, пятью и даже с шестью сетками. В конце тридцатых – начале сороковых годов были разработаны лампы для диапазона сверхвысоких частот.

В тридцатые годы интенсивно велись работы по созданию передающих телевизионных трубок, что привело к возникновению современного электронного телевидения. В разработке этого вида электронных приборов велика заслуга советского ученого П. В. Шмакова. В эти же годы велись интенсивные исследования свойств полупроводниковых материалов. В развитии этого направления электроники велика роль советских академиков А. Ф. Иоффе и И. Е. Тамма.

В 1948 году было опубликовано сообщение об изобретении американскими физиками Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли полупроводникового электронного прибора под названием «транзистор», который можно использовать в радиотехнике вместо электронных ламп. Началась новая эра электроники - полупроводниковая электроника, интенсивное развитие которой привело к созданию в 60-х годах интегральных микросхем (ИМС). Параллельно с интегральной электроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника, базирующаяся на применении физических явлений в твердом теле для обработки электрических сигналов. Возникли такие направления в электронике как акустоэлектроника, оптоэлектроника и ряд других.

Говоря о развитии электроники, нельзя обойти вниманием такое направление как квантовая электроника. В 50-х годах были созданы устройства при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счет открытого А. Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году советскими физиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и независимо от них американским физиком Ч.Х.Таунсом были созданы первые молекулярные генераторы (мазеры), работающие в диапазоне сантиметровых волн. В 1960 году американским физиком Т.Г.Мейманом был создан оптический квантовый генератор (лазер).

Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления – наноэлектроники. В начале 90-х годов были созданы электронные микроскопы, позволяющие не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими, размещая атомы и атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте. Нанотехнологии позволят создавать такие диковинки, которым пока еще и название не придумали.

Основные сведения о строении твердых тел

Современная физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из положительно заряженных ядер, окруженных электронными оболочками. Электроны относятся к категории микрочастиц, которым присущ принцип дуализма, то есть они обладают как свойствами частицы, так и свойствами волны. Ни видеть, ни осязать электроны нельзя. Поэтому, изучая их, приходится пользоваться моделями и абстракциями. Простейшей, наиболее наглядной моделью, является модель Н. Бора, в которой электроны уподобляются шарикам, вращающимся вокруг ядра по определенным орбитам. С точки зрения квантовой физики такое представление ошибочно, так как микрочастица не может одновременно обладать определенными значениями координаты и импульса. Поэтому применительно к микрочастице понятие траектории теряет смысл. Квантовая механика в состоянии предсказать лишь вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Эта вероятность представляет собой «усредненную» картину поведения электрона, что позволяет представить электрон в виде облака, которое называют орбиталью.

Если в атоме водорода, удаляясь от ядра, проследить вероятность нахождения электрона, то окажется, что у самого ядра она равна нулю, потом возрастает, достигая максимального значения на расстоянии 0,53×10^-8 см от ядра, а затем постепенно убывает. Расстояние r=0,53×10^-8 см условно принимают за радиус орбиты в атоме водорода, а сам электрон рассматривают в виде шарика с массой m=9,1×10^-31 кг и зарядом q=1,6×10^-19 Кл. Количество вращающихся вокруг ядра электронов определяется порядковым номером химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева: в атоме водорода — один электрон, в атоме гелия — два и т. д.

Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определенным орбитам так, что на длине орбиты укладывается целое число длин волн, называемых волнами Де Бройля. При этом условии на длине орбиты образуется стоячая волна и не происходит излучения электромагнитной энергии. В противном случае электрон будет терять свою энергию, радиус орбиты станет уменьшаться и в результате электрон окажется притянутым к ядру.

Вращение электронов в атомах происходит как по круговым, так и эллиптическим орбитам. Движение электрона по круговой орбите соответствует сферическому электронному облаку, а движение по эллиптической орбите — облаку в форме гантели. При этом электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, но при условии, что на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов (принцип Паули). Чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические уровни они занимают. Возможные энергетические состояния электронов характеризуют четырьмя квантовыми числами.

Главное квантовое число может принимать значение n=1, 2, 3 и т. д. Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями.

Орбитальное квантовое число l может принимать значения l=0, 1, 2,..., (n–1). Энергетические состояния, характеризующиеся различными значениями l, называют подуровнями. Значению l=0 соответствует s-подуровень, значению l=1 — p-подуровень, значению l=2 — d-подуровень, значению l=3 — f-подуровень.

Магнитное квантовое число m определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно может принимать значения m=0, ±1, ±2, ..., ±l. Каждому квантовому числу l соответствует (2l+1) по-разному ориентированных орбит. При l=1 возможны три взаимно-перпендикулярных р-орбиты; орбитальному квантовому числу l=2 соответствует пять возможных пространственных ориентаций орбит, называемых d-орбитами; квантовому числу l=3 соответствует семь f-орбит.

Спиновое квантовое число s определяет направление вращения электрона вокруг ядра. Оно может принимать значения +0,5 или –0,5.

Определим число возможных энергетических состояний на любом из энергетических уровней. На первом энергетическом уровне (n=1) могут разместиться два электрона с противоположными спинами, что можно записать в виде: 1s², где 1 — номер энергетического уровня, s — состояние электрона на этом уровне, 2 — количество электронов в данном состоянии. На втором энергетическом уровне (n=2) в s-состоянии могут находиться два электрона (2s²), в p-состоянии — шесть электронов (2p⁶). На третьем энергетическом уровне (n=3) в s-состоянии могут находиться два электрона (3s²), в p-состоянии — шесть электронов (3p⁶), в d-состоянии — десять электронов (3d¹⁰) и т. д.

Проследим, как заполняются электронные оболочки атомов по мере роста порядкового номера химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. В атоме водорода имеется один электрон на орбите 1s с произвольной ориентацией спина. Его энергетическое состояние может быть записано так: 1s¹. В атоме гелия имеется два электрона с противоположными спинами. Его энергетическое состояние может быть записано так: 1s². В атоме лития первая оболочка полностью заполнена электронами, поэтому третий электрон располагается на уровне 2s, в результате получается электронная конфигурация 1s²2s¹. У бериллия структура оболочки имеет вид 1s²2s². У бора пятый электрон занимает состояние 2p и структура принимает вид 1s²2s²2p¹. У последующих элементов происходит дальнейшее заполнение состояния 2p. У неона все возможные состояния 2p полностью заняты, и структура принимает вид 1s²2s²2p⁶. Аналогичным образом происходит заполнение электронных оболочек третьего и последующих периодов периодической таблицы.

Атомы элементов каждой группы периодической таблицы имеют одинаковое строение внешних и достраивающихся оболочек. Это наглядно видно на примере элементов четвертой группы:

l углерод (C) — 1s²2s²2p²;

l кремний (Si) — 1s²2s²2p⁶3s²3p²;

l германий (Ge) — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p².

Периодическая повторяемость структуры внешних электронных оболочек обусловливает периодическую повторяемость химических свойств элементов. Так, например, кремний и германий качественно обладают одинаковыми свойствами, различие состоит лишь в количественной оценке этих свойств.

Молекулы и твердые тела образуются в результате химических связей, осуществляемых посредствам валентных электронов, находящихся на внешних, не полностью занятых электронных оболочках. При этом происходит обобществление валентных электронов и уже нельзя говорить о принадлежности электрона к одному из атомов. Например, атомы углерода, кремния и германия, которые входят в четвертую группу периодической системы элементов и имеют валентность, равную четырем, в твердом теле образуют структуру, в которой каждый атом связан с четырьмя ближайшими своими соседями и оказывается окруженным восьмью обобществленными электронами. Такая связь характеризуется очень высокой прочностью.

В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что каждый атом оказывается в поле своих соседей, с которыми он взаимодействует. Вследствие этого каждый энергетический уровень расщепляется на большое число близко расположенных подуровней, образующих энергетическую зону. Расстояние между подуровнями очень мало. В кристалле размером 1 см³содержится 10²² атомов. При ширине зоны порядка 1 эВ расстояние между подуровнями в ней равно 10^-22 эВ. Это расстояние столь ничтожно, что зоны можно считать непрерывными.

Механизм образования энергетических зон схематически показан на рис. 1.1. По мере сближения атомов (уменьшения расстояния между ними) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем более низкие. При сближении атомов на расстояние а₀ образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. Каждому энергетическому уровню изолированного атома соответствует зона разрешенных энергий: уровню 1s- зона 1s, уровню 2s- зона 2s и т.д. Зоны разрешенных энергий разделены областями запрещенных энергий – запрещенными зонами. С увеличением энергии электрона в атоме ширина разрешенных зон возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается. Электроны в атоме занимают наиболее низкие энергетические уровни, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а расположенную выше неё свободную от электронов зону называют зоной проводимости

Энергетические диаграммы различных материалов зависят от структуры электронных оболочек изолированных атомов. У атомов, имеющих на внешней оболочке один электрон (литий, натрий, калий), валентная зона заполнена лишь наполовину, поэтому при незначительном энергетическом воздействии электроны переходят на более высокие свободные уровни, что обуславливает хорошую электропроводность этих материалов. У меди, серебра, золота валентная зона и зона проводимости перекрываются друг с другом, создавая смешанную, так называемую гибридную зону, поэтому они также обладают хорошей электропроводностью. У атомов четвертой группы периодической системы элементов (углерод, кремний, германий), имеющих на внешней электронной оболочке по четыре валентных электрона, зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной. В этом случае переход электронов на более высокие энергетические уровни связан с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышающего ширину запрещенной зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещенная зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3 эВ) — к категории полупроводников и материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) — к категории диэлектриков

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 927; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!