Классификация мэт

Классификаций может быть несколько. Рассмотрим две основные:

1. По функциональному назначению:

- основные (полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы)

- технологические (применяемые в технологических процессах): реактивы, подложки, защитные покрытия (SiO₂, SiN, Al₂O₃), металлы, сплавы, припои.

- конструкционные (входящие в полупроводниковые изделия):

• металлы, сплавы, стекла, керамика, клеи, пластмассы для корпусов

• токопроводящие материалы

• защитные (лаки, эмали)

- вспомогательные (газы для создания защитной атмосферы, чистая вода, материалы для приспособлений)

2. По основным физическим свойствам, определяющим их использование:

- по поведению в электрическом поле:

• проводниковые

• полупроводниковые

• диэлектрические

- по реакции на внешнее магнитное поле:

• диамагнетики

• парамагнетики

• ферромагнетики

• антиферромагнетики

• ферримагнетики,

а также делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

Самую важную группу электронных материалов составляют проводники, полупроводники и диэлектрики. Именно они являются главными элементами электронных приборов в большинстве случаев. Точную границу между ними провести трудно.

Проводниковые материалы

Основное свойство – сильно выраженная электропроводность.

Основное назначение – токопроводящие элементы, поверхности.

Подразделяют на:

• металлы (высокопроводящие, тугоплавкие, благородные);

• металлические сплавы, в том числе сверхпроводящие;

• неметаллические проводники (модификации углерода, оксидные, контактолы, керметы)

Из 105 химических элементов лишь 25 неметаллы. Для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков - возбужденным. По агрегатному состоянию различают твердые проводники, жидкие проводники (расплавы, электролиты) и даже газообразные (в сильном электрическом поле - пары и газы).

Металлы – проводники с электронной проводимостью (или проводники I рода). Электролиты – проводники II-рода, они имеют ионную проводимость.

Физическая природа электропроводности металлов

Классическая электронная теория металлов была разработана Друде и Лоренцом. В её основе лежит представление об электронном газе, состоящем из свободных электронов. Электронному газу приписывают свойства идеального газа, т.е. движение электронов подчиняется законам классической статистики. При однократной ионизации атомов число электронов:

d- плотность металла

- атомная масса

- число Авогадро

Кинетическая энергия электрона (средняя) равна:

- средняя скорость теплового движения.

При 300 К = 10⁵ м/с.

Приложение внешнего электрического поля к металлу приводит к направленному движению электронов и увеличению их скорости, т.е. возникает электрический ток. Плотность тока, .

, (1)

где - скорость направленного движения электрона (скорость дрейфа).

В медном проводнике при т.е.

Электроны при движении сталкиваются с узлами кристаллической решётки. Между столкновениями они движутся с ускорением где - масса электрона.

К концу свободного пробега , где - время свободного пробега, - длина свободного пробега.

После столкновения с узлом кристаллической решетки скорость электрона уменьшается до нуля. Отсюда

среднее равно или

(2)

Так как , то при расчёте увеличение скорости за счёт дрейфа можно не учитывать и

, (3)

где - средняя длина свободного пробега.

Подставив (3) в (2), а (2) в (1) получим

, т.е. плотность тока ~ напряжению , что является аналитическим выражением закона Ома.

Реально обычно вдвое больше расчетного значения.

Однако классическая теория не может объяснить ряд свойств металлов, в том числе низкую теплоёмкость электронного газа, большую длину свободного пробега , которая в сотни раз больше расчетной.

Эти противоречия были преодолены в квантовой теории металлов (Френкель Я.И., Зоммерфельд А). Суть противоречий в неприменимости к электронному газу законов классической статистики Максвелла – Больцмана (экспоненциальной функции, ). Квантовая статистика базируется на принципе Паули ( один в каждом энергетическом состоянии). В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами определяется функцией Ферми,

При Т = 0 К: , если . , если . Здесь - максимальное значение энергии, которое может иметь электрон в металле при Т = 0 К. Эту характеристическую энергию называют энергией Ферми или уровнем Ферми.

Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Проводимость определяется в основном , которая зависит от вида и строения металла – химической природы атомов и типа кристаллической решётки.