« poprzedni punkt  następny punkt »


4. Materiały stosowane w elektronice

Teoria elektronowa budowy atomów umożliwia sformułowanie klasycznej teorii przewodzenia prądu elektrycznego w materiałach stosowanych w elektronice. Zgodnie z tą teorią atom składa się z dodatnio naładowanego jądra ( + ) i ujemnie naładowanych elektronów ( - ). Elektrony obracają się wokół własnej osi oraz wokół jądra po zamkniętych orbitach (zw. powłokami). Największe możliwe liczby elektronów w poszczególnych powłokach wynoszą: w pierwszej 2, w drugiej 8, w trzeciej 8 itd. Zewnętrzna powłoka atomu zawiera nie więcej niż 8 elektronów. Atom zawiera taką samą liczbę elektronów i cząstek naładowanych dodatnio w jądrze - protonów ( + ), o tym samym ładunku co elektrony, jest zatem elektrycznie obojętny. Ładunek elektryczny elektronu wynosi e = 1,60210 10-19 C i jest niepodzielny. Z tego powodu nosi nazwę ładunku elementarnego.

Elektrony z ostatniej orbity, decydujące o właściwościach chemicznych i elektrycznych materiałów nazywane są elektronami walencyjnymi. Pod wpływem energii zewnętrznej elektrony mogą zostać oderwane, powodując jonizację atomu. Potrzebna do tego energia jest tym większa, im elektron położony jest bliżej jądra. Dlatego najłatwiejsze do oderwania są elektrony walencyjne. Elektrony wyrwane z sieci, nie związane z żadnym jądrem i mogące przechodzić od jednego atomu do drugiego nazywane są elektronami swobodnymi.

Definicja 1. 7. Materiały, w których występuje zjawisko powstawania elektronów swobodnych nazywamy materiałami przewodzącymi lub krótko przewodnikami.

Dobrymi przewodnikami są metale. W metalach, na 1 do 4 atomów przypada jeden elektron swobodny. Elektrony swobodne znajdują się w bezładnym ruchu, ulegają przemieszczeniu w całym obszarze, tworząc swego rodzaju gaz elektronowy.

Definicja 1.8. Materiały, które nie zawierają ładunków swobodnych nazywamy izolatorami (materiałami nie przewodzącymi) lub dielektrykami.

Do izolatorów zaliczamy materiały ceramiczne i organiczne, papier oraz tworzywa sztuczne.

Definicja 1.9. Materiały, w których zjawisko występowania elektronów swobodnych jest pośrednia pod względem ilościowym między przewodnikami i izolatorami noszą nazwę półprzewodników.

Do półprzewodników zaliczamy najczęściej krzem - Si, german - Ge, arsenek galu - GaAs.

Liczba elektronów swobodnych przypadająca na jednostkę objętości materiału decyduje o własnościach przewodzących ciał. Miara zdolności przewodzącej materiału jest rezystywność (opór właściwy) r wyrażana w omometrach ( W m ). Przyjmując za kryterium podziału powyższą zdolność materiały stosowane w elektronice możemy sklasyfikować w sposób następujący:

Zasygnalizowany tu podział materiałów stosowanych w elektronice ze względu na właściwości elektryczne (poprzez wartość rezystywności) znajduje swoje odbicie w modelu pasmowym inaczej energetycznym. W odosobnionym atomie elektrony mogą się znajdować w ściśle określonych stanach energetycznych (na orbitach), przyjmowanych w sposób dyskretny. W materiale stałym, na skutek wzajemnej bliskości położenia atomów w sieci krystalicznej i ich wzajemnego oddziaływania elektrony nie maja możliwości wykonywania swobodnego ruchu wokół jądra. W następstwie tego dozwolone poziomy energetyczne ulegają przesunięciu. Jest to jednoznaczne z rozczepieniem rozłożonych w sposób skwantowany poziomów poszczególnych atomów. Poprzesuwane poziomy tworzą pasma energetyczne, a elektrony znajdujące się na określonej orbicie mogą teraz przyjmować każdą wartość energii mieszczącej się wewnątrz pasma. Pasma takie nazywamy pasmami dozwolonymi. Występuje przy tym ograniczenie polegające na tym, że pojedyncze poziomy energii w paśmie mogą przyjmować co najwyżej dwa elektrony. Podobnie jak w pojedynczym atomie, istnieją takie wartości energii, których nie może przyjmować żaden elektron. Te poziomy energetyczne, leżące między pasmami dozwolonymi, tworzą pasmo zabronione.

W temperaturze zera bezwzględnego (T = 0 K) najwyższą energię (wyrażaną w elektronowoltach - eV) maja elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadające temu stanowi energetycznemu nosi nazwę pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniżej położonym pasmem energetycznym (rys.1.1). Powyżej tego pasma jest usytuowane pasmo przewodnictwa, w którym znajdują się elektrony swobodne wyrwane z sieci krystalicznej. Odstęp miedzy tymi pasmami nosi nazwę pasma zabronionego i oznacza się przez Wg. Wartość przerwy zabronionej Wg określa się minimalną wartością energii, która musi być dostarczona elektronom, aby zostały one wyrwane z wiązań atomowych sieci krystalicznej. Szerokość przerwy zabronionej wyraża się również w elektronowoltach ( eV ).

Rys.1.1. Energetyczny model pasmowy

Usytuowanie pasm energetycznych dla omawianych trzech rodzajów materiałów stosowanych w elektronice pokazuje rys.1.2. Wyróżnione poprzednio przewodniki maja pasma przewodnictwa i walencyjne zachodzące na siebie, izolatory maja przerwę zabroniona o wartości Wg @ 10 eV, a dla półprzewodników Wg < 2 eV.

Rys.1.2. Model pasmowy materiałów stosowanych w elektronice


« poprzedni punkt  następny punkt »