Проводниковые материалы Электропроводность полупроводников

Линейные дефекты - нарушения периодичности решетки, имеющие протяженность только в одном направлении.

Этот вид дефектов в литературе чаще называют дислокациями, которые бывают двух типов: краевые и винтовые.

Рис.5. Краевая дислокация

Как видно из рис.5 искажение структуры вызвано тем, что в часть объема кристалла введена лишняя атомная плоскость. Искажение структуры сосредоточено, в основном, вблизи нижнего края полуплоскости лишних атомов. Под дислокацией понимают линию иcкажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости.

На рис.5 это будет линия, идущая от четвертого атома третьего ряда за плоскость чертежа. Особенностью дислокаций является то, что сильные искажения структуры сосредоточены в непосредственной близости от дислокационной линии. Эта область называется ядром дислокации. Дислокации оказывают большое влияние на механические и магнитные свойства материалов. Материалы с дислокациями весьма пластичны. Энергия образования дислокаций для различных твердых тел лежит в пределах 3-10 эВ на одно межатомное расстояние вдоль длины дислокации.

Одним из важнейших свойств дислокаций является то, что их количество не зависит от температуры. Причина этого состоит в большой энергии образования дислокаций. Дислокации можно наблюдать визуально, в местах выхода их на поверхность сильно деформированные области вблизи ядра быстро реагируют с определенными химическими травителями. В результате образуются ямки травления, которые показывают последовательность расположения дислокаций.

Тепловые колебания

Рис.6. Потенциальная энергия Е в зависимости от  межатомного расстояния d.

В идеальной решетке атомы должны занимать именно те места, на которых они закреплены. Однако ни один кристалл не является абсолютно жестким, и затратив конечную работу можно сместить атомы с их мест в идеальной решетке.

Так как силы, удерживающие атомы в узлах решетки не очень велики, то достаточно тепловой энергии самих атомов, чтобы заставить их переместиться из равновесного положения на заметные расстояния. При обычных температурах величина теплового колебания составляет 5-10% от межатомного расстояния.

Физически к идее о колебаниях атомов твердого тела можно прийти путем анализа природы межатомных сил. Равновесные положения атомов определяются из условия равенства сил притяжения и отталкивания. При равновесии потенциальная энергия твердого тела должна быть минимальна. При больших межатомных расстояниях ( вещество находится в газообразном состоянии ) потенциальная энергия равна нулю, т.к. в этих условиях атомы не взаимодействуют друг с другом.

При уменьшении расстояния d между атомами, потенциальная энергия уменьшается. При некотором критическом расстоянии потенциальная энергия достигает минимального значения и далее быстро возрастает (рис.6).

Анализ взаимодействия атомов в твердых телах приводит к выводу, что атом закрепленный в определенном узле решетки можно рассматривать как гармонический осциллятор, и следовательно, вибрирующие атомы относительно своих положений равновесия совершают гармонические колебания, частота "" которых зависит от массы атома "m".

(3.3)

 - постоянная величина, по своему физическому смыслу - это сила, необходимая для удлинения куба на расстояние равное его ребру.

Расчеты, проведенные по этому уравнению, показывают что частота колебаний атомов в кристаллических решетках железа, меди, германия составляют приблизительно 3 .10 12 Гц.

Так как частота колебания не зависит от температуры, а зависит только амплитуда, то зная массу атома "m", т.е. положение элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, можно определить частоту колебания, и отсюда, оценить величину составляющей удельного сопротивления, зависящей от температуры.

Некоторые итоги и выводы

Абсолютное большинство твердых тел - поликристаллические.

Дефекты кристаллической структуры вызывают нарушения периодичности электростатического поля кристаллического тела.

Точечные дефекты существуют во всех кристаллических телах.

Вероятность образования вакансий выше, чем вероятность образования других точечных дефектов.

Дефекты всех типов вызывают изменение таких свойств как электропроводность, пластичность, магнитная восприимчивость.

 Дефекты можно создавать целенаправленно в процессе создания материала, для придания ему необходимых свойств.


Магнитные цепи