Структура кристаллов. Типы кристаллических решеток

Электроника, ее основные области исследования; вакуумная, твердотельная, квантовая электроника, особенности физических процессов.

ФОЭ - научное направление в электронике, в котором изучаются взаимодействия электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, различных средах (газы, жидкости, твердые тела, плазмы) и у границы их раздела.

Электроника включает три направления: вакуумная, твердотельная, квантовая.

I.Вакуумная электроника:

Изучаются взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме; основные предметы исследования: электронная эмиссия; формирование и управлении потоками электронов; катодолюминесценция.

На их базе создаются приборы:

диоды, триоды, тетроды, СВЧ, фотоэлектронные приборы.

Особенности процессов:

- при взаимодействии электронов с электромагнитными полями в вакууме нет столкновений со связанными атомами, а вероятность столкновения с остаточными газами мала, следовательно, потери энергии малы, КПД процессов достигает 90%;

- остаточная энергия электронных потоков рассеивается на электродах с большой поверхности, которые могут интенсивно отражаться, что позволяет получать мощности в несколько МВт.

II.Твердотельная электроника:

Изучаются процессы в твердых телах (полупроводниках, диэлектриках, магнитных материалах, пьезоэлектриках) для преобразования электромагнитной энергии в широком диапазоне частот от постоянного тока до СВЧ.

Основные направления:

1) полупроводниковая электроника – исследуются эффекты взаимодействия электронов с электромагнитными полями в п/п;

2) акустоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия высокочастотных акустических волн с электронами проводимости;

3) оптоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия волн оптического диапазона с электронами в твердых телах;

4) магнитоэлектроника – магнитные явления в твердых телах.

Приборы:

диоды, транзисторы, приборы с заряд.связью, интегральные микросхемы.

Особенности процессов:

1.Одновременное существование двух типов подвижных носителей заряда.

2. Сильная зависимость типа и величины электропроводности от концентрации и типа атомов примесей.

3. Возникновение на границе двух п/п с различными типами электропроводности потенциальных барьеров.

4. Сильная чувствительность свойств п/п к воздействию света, электр. и магнитных полей и т.д.

5. Туннельные переходы электронов через потенциальный барьер.

6. Лавинные размножения НЗ в сильных электрических полях.

III.Квантовая электроника:

Изучаются методы генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов.

Приборы: квантовые генераторы (лазеры), усилители.

Особенности устройств:

1. Высокая стабильность частоты колебаний.

2. Низкий уровень шумов.

3. Большая мощность в импульсе излучения.

Развитие элементной базы, этапы:

1) Дискретная электроника на ЭВП;

2) Дискретная электроника на п/п приборах;

3) Интегральная электроника на микросхемах (в том числе и функциональная электроника);

4) Наноэлектроника.

Структура кристаллов. Типы кристаллических решеток.

Твердые тела подразделяются по взаимному расположению составляющих их атомов на кристаллические и аморфные.

Различие заключается в степени упорядоченности.

В аморфных веществах существует ближний порядок – определяет закономерность взаимного расположения ближайших атомов, не распространяется на большие участки и не повторяется периодически в пространстве.

В кристаллических веществах существует дальний порядок - упорядоченная в пространстве структура, сохраняющаяся во времени, которая называется кристаллической решеткой.

Отсутствие дальнего порядка делает их изотропными (одинаковые свойства по всем направлениям).

Кристаллические тела имеют анизотропию электрических, механических свойств, обусловленную тем, что расстояние между соседними частицами и силой взаимодействия между ними различны в различных направлениях.

В основе КР лежит элементарная ячейка - наименьший многогранник, который можно выделить в кристалле. Последующее чередование в пространстве элементарных ячеек позволяет получить КР в целом. Места расположения атомов в КР- узлы, а пространство между ними- междоузлия.

Важным свойством КР является трансляционная симметрия, заключающаяся в том, что при параллельном перемещении решетки на вектор :

= + + кристалл совмещается сам с собой. Минимальное расстояние, на которое осуществляется перемещение- период трансляции; , , - векторы трансляции - наименьший вектор (по длине), не лежащий в одной плоскости; - целые числа.

Типы КР:

- построены трансляцией элементарных ячеек – решетки Бравве, объединенные в 7 систем симметрии, называемые сингонии в зависимости от геометрии расположения атомов. Сингонии определяют внешний вид элементарной ячейки, не зависит от расположения атомов внутри ячейки.

Рассмотрим систему кристаллографических осей, которые находится в одном из узлов и направлены вдоль ребер ячеек.

расстояние между атомами a, b, c

 

Сингонии

Типы КР

Сингония	Параметры элементарной ячейки
a, b, c	α, β, γ
1. Триклинная	a ≠ b ≠ c	α ≠ β ≠ γ ≠90º
2. Мноноклинная	a ≠ b ≠ c	α ≠ γ =90º, β≠90º
3. Ромбическая	a ≠ b ≠ c	α =β= γ =90º
4. Тетрагональная	a = b ≠ c	α= β= γ =90º
5. Тригональная	a = b = c	α =β = γ ≠90º
6. Гексагональная	a = b ≠ c	α= β=90º, γ=120º
7. Кубическая	a = b = c	α= β=γ =90º

Металлы имеют решетки с кубической и гексагональной структурой; величины постоянной КР почти равны размерам атомов, что свидетельствует об очень плотной упаковке, плотность в п/п значительно меньше. Плотность упаковки в веществе определяется координационным числом – количеством ближайших соседних атомов у каждого атома решетки:

для ме К=8,12

для п/п К=(8-N), где N- порядковый номер в таблице Менделеева.

Индексы Миллера.

Кристаллографическая система координат.

Положение узла в кристаллографической системе координат записывается индексами [mnp], измеряется в единицах постоянной КР

x=ma, y=nb, z=pc

Положение атомной решетки описывается положениями (h,k,l), которые однозначно задают положение плоскости.

Параллельные плоскости имеют одинаковые индексы Миллера, для их нахождения:

1)определить точки пересечения плоскости с осями;

2)выразить расстояние от начала координат в единицах постоянной КР;

3)взять обратные величины;

4)привести к общему знаменателю;

5)записать по порядку числители полученных дробей, которые и являются индексами Миллера.