3 Понятие ковалентной связи

Атомы таких распространенных полупроводниковых веществ, как кремний и германий, имеют соответственно по 14 и 32 электрона, которые распределяются по оболоч­кам следующим образом:

Мате­риал	Первая оболочка	Вторая оболочка		Третья оболочка			Четвертая оболочка
	1s	2s	2р	3s	3р	3d	4s	4р	4d	4f
Si	2	2	6	2	2	0	0	0	о	о
Ge	2	2	6	2	6	10	2	2	о	о

Первая и вторая электронные оболочки у кремния и у германия идентичны. Очень сходны у них и внешние оболочки — каждая имеет по 4 электрона. У кремния внешней оболочкой является третья, у германия — чет­вертая.

Внутренние оболочки (первая и вторая у кремния, и первая, вторая и третья у германия) являются полно­стью заполненными устойчивыми оболочками. Отсутствие свободных уровней в этих оболочках говорит о том, что эти оболочки не могут принимать дополнительных электронов, а, следовательно, не могут участвовать и во взаимодействии между атомами. В пределах этих оболочек электроны не могут изменять свою энергию (например, под действием сил электрического поля), а это значит, что они не будут принимать участия и в процессе проводимости. Поэтому мы не будем рассматривать внутренние оболочки и ограни­чимся только внешними, частично заполненными оболоч­ками.

Внешняя оболочка, как германия, так и кремния обра­зована четырьмя электронами.

Рис. 1.1 Образование ковалентных связей в кристалле германия: а) схема дополнения внешней электронной оболочки атома германия до 8 электронов, б) плоскостное изображение кристаллической решетки.

В кристалле германия или кремния атомы располагаются упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются. Взаимодействие внешних электронных оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с принципом запрета Паули может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Эти общие орбиты связывают между собой атомы германия или кремния, образуя так называемые ковалентные, или парноэлектронные связи.

В этом случае каждый рассматриваемый нами атом (рис. 1.а) как бы дополняет свою внешнюю оболочку до 8 электронов. Внешние электронные оболочки атомов в кристалле принимают устойчивое состояние, подобное внутренним электронным оболочкам.

На рис. 1.б изображена такая кристаллическая решет­ка на плоскости. Ковалентные связи изображены в виде двух параллельных линий.

В этих решетках каждый атом связан с четырьмя соседними с помощью пары валентных электронов, находящихся на общей орбите и принадлежащих обоим атомам.

На плоской картине ее условно обозначают двумя линиями, соединяющими два узла кристаллической решетки.

В кристалле чистого полупроводника при температуре абсолютного нуля (Т = 0К) валентные электроны прочно связаны с ядрами атомов посредством ковалентных связей. В этих условиях полупроводник является диэлектриком, а каждый атом — нейтральным.

При температуре Т  0К часть электронов под действием тепловой энергии разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Электроны, потерявшие связь с атомами, становятся свободными и называются электронами проводимости.

Выводы по лекции

С точки зрения электропроводимости все материалы можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Принципы проводимости у проводников, диэлектриков и полупроводников разные.

Если поместить рассматриваемый нами объем металла в электрическое поле (подключить к нему источник напряжения), то электрическое поле будет увлекать электроны. Движущиеся в самых различных направлениях электроны под действием сил поля будут несколько изменять траектории своего движения. Электроны, движущиеся вдоль силовых линий электрического поля Е, будут им тормозиться, а электроны, движущиеся в направлении, противоположном направлению сил поля, ускоряться.

Такое упорядоченное смещение электронов в электрическом поле носит название дрейфа. Дрейф электронов в электрическом поле, т. е. упорядоченное движение зарядов в одном направлении, представляет собой электрический ток.

В кристалле германия или кремния атомы располагаются упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются. Взаимодействие внешних электронных оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие орбиты. Эти общие орбиты связывают между собой атомы германия или кремния, образуя так называемые ковалентные, или парноэлектронные связи. На плоской картине ее условно обозначают двумя линиями, соединяющими два узла кристаллической решетки.