4. Методологические подходы к анализу свойств п/п.

Сущ. Несколько подходов к анализу свойств п\п: электронный, химический(атомный), квазихимическй и физико-химический.

Химический: Увеличение взаимодействия между приместными атомами не ограничив. Образованием примесной зоны, а может носить как бы химический характер, т.е. приводить к образованию ассоциаций(примесь-основоной кристалл), которые могут при достаточной концентрации выпадать в виде включений второй фазы. Если концентрация не настолько велика, то примеси, находясь в однофазном растворе, могут существенно влиять на свойство кристалла.

Квазихимический метод: наиболее общий метод анализа процессов происходящих в реальных кристаллах при ионизации примесей. Из-за существования дефектов, примесей и лигир. добавок в кристаллах п/п устанавливаются сложные взаимодействия, которые включают в себя обозначения материальных частиц, природу, местоположение и заряд дефектов.

Решение этих уравнений с учетом принципа электронейтральности и закона действующих масс, позволяет определить при каких условиях проявляется легирующее действие примесей, т.е. теоретически решается задача легирования реального кристалла.

Физико-химический метод: основан на анализе фазового равновесия в системе примесь- п/п. Согласно опытам, примеси можно разделить на электроактивные и электронеактивные. Электроактивные делятся на однозначно активные(либо донорные либо акцепторные), и амфотерно активные (часть примеси донор, часть акцепт. Свойства).

При легировании п/п примесью, образуются твердые растворы внедрения и замещения. Этот факт является решающим при установлении электр. активности примеси.

Т.о. анализ свойств п/п с целью создания приборов с необходимыми свойствами требует комплексного решения с использованием физич. статистики, физики, ФХ, и материаловедения п\п.

5. Ближний порядок

Он определен химической природой атомов образующих данное вещество, т.е валентностью, длиной и углом химических связей. Как правило, полагают, что область ближнего порядка включает атомы являющиеся ближайшими соседями атомов выбранных за центральные и входящие в так называемую первую координационную сферу. Параметры ближнего порядка: число ближайших соседей-атомов (1 ^ое коорд. число), их тип, расстояние от них до центрального атома(радиус первой координационной сферы), их угловое распределение относительно центрального атома.

Ближний порядок играет определяющую роль для свойств п/п: ширина З.З., форма запрещ. уровня, эффективная масса носителей, подвижность носителей, теплопроводность, фотопроводимость и т.д.

Первичная характеристика п/п – структура электронных облаков в элемент. ячейке.

Из характера валентных связей в ячейке вытекают физ, и химические свойства п\п.

6. Структура энергетических уровней в изолированных атомах Si и Ge.

e в изолиров. атомах, распределяются дискретно по энергетическим уровням. Строение этого энергетического спектра определяется набором квантовых чисел. Например Si имеет на электронных орбиталях – 14e, а Ge – 32e. Емкость электронной оболочки конечна, и строго определена. Этот факт обусловлен квантовым характером рассм. частиц. Оболочка К может содержать 2e, L-8е, М-18е, N-32e и т.д.

Каждая оболочка в свою очередь подразделяется на подуровни s-2e, p-6e, d-10e, f-14e

Таким образом можно показать распределение e для Si и Ge.

Такое распределение по уровням удовлетворяет двум принципам.

1. Условие минимуму энергии

2. Принцип Паули.

В химической реакции могут участвовать только e с внешних слоев, внутренние оболочки практически нейтральны.

7. Химическая связь а кристаллах Si и Ge; Sp3 гибридизация.

- ковалентная связь

- ионная связь

- металлическая связь

- связь Ван-дер-Ваальса(молекулярная связь)

Ковалентная связь: объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов.

Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрывются взаимодействующие электронные облака.

Также ков. связь может образов за счет неподеленной Эл. пары одного атома донора и свободных орбиталей другого акцептора (донорно акцепторная связь.) Пример А^IIIВ^V, А^IIВ^VI.

Для оценки способности атомов притягивать к себе общую Эл-ye. пару при образовании химич-кой связи используется понятие электроотрицательности.

При образовании связи существуют следующие случаи.

1. молекула образуется из 2-х одинаковых атомов (неполярная ковалентная связь)

2. если электроотрицательности слабо различаются (полярная ковал-ная связь)

3. резко отлич электроотрицательности (ионная связь)

Не сущ. определенной границы между ионной и ковалентной связями можно говорить о долевом соотношении этих связей.

4. металлическая связь. Валентные e принадлежат не нескольким атомам, а всему кристаллу . Они не локализованы вблизи своих атомов и представляют собой электронный газ. Металлич. связь характерна для металлов и сплавов.

Металлические и ковалентные связи могут действовать между идентичными атомами и назыв. гомополярными, ионная- между ионами различных элементов –гетерополярная.

5. Связь Ван-дер-Ваальса обусловлена взаимодействием электрически нейтральных в целом молекул и атомов. Поэтому взаимодействие имеет химическую природу и связано с наличием у молекул и атомов постоянных и мгновенных диполей. Силы притяжения в этом случае делятся на индуцированные, ориентационные и дисперсные.

sp3 гибридизация.

На электроннвх оболочках Si и Ge находятся по 2 неспаренных е. При сближении атомов оболочки перекрываются, и образуются 2 гомополярные связи. Однако для устойчивой конфигурации необходимо наличие 4-ех е в образовании связи. В результате того что электронное облако 3s² для Si и 4s² для Ge находится вблизи поверхности, то более устойчивым строением внешних оболочек является 3s3p³для Si и 4s4p³ для Ge, т.е. один e с s-уровня переходит на р-уровень. Это явление называется sp3 гибридизацией. Электронные пары стремятся выстроиться в пространстве по углам правильного тетраэдра. Гомополярные связи являются жесткими потому-что отвечают высоко концентрации между ближ. атомами, и жестконапрвленными в пространстве. Угол между связями составляет 109⁰28`

8.Сторение кристаллической решетки в Si и Ge.

В кристаллах конфигурация ковал связей обуславливает координационное число и структуру кристаллов. Т.к. в Si и Ge при сближении атомов не может образоваться больше 4-х связывающих орбит на на каждый атом, то это значит, что Si и Ge имеют кристаллическую решетку типа алмаз.

Ретикулярные плотности

2/a²

{100} {110} {111}

По расчетам, наиболее плотно упакованы плоскости {110}

Реально: {111}