Германий структура типа алмаза

Атомные решетки. В кристаллических решетках атомного типа каждый узел пространственной решетки представлен нейтральным атомом. Все атомы размещены на одинаковом расстоянии друг от друга. Число близлежащих атомов, окружающих кал<дый атом, равно максимальной валентности данного элемента. Атомную структуру имеют алмаз, графит, твердый кремний [51]п, твердый бор [В]п, карборунд 51С, германий и др. На рис. 18 изображены атомные кристаллические решетки алмаза и графита. Как видно из рис 18, а, атомы углерода в алмазе располагаются по узлам двух кубических решеток, вставленных одна в другую. Каждый атом углерода непосредственно соединен с четырьмя другими на довольно близком одинаковом расстоянии. Расстояние между центрами соседних атомов углерода 1,54 А, что обусловливает большую плотность и наибольшую твердость кристалла алмаза, отсутствие свобод- [c.73]

Рис. 2.3. Структура типа алмаза кристаллов кремния 81 и германия

Физическая природа ковалентной связи в твердых телах та же, что и в молекулах. Сила притяжения возникает в результате концентрации электронного облака вдоль прямых, соединяющих соседние ядра. Типичными примерами кристаллов с почти чистой ковалентной связью являются кристаллы алмаза, кремния, германия, карбида кремния (Si ). Все они имеют структуру алмаза , показанную на рис. 2 ее следует сравнить со структурой молекулы метана (рис. 17). В решетке типа алмаза ребра элементарной ячейки не совпадают с направлением валентных связей. [c.46]

Физические и химические свойства. В компактном состоянии германий представляет собой хрупкое вещество серебристо-серого цвета с желтоватым отливом и металлическим блеском. При обычных условиях германий кристаллизуется в структуре типа алмаза и обладает ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Однако при высоких давлениях германий претерпевает полиморфные превращения, образуя сначала тетрагональную структуру -олова, а затем и более плотно упакованную ОЦК-структуру. Это сопровождается увеличением координационного числа и появлением металлических свойств. [c.217]

В ряду Ое — 8п — РЬ отчетливо усиливаются металлические свойства простых веществ. Германий серебристо-белого цЕ ета, по внешнему виду похож на металл, но имеет алмазоподобную решетку. Олово полиморфно, существующая в обычных условиях р-модифи-кация ( белое олово) устойчива выше 13,2°С это — серебристо-белый металл тетрагональной структуры с октаэдрической координацией атомов. При охлаждении белое олово переходит в а-модификацию ( серое олово) со структурой типа алмаза (пл. 5,85 г см ). Переход Р- в а-модификацию сопровождается увеличением удельного объема (на 25,6%), в связи с чем олово рассыпается в порошок. Свинец — темно-серый металл с типичной для металлов структурой гранецентри-рованного куба. [c.483]

Германий и кремний —типичные полупроводники со структурой типа алмаза. В кристалле каждый атом Се (51) находится в центре тетраэдра, вершинами которого являются четыре ближайших атома. [c.303]

В группе 1УБ разница между свойствами первого и последнего членов группы максимальна. От неметаллических элементов—углерода и кремния, через германий — металлоид, с промежуточными свойствами, происходит переход к олову и свинцу, которые являются металлами. Углерод и кремний имеют ковалентную макромолекулярную структуру. Углерод (исключая графит) является изолятором. Кремний и германий обладают полупроводниковыми свойствами. Олово и свинец, имея металлическую структуру, электропроводны, кроме а-олова со структурой типа алмаза. [c.504]

Германий и антимонид индия кристаллизуются в структуре типа алмаза и сфалерита с координационнхйм числом [c.86]

Элементарный углерод существует в двух кристаллических формах — в виде алмаза (который уже обсуждался в гл. 10) и графита. Структура алмаза с тетраэдрическими углами между связями, образуемыми гибридизованными 5р -орбиталя-ми, присуща и другим элементам IV группы. Однако можно заранее предвидеть, что по мере увеличения длины связей твердость кристаллов со структурой алмаза должна уменьшаться. В ряду элементов IV группы тетраэдрической структурой алмаза обладают углерод, кремний, германий и серое олово межатомные расстояния увеличиваются в этом ряду от 1,54 А у углерода до 2,80 А у серого олова. По этой причине прочность связей уменьшается от очень большой у алмаза до очень слабой у серого олова. Серое олово представляет собой настолько мягкое вещество, что существует в форме микрокристаллов или просто порошка. Для элементов IV группы с кристаллической структурой типа алмаза характерно наличие диэлектрических свойств (другими словами, они являются изоляторами) и других ярко выраженных неметаллических свойств. [c.398]

Металлы, находящиеся в периодической системе на границе с неметаллами, кристаллизуются в структурах с меньшими координационными числами. Например, для кремния, германия, а-оло-ва характерен структурный тип алмаза (см. рис. 4.9) с к. ч. = 4. Мышьяк, сурьма и висмут кристаллизуются в структурном типе мышьяка (см. рис. 4.11) с к. ч. = 3. В структурах этих элементов существует определенный вклад ковалентных связей (промежуточный тип связи между металлической и ковалентной). Большинство переходных металлов, как, например, марганец и хром, отдают на образование связи сравнительно много электронов, благодаря чему, кроме ковалентной, в них действует и металлическая связь. [c.217]

Тетраэдрические структуры типа алмаза (кремний, германий, серое олово) весьма рыхлы. Это возможно в структурах, где действуют ковалентные, а не ионные силы связи. В то же время такие кристаллы обладают высокой твердостью (алмаз — самый твердый минерал), имеют большие теплоты и температуры плавления. [c.187]

К этой группе полупроводников относятся алмаз, графит, кремний, германий, серое олово (а-5п) и система твердых растворов германия и кремния. Все эти вещества кристаллизуются в структуры типа алмаза. [c.238]

Следствием этого является правило координационного числа (8 — п) для элементов с ковалентно/ связью число ближайших соседей атома равно 8 — п, где п — количество электронов во внешней электронной оболочке. Правило зачастую оправдывается для непереходных элементов, которые обладают четырьмя или более электронами во внешней оболочке. В соответствии с этим правилом, например, для С, 51, Ое, 5п и РЬ следует ожидать 8 — 4 = 4 соседей. Действительно, в структурах типа алмаза мы находим именно такое количество ближайших соседей для каждого атома. Представителями этого типа, кроме алмаза, являются еще кремний, германий, а также олово в виде модификации серого олова . Из числа максимально пятивалентных элементов N. Р, Аз, 5Ь и В азот как простое вещество существует в форме двухатомных молекул фосфор, как и следовало ожидать, по правилу координационного числа (8 — п) образует молекулы белого фосфора Р (фиг. 51), а также слоистые структуры черного фосфора Р рб мышьяк дает слоистые структуры о Аз тг (фиг. 52). [c.88]

Радикальные изменения энергетического спектра электронов вызываются гетеровалентными примесями, атомы которых по числу валентных электронов отличаются от замещаемых ими атомов полупроводника. Для определенности рассмотрим влияние гетеровалентных примесей в типичном полупроводнике с ковалентными связями — германии, имеющем структуру типа алмаза. [c.33]

Такова же конфигурация первой зоны Бриллюэна и в структурах типа алмаза (кремний, германий, олово). Для структур, основанных на гексагональной решетке (например, бериллий и магний), зоны Бриллюэна ограничены двадцатью плоскостями типа (1100), (1101) и (0002). Существенно, что объем зоны, а значит, и максимальное количество электронов, которое она способна вместить, оказывается зависящим от отношения осей [c.15]

Для структур типа алмаза суммирование поперечной оптической и поперечной акустической однофононных ветвей дает чрезвычайно уплощенную комбинированную ветвь и, следовательно, высокую плотность состояний. Практически спектры кристаллов алмаза, кремния и германия обнаруживают характеристический пик на соответствующей частоте. [c.233]

Структура типа алмаза обнаружена также у элементных кремния и германия и при низких температурах у модификации олова, называемой серым оловом. Однако свинец имеет кубическое строение, характерное для металлов. [c.155]

При легировании полупроводника примесью образуются как-твердые растворы замещения, так и твердые растворы внедрения Электрическая активность примесей характеризуется в основном числом и распределением связей атома примеси с соседними атомами основного вещества. Известно, что в кристаллах со структурой типа алмаза (германий, кремний, алмаз) акцепторами являются элементы третьей группы, атомы которых устанавливают связь только с тремя из четырех окружающих их атомов и генерируют, таким образом, дырку, а донорами — элементы пятой группы, у которых после установления связей со всеми четырьмя соседними атомами остается один свободный электрон, легко переводящийся в зону проводимости. [c.163]

Наконец, ковалентные структуры типа алмаза, присущие углероду, кремнию, германию и серому олову, возникают вследствие разрушения непрочной спиновой связи двух электронов на -уровнях и возбуждения всех четырех электронов на р-уровни. Четыре орбитали, сопряженные в одном центре, вследствие отталкивания раздвигаются на максимальные, т. е. тетраэдрические, углы. Образование двухэлектронных связей с четырьмя соседними атомами приводит к структуре алмаза (см. рис. 96, д). [c.212]

Олово существует в двух полиморфных модификациях, причем низкотемпературная (a-Sn — серое олово) обладает кристаллической решеткой типа алмаза и полупроводниковыми свойствами, а высокотемпературная ( -Sn — белое олово), хотя и представляет собой металл по физическим свойствам, тем не менее кристаллизуется в малохарактерной для металлов тетрагональной структуре. С химической точки зрения олово ближе примыкает к германию, чем к свинцу, но металлический характер этого элемента выражен более ярко, чем у германия. Единственным типичным металлом в этой подгруппе является свинец. В виде простого вещества он кристаллизуется в плотноупакованной ГЦК структуре с координационным числом 12. В своих соединениях он выступает в основном в качестве катионообразователя. [c.215]

В лаборатории автора впервые было показано на примере германия и кремния, что расположение атомов в поверхностных монослоях граней (100) и (111) полупроводников не совпадает с их расположением в тех же плоскостях в объеме [15]. Об этом свидетельствует возникновение по некоторым направлениям дифракционных потоков дробного порядка от поверхностных решеток. Позднее было найдено, что подобное явление имеет место во всех исследованных кристаллах с кристаллической решеткой типа алмаза, включая полупроводящий алмаз и некоторые интерметаллические соединения. Оказалось, что кремний имеет значительно более сложную структуру поверхности, чем германий. По некоторым осям наблюдалось несколько дробных порядков, меньших /2. [c.327]

К первой группе относятся, например, кристаллы германия и кремния, в которых точечные дефекты возникают при растворении в них небольших количеств элементов III и V групп периодической системы с образованием твердых растворов замеш ения. В качестве примера рассмотрим германий, кристаллическая структура которого относится к типу алмаза. В кристаллической решетке германия могут размещаться небольшие количества фосфора или мышьяка, причем каждый атом примеси занимает регулярное место в решетке (см. рис. 12). Но каждый атом фосфора имеет пять валентных электронов. Распределение этих электронов можно представить себе следующим образом четыре из них делятся с каждым соседним атомом германия (образуя ковалентные связи, подобные таковым между смежными германиевыми атомами), а пятый электрон становится квазисвободным. Он весьма [c.221]

Характеристика элементов IVA-группы. К IVA-rpynne элементов, помимо типических, относятся элементы подгруппы германия Ge, Sn и Pb. Их валентная электронная конфигурация (ns np в невозбужденном состоянии) обусловливает возможность проявления свойств и катионо- и анионообразователей. Кроме того, эти элементы непосредственно примыкают к границе Цинтля справа и число валентных электронов достаточно для образования структур с ковалентной связью у соответствующих простых веществ с координационными числами согласно правилу Юм-Розери 8—N. Действительно, для гомоатомных соединений (кроме свинца и -олова) характерна кристаллическая решетка типа алмаза с координационным числом 4. Однако преимущественно ковалентная связь и кристаллах соединений в действительности реализуется далеко не всегда. Причиной этого является вторая особенность IVA-группы, заключающаяся в том, что здесь наиболее рельефно прослеживается изменение свойств от типично неметаллических (С) до металлических (РЬ). Поэтому тяжелые представители этой группы (РЬ, Sn), т. е. элементы с большой атомной массой, характеризуются плотно-упакованными структурами в свободном состоянии. [c.214]

Очевидно, в ряду элементов IV группы происходит следующее. Разность энергий х- и р-состояний углерода такова, что в определенных условиях возможно существование как электронной конфигурации 5 р2 (графит), так и электронной конфигурации хр (алмаз). При переходе к кремнию возрастает главное квантовое число, уменьшается энергетическая полоса между 5- и р-электронами и значительно увеличивается вероятность х -> р-перехода, вследствие чего для кремния и германия энергетически выгодна одна электронная конфигурация (хр ) и имеется одна стабильная кристаллическая структура типа сфалерита (сходная с алмазом). Для олова, вследствие появления внутреннего 4 -состояния, увеличивается энергетическая полоса между х- и р-состояниями электронов и снова становятся равновероятными х р - и хр -электронные конфигурации (ос- и р-5п). У свинца в связи с заполнением 4/-состояния разность энергий 5- и р-состояний увеличивается настолько, что 5 р-пере-ходы оказываются маловероятными, вследствие чего существует только одна модификация свинца, соответствующая электронной 5 р2-конфигурации. [c.170]

Далее этому правилу следуют фосфор, мышьяк, сурьма и висмут, в кристаллах которых 2=3. Углерод, германий, кремний и олово (при низких температурах) тоже подчиняются правилу 8—Л/. Они могут иметь структуру типа алмаза. Тогда каждый атом окружен четырьмя / ругими атомами, которые размещены симметрично в нерШРгнгх правильного тетраэдра. [c.171]

В природе широко распространены атомные кристаллы (кристаллы с ковалентной связью) типа кристаллов кремния, германия и т.п., в которых соседние атомы соединены ковалентной связью. На рис- 2.3 показана правилы ая тетраэдрическая структура типа алмаза, в которой соседние ат( 1ы 51 и Се соединены ковалентными связями. На поверхности ковалентные связи обрываются образуются так называемые "висячие" связи. Наиболее простым соединением, имеющим тет- [c.14]

Поскольку изменения вибрационной энтропии при образовании как вакансий, так и межузельных атомов всегда значительно меньше соответствующих энтальпий образования, то концентрация того или иного вида дефектов определяется в первую очередь величиной энтальпии образования. Расчеты показывают, что для плотно упакованных металлов концентрация атомов в междоузлиях на много порядков меньше концентрации вакансий. В случае же элементарных полупроводников со структурой типа алмаза объем междоузлий и их окрул-[ение мало отличаются от нормальных узлов и, следовательно, переход атома из узла в междоузлие не сопровождается появлением столь большой энергии деформации, как в плотно упакованных металлах. Поэтому концентрация межузельных атомов в кристаллах со структурой типа алмаза может быть того же порядка, что и концентрация вакансий. Однако не существует каких-либо данных о влиянии межузельных атомов на свойства кремния или германия, и можно считать, что концентрация атомов в междоузлиях достаточно совершенных кристаллов в общем случае незначительна. Необходимо обратить внимание на то, что между равновесными концентрациями вакансий и межузельных атомов в чистых элементарных кристаллах отсутствует какая бы то ни было связь. Это объясняется тем, что поверхность кристалла (внешняя или внутренняя) всегда играет роль либо источника, либо стока вакансий. Между кристаллами с точечными дефектами Шоттки и кристаллами с дефектами Френкеля имеется принципиальное различие. [c.169]

В. М. Гольдшмидт в свое время обратил внимание на полезность сопоставления свойств электронных аналогов. При этом не различались электронные и электронно-ядерные аналоги. Это кажется упущением. Условимся прежде всего о терминологии. Будем называть электронными аналогами простые вещества и химические соединения, имеющие изоструктурные элементарные ячейки и одинаковое количество валентных электронов. Так, простые вещества — кремний, германий, а-олово — являются электронными аналогами со структурой типа алмаза. Электронно-ядерными аналогами условимся считать химические соединения и простые вещества, имеющие изоструктурные элементарные ячейки и одинаковый суммарный заряд ядра 2Z двух атомов-партнеров. Под изострук-турными элементарными ячейками будем понимать либо ячейки одного и того же типа, например типа алмаза, либо ячейки двух (или даже нескольких кристаллографически разных типов), но с аналогичными позициями атомов в ячейке, как, например, в случае типов алмаза и сфалерита. [c.535]

При образовании гомоатомных соединений (простых веществ) все эффекты, связанные с разностью электроотрицательностей взаимодействующих атомов, исключаются. Поэтому в простых веществах не реализуются полярные, а тем более преимущественно ионные связи. Следовательно, в простых веществах осуществляется лишь металлическая и ковалентная связь. Следует при этом учесть и возможность возникновения дополнительного ван-дер-ваальсов-ского взаимодействия. Преобладание вклада металлической связи приводит к металлическим свойствам простого вещества, а неметаллические свойства обусловлены преимущественно ковалентным взаимодействием. Для образования ковалентной связи взаимодействующие атомы должны обладать достаточным количеством валентных электронов. При дефиците валентных электронов осуществляется коллективное электронно-атомное взаимодействие, приводящее к возникновению металлической связи. На этой основе в периодической системе можно провести вертикальную границу между элементами П1А- и 1УА-групп, слева от которой располагаются элементы с дефицитом валентных электронов, а справа — с избытком. Эта вертикаль называется границей Цинтля Ее положение в периодической системе обусловлено тем, что в соответствии с современными представлениями о механизме образования ковалентной связи особой устойчивостью обладает полностью завершенная октетная электронная 5 /гр -конфигурация, свойственная благородным газам. Поэтому для реализации ковалентного взаимодействия при образовании простых веществ необходимо, чтобы каждый атом пмел не менее четырех электронов. В этом случае возможно возникгювение четырех ковалентных связей (5/) -гибридизация ), что и реализуется у элементов 1УА-группы (решетка типа алмаза у углерода, кремния, германия и а-олова с координационным числом 4). Если атом имеет 5 валентных электронов (УА-группа), то до завершения октета ему необходимо 3 электрона. Поэтому он может иметь лишь три ковалентные связи с партнерами (к. ч. 3). В этом случае кристалл образован гофрированными сетками, которые связаны между собой более слабыми силами. Получается слоистая структура, в которой расстояние между атомами, принадлежащими одному слою, намного меньше, чем между атомами различных слоев (черный фосфор, мышьяк, сурьма) [c.29]

Германий тоже кристаллизуется в решетке типа алмаза. Каждый его атом окружен четырьмя другими, находящимися на расстоянии 0,243 нм. Кристалл хорошо очищенного германия — полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 0,72 эВ. Электропроводность порядка 10 Ом" - м растет с температурой. Плавление германия сопровождается увеличением координационного числа от 4 до 7. Одновременно возрастает и межатомное расстояние до 0,28 нм [19, 33, 34]. Резкое изменение структуры при плавлении сопровождается очень большим приростом энтропии, Д5пл=28,85 Дж/К X Хмоль, и скачкообразным увеличением электропроводности. Жидкий германий — металл (подробнее см. [21, 33]). Фазовые диаграммы германия и кремния похожи. Кривые плавления имеют отрицательные производные с1Т1йР. [c.202]

Структура поверхности алмаза замечательна в том отношении, что существуют доказательства ее отличия от структуры других веществ, имеющих такую же кристаллическую решетку. Вольф и Броудер [16], обнаружившие различие в особенностях микроспайности германия и кремния, с одной стороны, и алмаза, с другой, приписывают это различие изменению структуры поверхностных слоев при раскалывании германия и кремния, но не алмаза. На основании рассмотрения энергетики связей Грин и Сайвэтц [17] пришли к выводу, что на гранях (100) алмаза перегруппировка типа обнаруженной для германия и кремния не происходит или происходит в малой степени. [c.327]

Возьмем теперь любой кристалл с решеткой алмаза. Тогда, как следует из формул (3.24), (3.26), все дважды вырожденные р-состоя-ния, описываемые ветвью закона дпснерсии е = 6 74 (к), располагаются для полосы проводимости всегда выше трехкратно вырожденного р-состояния Г15. Поэтому уровни XI и 3 обязательно находятся выше уровня Г з, и для качественного описания структуры полосы проводимости в кристалле типа алмаза остается лишь сравнить энергии уровней Г, ,, Г , и а такж уровней и и 7 на краю Ь первой зоны. Здесь и далее через и и для удобства будем обозначать уровни, принадлежащие тем ветвям закона дисперсии, которые в центре зоны Г переходят, соответственно, в состояния Гз-и Г15. Таким о азом, в обычных обозначениях для алмаза и кремния Ь = а для германия и серого олова, наоборот. [c.135]

Наиболее часто используемьш полупроводникам (германию или кремнию), которые кристаллизуются по типу алмаза, сопутствуют в качестве примесей элементы третьей или пятой групп периодической системы. Наличие в кристаллической структуре четырехвалентного элемента (Ое, 31) трехвалентных атомов (А1, 1п, Оа или В) приводит к вырыванию части электронов и нарушению ковалентных связей, соединяющих атомы четырехвалентного элемента (рис. 5.10,а). Эти электроны дополняют недостающий четвертый электрон трехвалентной примеси, так как координационное число всех атомов в кристаллических структурах кремния или германия равно 4. Трехвалентные примеси называются акцепторами — они принимают электроны, образуя дырки проводимости . Кроме дырок проводимости существует небольшое скопление свободных электронов, образованных тепловыми колебаниями атомов структуры. Дырки и свободные электроны движутся под действием [c.192]

Система Ое—81. Одинаковая структура кристаллических решеток (тип алмаза) германия и кремния и незначительное различие в величине элементарной ячейки (около 4%) являются причинами образования непрерывного ряда твердых растворов (замещения) этих элементов. Экспериментально разработанная Штером и Клеммом [200] диаграмма состояния системы Ое—51 (рис. 33) на основании исследования восьми сплавов показывает, что здесь [c.80]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология