Ковалентные кристаллы германий

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как кристаллические вещества, так и некоторые стекла. Полупроводниковые кристаллы могут состоять из частиц, связанных ковалентной связью (германий, кремний, карборунд и др.), т. е, обладать атомной кристаллической решеткой, В настоящее время эта группа полупроводниковых материалов привлекает наибольшее внимание. Однако полупроводниковыми свойствами могут обладать в определенных условиях также и многие кристаллы с ионной или молекулярной решеткой (неорганические и органические). [c.145]

Ковалентные кристаллы. Структурными единицами в кристаллических решетках этого типа являются атомы одного или различных элементов, связь между которыми носит ковалентный характер и осуществляется по всем трем характеристическим осям. Ковалентные кристаллы сравнительно немногочисленны. Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий серое олово, а также кристаллы сложных веществ, таких, как кварц, карбид кремния, сульфид цинка, нитрид алюминия. [c.77]

Энергия кристаллической решетки в кристаллах этого типа фактически совпадает с энергией химической связи и лежит в пределах 200—500 кДж/моль. Так, энергия кристаллической решетки алмаза составляет 480 кДж/моль. Вследствие столь высокой энергии связи ковалентные кристаллы обладают высокими твердостью, температурами кипения и плавления. Диапазон их электропроводящих свойств велик от типичных диэлектриков (алмаз, нитрид бора, кварц) до полупроводников (кремний, германий) и даже электронных проводников (олово). [c.77]

У атомов подавляющего большинства элементов, образующих ковалентные кристаллы (углерод, кремний, германий, серое олово), во внешнем квантовом слое имеются четыре орбитали одна 5-и трир-. При образовании кристалла из атомов эти орбитали расщепляются, образуя две энергетические зоны по орбиталей в каждой, как это показано на рис. 36, б для кристалла алмаза. [c.85]

Чистая поверхность. Разберем в качестве примера свойства совершенно чистой поверхности кристаллов германия или кремния. Атомы этих элементов, находящиеся в объеме кристалла, окружены четырьмя одинаковыми соседями, с которыми образуют четыре примерно равноценных ковалентных связи. Атомы же, находящиеся на поверхности, имеют не более трех соседей и должны поэтому обладать либо несвязанным электроном, либо образовывать между собой двойную ковалентную связь. В обоих возможных случаях средняя энергия химической связи в расчете на один поверхностный атом будет меньше, чем соответствующая энергия для атомов, находящихся в объеме кристалла. Заметим, что именно этими соображениями объясняется существование поверхностного натяжения у всех жидких и твердых тел. Действительно, атомы этих тел стремятся расположиться таким образом, чтобы суммарная энергия химических связей между ними была максимальна. При этом величина выделяющейся работы принимает наибольшее возможное значение. Поскольку средняя энергия химических связей для поверхностных атомов меньше, чем в объеме, увеличение поверхности данного тела сопровождается затратой работы, которая называется работой против сил поверхностного натяжения. Величина поверхностного натяжения определяется поэтому разностью энергий химических связей в объеме и на поверхности кристалла. [c.204]

Многие металлы при сублимации переходят в состояние двухатомных молекул (например, Г12, Сиг, Саг и т. д.). Поскольку энергия атомизации представляет собой энергию сублимации простых веществ и соединений с образованием одноатомного пара, приведенные в табл. 13 значения для таких металлов равны сумме теп-лот сублимации и диссоциации на атомы. Для сравнения в табл. 13 помещены данные по энергии атомизации таких типичных ковалентных кристаллов, как кремний и германий. [c.127]

Одно и то же вещество в твердом и жидком состояниях имеет различную плотность. Обычно плавление сопровождается некото рым увеличением межатомных расстояний, понижением координа ционного числа, т. е. образованием более рыхлой структуры. Вследствие этого плотность жидкости, как правило, меньше, чем плотность соответствующего кристалла. Однако если кристаллы имеют недостаточно плотную упаковку (например, многие ковалентны кристаллы с тетраэдрическими связями), то при плавлении возможно увеличение координационного числа. Тогда плотность жидкого вещества больше плотности его кристаллов. Подобного рода аномалии обнаруживают, например, германий, кремний, галлий, висмут, вода и многие сложные полупроводниковые фазы. [c.240]

Металлическая связь. Металлы отличаются от других веществ высокими значениями электро- и теплопроводности, а их структуры характеризуются высокими координационными числами. О существовании межатомной связи в металлах свидетельствуют энергии атомизации металлов, которые меняются в широких пределах (табл. 12). Для сравнения здесь помещены данные по энергии атомизации таких типичных ковалентных кристаллов, как кремний и германий. [c.94]

Основываясь на равенствах (6.19), (6.20), можно выразить матричные элементы потенциала V в любом базисе через матричные элементы потенциалов 1 [У и АУц и через германовский параметр ионности. Соответственно, Герман на основе постулатов а), б) развил теорию ( теория гетерополярного возмущения ), которая дает возможность выразить переходы в частично ионном кристалле зрез аналогичные переходы в изоэлектронном ковалентном кристалле. Так, в простейшем случае перехода Г д -> по методу Германа нетрудно получить выражение [146] [c.199]

При рассмотрении молекулярных и ионных кристаллов были приведены примеры кристаллов, в которых связь имела частично ковалентный характер. Однако эти кристаллы нельзя было причислить к ковалентным. К ковалентным кристаллам относятся такие кристаллы, в которых ковалентная связь осуществляется между всеми структурными единицами по всем трем направлениям пространства. Ковалентные кристаллы сравнительно немногочисленны. Примерами могут служить алмаз, кремний, германий, серое олово, кварц и карбид кремния. [c.277]

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]

Все ковалентные кристаллы следуют правилу 8 — ТУ каждый атом связан с (8—Ш) ближайшими соседями, где N — порядковый номер грешны, к которой принадлежит данный атом, в таблице Менделеева. Так, углерод, кремний, германий и серое олово, при-надлежащ ие к 4-й группе периодической системы, образуют ковалентные кристаллы типа алмаза каждый атом связан четырьмя (8—4) связями с соседними атомами, все эти связи направлены по в кубической решетке, т. е. по направлениям ребер тетраэдра. Такие же локализованные парные связи суш ествуют в кристалле карборунда [c.145]

Влияние типа структуры и характера связей хорошо видно на примере алмаза и сфалерита. У ковалентных кристаллов алмаза, германия, крем- [c.303]

Подобным образом при введении в качестве заместителей элементов группы П1 — В, А1, Оа, 1п — в решетке германия происходит возрастание числа акцепторных состояний. Для комплектования системы тетраэдрических связей в кристалле германия в присутствии таких примесей требуется один дополнительный электрон, который отрывается у одной из ковалентных связей германия, что приводит к образованию отрицательно заряженного акцепторного состояния и подвижной дырки в валентной зоне. [c.381]

Б. Примесные атомы имеют меньшее число валентных электронов, чем замещаемые ими атомы основного соединения. По отношению к германию таким свойством обладает, например, бор, занимающий место в третьей группе Периодической системы и имеющий в валентной оболочке три электрона. Поскольку для образования насыщенной ковалентной связи в кристалле германия нужно по четыре электрона от каждого атома, примесному атому бора для этого не хватает одного электрона, и один из принадлежащих-ему разрешенных уровней энергии оказывается свободным. Этот уровень может быть заполнен, если при тепловых флуктуациях атом бора захватит недостающий электрон у одного из соседних атомов германия. В результате примесный атом бора превращается в отрицательно заряженный ион, а в валентной зоне кристалла, образуемой уровнями валентных электронов германия, возникает электронная дырка [c.35]

В ковалентных кристаллах, где атомы имеют одинаковую химическую природу (алмаз, германий, кремний и им подобные), необходимость учитывать кулоновский потенциал не возникает. [c.94]

Большинство кристаллических полупроводниковых соединений можно рассматривать как преимущественно ковалентные соединения, в которых из-за разности валентностей и электроотрицательностей установление направленных ковалентных связей достигается в результате появления избыточных зарядов (по отношению к нейтральному состоянию) на атомах компонентов. Величина этих эффективных зарядов может быть определена экспериментально, например путем изучения полос оптического поглощения на колебаниях решетки. Значения эффективных зарядов иногда используют, чтобы характеризовать долю ионной связи в преимущественно ковалентных кристаллах. Принимая, что алмаз, кремний и германий являются чисто ковалентными кристаллами, т. е. что их атомы не несут зарядов (<7 = 0), для ряда соединений были определены следующие значения эффективных зарядов [c.54]

Подобно алмазу, твердые кремний и германий высокой чистоты являются хорошими изоляторами. Однако их электропроводность при появлении некоторых примесей даже в незначительных концентрациях изменяется самым драматическим образом. Например, фосфор, при соотношении 1 к 10 сообщает кристаллам германия электропроводность, потому что атом фосфора с пятью валентными электронами должен занять в узлах решетки положение атома кремния, у которого только четыре электрона. Проводимость, обусловленная наличием примесей, отличает примесные кристаллы как от металлов, так и от ковалентных твердых веществ. Они являются полупроводниками, и их особое поведение используется при изготов- Ленин транзисторов. Прежде чем заняться дальнейшим обсуждением вопроса о полупроводниках, необходимо рассмотреть характер связи в металлах. [c.263]

Германий и кремний образуют ковалентные кристаллы, в которых каждый атом связан с четырьмя другими. При плавлении происходит диссоциация ковалентных связей, координационное число атомов увеличивается до восьми и возникает металлическая связь. Энергия связей 8i—81 больше, чем Ge—Ge, и поэтому кремний плавится при более высокой температуре. [c.175]

В предыдущих разделах главы рассматривались кристаллы алмаза и кремния. Рассмотри.м теперь зависимость между характером связи и структурой. энергетических зон для двух друпгх ковалентных кристаллов — германия и серого олова [186—188]. Как выяснится при этом в дальнейтиел , оценку (4.24) для резонансных интегралов в алмазе и кремнии по всей вероятности нельзя распространить на кристаллы германия и серого олова. Вместе с тем необходимые оценки резонансных интегралов нельзя извлечь из молекулярных данных, так как информация о физико-химических свойствах насыщенных соединений Се Х2 +2 и Sn X2 +2 пока еще более скудна, чем информация о силанах. Поэтому мы ограничимся качественной стороной вопроса, основываясь на данных общего характера о химических свойствах германня и олова. [c.144]

V группы. Атом его содержит 5 валентных электронов . ..4s4p . Из них 4 в кристаллической решетке германия осуществляют связь с соседними атомами, причем мышьяк в виде частицы As закрепляется в этой решетке. Пятый же валентный электрон мышьяка оказывается вне сферы дейстбия ковалентных связей и становится как бы лишним. Он испытывает лишь слабое притяжение со стороны положительно заряженных остовов соседних атомов. Достаточна лишь незначительная затрата энергии (порядка 0,01 эв) для того, чтобы этот электрон вышел из валентной зоны и перешел в зону проводимости. Теперь он может сравнительно свободно перемещаться по всему кристаллу германия. [c.457]

Некоторые элементарные вещества и среди них в первую очередь германий отличаются полупроводниковыми свойствами. Эти свойства обусловлены особым состоянием электронов в кристаллической решетке полупроводников. Германий по структуре кристаллов напоминает алмаз. Каждый атом германия связан с четырьмя другими ковалентными связями. Однако в отличие от алмаза в кристаллах германия валентные электроны закреплены непрочно и под влиянием нагревания или облучения могут, возбуждаясь, отрываться от связываемых ими атомов и свободными уходить в междуузлия решетки. Наличие таких свободных электронов в кристаллах германия сообщает ему некоторую электронную проводимость. При переходе электрона в свободное состояние у данного атома остается свободная орбиталь, так называемая д ы р к а . Эта дырка может заполниться при перескоке валентного электрона соседнего атома, в котором тогда возникает новая дырка. Если при наложении электрического поля свободные электроны будут передвигаться к положительному полюсу, то дырки будут передвигаться к отрицательному полюсу. Это передвижение дырок, равносильное передвижению положительных зарядов, сообщает кристаллам германия еще так называемую дырочную проводимость. В совершенно чистом германии в каждый данный момент число дырок равно числу свободных электронов. Это обусловливает равное значение электронной (п) и дырочной р) проводимости в общей электропроводности чистого германия, значение которой очень невелико. Однако соотношение между числами свободных электронов и дырок в кристалле германия можно изменить. Если в германий ввести даже очень незначительную примесь, например мышьяка, в атомах которого на наружном уровне находится пять электронов, то в кристаллической решетке твердого раствора замещения число свободных электронов окажется больше числа дырок и электронная проводимость в этом случае будет играть решающую роль. Наоборот, если ввести в германий примесь галлия, на наружном уровне атомов которого имеется только три электрона, то число дырок в кристаллической решетке раствора замещения станет превышать число свободных электронов и решающая роль будет уже принадлежать дырочной проводимости. Однако в случае образования с элементарным полупроводником твердого раствора внедрения примесь активного металла усиливает элек- [c.205]

Кристаллическая структура элементов В -подгруппы подчиняется правилу Юм-Розери, согласно которому координационное число фиксированного атома п = 8 — Ы, гд,е N — номер группы периодической системы, в которой находится данный элемент. Например, в кристаллическом иоде и броме (7-я группа) каждый атом имеет по одному ближайшему соседу, что соответствует молекулам Ь и Вгг. Эти молекулы связаны со своими соседями ван-дер-ваальсовыми силами, образуя молекулярные кристаллы. Селен и теллур (6-я группа) образуют кристаллическую структуру в виде спиральных цепочек с координационным числом 2. Атомы элементов пятой группы (Аз, 5Ь, В1) упаковываются в решетке с координационным числом 3 + 3. Углерод, кремний и германий (4-я группа) образуют типично ковалентные кристаллы с координационным числом 4. [c.168]

Вещество будет обладать полупроводниковыми свойствами, если в данном состоянии обеспечиваются условия образования насыщенных парноэлектронных связей хотя бы у одного из компонентов (у анионообразователя). В элементарных полупроводниках ковалентная связь образуется заполнением 5- и /з-орбиталей всех атомов. Эти полупроводники подчиняются так называемому правилу октета 8—М, согласно которому атом в ковалентном кристалле имеет 8—N ближайших соседей (уУ — номер группы Периодической системы). Так, кремний, германий и а-олово имеют координационное число 4 (Л = 4), для полупроводниковых модификаций фосфора, [c.318]

Причиной адсорбции веществ на поверхности твердых и жидких тел является неполная насыщенность химических или вандерваальсовых сил у молекул и атомов (ионов), находящихся в поверхностном слое, так как число соседей всегда меньше, чем у тех, что находятся в объеме. Например, поверхностные атомы кристаллов германия или кремния в лучшем случае связаны ковалентными связями с тремя другими, а не с четырьмя, как в объеме, и поэтому имеют по крайней мере одну ненасыщенную валентность. Во всех случаях средняя энергия связи в расчете на одну молекулу, один атом или ион поверхностного слоя меньше, чем у частиц, находящихся в объеме тела запас же их свободной энергии больше, чем у частиц внутри объема. Частицы конденсированных тел стремятся расположиться так, чтобы суммарная энергия химической связи между ними стала макримальной, а О [c.168]

Причиной адсорбции веществ на поверхности твердых и жидких тел является неполная насыщенность химических или вандерваальсовых сил у молекул и атомов, (ионов), находящихся в поверхностном слое, так как число соседних частиц всегда меньше, чем у тех, что находятся в объеме. Например, поверхностные атомы кристаллов германия или кремния в лучшем случае связаны ковалентными связями с тремя другими, а не с четырьмя, как в объеме, и поэтому имеют по крайней мере одну, ненасыщенную валентность. Во всех случаях средняя энергия связи в расчете на одну молекулу, один атом или ион поверхностного слоя меньше, чем у частиц, находящихся [c.208]

В кристалле германия высокой чистоты каждый атом ковалентно связан с четырьмя другими атомами (ромбическая структура), т. е. в чистом кристаллическом германии свободные электроны отсутствует, поскольку все четыре валентных электрона каждого атома оказываются связанными. Для того чтобы сделать кристалл пригодным для электронных целей, в него вносятся небольшие количества инородных атомов, способных заместить некоторые атомы германия в кристаллической решетке. Если в качестве материала примеси использовать пятивалентный элемент, то каждый из его атомов будет иметь по одному несвязанному электрону, кроме тех, которые участвуют в ковалентных связях. Несвязанные электроны легко покидают свои атомы за счет тепловой энергии и затем свободно блуждают по кристаллической решетке. Атомы примеси превращаются в ионы с единичным положительным зарядом. С другой стороны, если в качестве примеси выбрать трехвалентный галлий, индий или золото, то каждому примесному атому будет недоставать по одному электрону. То место, где электрона не хватает, принято называть дыркой. Некоторые из ковалентно связанных электронов, обладая достаточной тепловой энергией, могут разрывать свои связи и замещать свободные. В результате такого процесса дырки будут блуждать от одного атома к другому внутри кристаллической решетки. То есть дырки 1в германии с трехвалентной примесью ведут себя почти аналогично избыточным электронам в германии с пятивалентной примесью. Однако электроны обычно более подвижны, чем дырки. [c.294]

Химикам следовало бы уделять больше внимания исследованиям твердой фазы [1, 2], значение которой не ограничивается одним лишь гетерогенным катализом. На теоретическое изучение электронного строения твердой фазы затрачено много усилий, причем это относится как к неметаллам, так и к металлам. Среди неметаллов различают молекулярные кристаллы (например, твердый пентан, бром, многочисленные органические соединения), ковалентные кристаллы (например, алмаз, германий) и ионные кристаллы (например, Na l, USO4). [c.321]

Положим, например, что ( / o) Vs это соотношение выполняется для всех кристаллов типа алмаза. Пусть далее величина пРомот/Ро1 принимает любые значения, которые она вообще может принимать для ковалентного кристалла — от 1,7 (алмаз) до 3,4 (германий) — и пусть, наконец, величина х = = sp/ o также принимает любые значения в интервале от О до 1. Тогда допустимыми интервалами для величины (A / o) будут следующие при iSnpoMOT/ o I = 1- и X = О 0,4 < (A / o) < 1,1 при jinpoMox/ o I = 1,7 и X = 0,5 0,3 < (A / o)< [c.151]

Зонную теорию обычно используют для описания ионных кристаллов [104], которые, как правило, являются хорошими изоляторами. Полагают поэтому, что ее можно применять также при описании молекулярных кристаллов. Например, с использованием этой теории рассматривались электрические свойства кристаллов Ь и Зв [102], а также электрические свойства кристаллов типа антрацена [33]. Однако при рассмотрении молекулярных кристаллов встретились затруднения, которых не возникает, например, в случае ковалентных кристаллов типа германия или соединений двух элементов. Бьюб [18] приводит более 100 таких соединений, имеющих тесное соответствие между энергетической щелью и длинноволновой границей поглощения. Изучение всех этих кристаллов несколько осложнено наличием экситонов их спектр вполне определяется энергетической щелью. Дополнительной характеристикой служит и то, что вообще в таких соединениях эффективная масса электрона (а также дырки) имеет примерно тот же порядок величины, что и масса свободного электрона. Молекулярные кристаллы, такие, как антрацен, отличаются от только что обсуждавшихся неорганических соединений тем, что начало сильного поглощения у них непосредственно не связано с энергетической щелью между нижней зоной и зоной проводимости. Край поглощения кристаллом непосредственно связан с краем погло- [c.661]

Рассмотрим на примере германия, как это происходит. Германий, подобно алмазу, имеет тетраэдрическую структуру, но менее упорядоченную, менее прочную. Атомы и кристаллы германия соединены между собой парой электронов. Энергия, сообщаемая кристаллу извне, например при нагревании или при облучении, может быть получена одним из электронов, участвующих в образовании ковалентной связи. Если эта энергия нревысит ту, которая необходима, чтобы вырвать электрон из его связи, электрон оторвется и перейдет к другому атому. Однако ввиду того, что там все места заняты, он перейдет к следующему и т. д. Движение его при этом будет беспорядочным. Именно эти электроны обусловливают электронную проводимость в полупроводниках. В том месте, откуда электрон вышел (где разорвалась или, точнее, ослабла связь), там образуется избыток положительного заряда, или дырка . Электрон соседнего атома может заполнить эту дырку, и тогда она образуется на новом месте и т. д. Движение дырки аналогично движению положительного заряда. Таким образом, в полупроводнике происходит одновременно перемещение электронов и движение дырок , т. е. имеет место и электронная, и дырочная проводимость. Если электрон попадает на место дырки, происходит возвращение к исходному состоянию. Каждой определенной температуре соответствует подвижное равновесие между электронами и дырками сколько электронов проводимости образуется, столько их и исчезает из-за соединения с дырками. [c.266]

Модели дефектов обычно строятся по аналогии с хорошо изученными дефектами в ш,елочногалоидных кристаллах или по аналогии с классическими полупроводниками, с четырьмя валентными электронами. Природа дефектов в ионных кристаллах типа щелочногалоидных и в ковалентных кристаллах, таких как германий, кремний и соединения типа А В, в основном описывается с достаточным приближением в первом случае ионной моделью, во втором случае — зонной теорией полупроводников. И в том и в другом случае заполненные состояния отделены от свободных запрещенной зоной. [c.3]

Структура ковалентных кристаллов алмаза, кремния и германия определяется тетраэдрической координацией атомов в результате установления химических связей зрз. Каждый атом находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположено четыре других атома. Такой тетраэдр может быть вписан в куб (см. рис. 1.20). Однако структуру алмаза нельзя получить путем набора таких кубов, поскольку в этом случае каждый атом имел бы восемь ближайших соседей и обладал бы объемноцентриро-ванной решеткой. В алмазной решетке каждый куб, содержащий центрированный тетраэдр, отделен от соседнего центрированного куба нецентрированным кубом такого же размера. Бесконечно повторяющимся элементом, который образует решетку алмаза, является поэтому большой куб, содержащий восемь октантов, из которых четыре центрированы, а четыре не центрированы (рис. 1.23). Обозначим сторону этого большого куба через а и примем ее за постоянную решетки алмаза. Расстояние между двумя ближайшими соседними атомами тогда будет равно [c.65]