Строение и свойства вещества
го уровня на более
высокий не требует больших затрат энергии.
Заполнение электронами МО, составляющих непрерывную энергетическую
зону, происходит в порядке возрастания энергии, согласно принципу Паули. В
кристалле натрия при образовании N MO, только N/2 MO будут заняты
электронами, т.к. у атома Na на каждой валентной 3S АО находится по 1
электрону, а на каждой МО будет располагаться по 2е с противоположными
спинами.
Совокупность энергетических уровней, занятых валентными электронами,
составляет валентную зону.
Энергетические уровни, незаполненные электронами, составляют зону
проводимости.
В кристаллах проводников валентная зона находится в непосредственной
близости от зоны проводимости и иногда перекрывается с ней. Е –
энергетический барьер близок к нулю. (см. рис.1)
Рис1. Расположение энергетических зон в кристаллах:
- зона проводимости; - валентная зона; (((Е=запрещенная зона
Электроны валентной зоны при их незначительном возбуждении могут легко
перейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, что
обеспечивает высокую проводимость металлов.
У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большим
энергетическим барьером (>4эВ). Валентные электроны не могут попасть в зону
проводимости даже при передаче им значительного кол-ва энергии, т.к.
электроны не могут свободно перемещаться по всему объёму кристалла,
проводимость в кристалле отсутствует.
Ширина запрещённой зоны проводников невелика – от 0.1 до 4эВ. При
низких температурах они проявляют свойства изоляторов. С повышением
температуры энергия валентных электронов возрастает и становится
достаточной для преодоления запрещённой зоны. Происходит перенос
электрических зарядов, полупроводник становится проводником.
1.3. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Дефекты
реальных кристаллов.
К типичным собственным полупроводникам относятся В, Si, Ge, Te,
Sn(серое) и др. на каждом энергетическом уровне валентной зоны у них
находится по 2 электрона (см. рис.2)
Рис2. Собственная проводимость
После получения кванта энергии связь между этой парой электронов
нарушается и один электрон покидает валентную зону, переходя зону
проводимости. В валентной зоне на его месте остаётся вакансия (+)-дырка.
При наложении внешнего электрического поля электроны, перешедшие в зону
проводимости, перемещаются к А(+), в валентной зоне электрон, находящийся
рядом с дыркой (+), занимает её место, появляется новая дырка и т.д. Таким
образом, дрейф электрона к А(+) эквивалентен дрейфу дырки к К(-).
Электропроводность, обусловленная одновременным участием в
проводимости е и р, называется собственной или электронно-дырочной
проводимостью (n – p) типа. Для каждого полупроводника собственная
проводимость наступит при разных величинах температур, которые тем выше,
чем больше величина запрещённой зоны полупроводника. В настоящее время
известно 13 кристаллических модификаций простых веществ обладающих
полупроводниковыми свойствами. Они находятся в главных подгруппах 3 – 7
групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
3-я группа – В; 6-я группа – S, Se, Te;
4-я группа – S, Si, Ge, Sn; 7-я группа – I.
5-я группа – P, As, Sb, Bi;
В кристаллах простых веществ этих элементов ковалентный или близкий к
нему характер химической связи. Ширина запрещённой зоны зависит от
прочности ковалентной связи и структурных особенностей кристаллических
решёток полупроводника.
К полупроводникам с узкой запрещённой зоной относятся Sn(серое), Р –
чёрный, Те. Заметный перенос электронов в зону проводимости наблюдается уже
за счёт лучистой энергии.
К полупроводникам с широкой запрещённой зоной относятся Bi, Si – для
осуществления проводимости требуется мощный тепловой импульс; для Салм. - (-
облучение.
Получить идеальный кристалл как естественным, так и искусственным
путём практически невозможно. Кристаллы, как правило, имеют дефекты в виде
структурных нарушений или примесей атомов других элементов. Дефекты
кристаллов приводят к усилению дырочной, электронной проводимости или
появлению дополнительной ионной проводимости.
Усиление примесной проводимости n-типа происходит, если в кристалле Ge
один из атомов замещен атомом Р, на внешнем энергетическом уровне которого
находится 5 валентных электронов, 4 из которых образуют ковалентные связи с
соседними атомами Ge, а один электрон находится на свободной орбитали у
атома фосфора. При передаче кристаллу Ge небольшой энергии (4,4 кДж/моль)
этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и проникает из
валентной зоны через запрещённую зону в зону проводимости, т.е. служит
переносчиком тока. В целом же кристалл Ge остаётся электронейтральным
(рис.3). Примеси в кристаллах, атомы которых способны отдавать электроны,
усиливая электронную проводимость, называются донорами. По отношению к Ge,
Si – это р-элементы 5-й группы, а также Аu и ряд других элементов.
а) б)
=Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge=
=Ge====P=====Ge= =Ge====Al====Ge=
=Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge=
Рис.3 Примесная проводимость: а) n-типа; б) р-типа
Усиление примесной проводимости р-типа происходит, если в кристалле Ge
или Si один из атомов замещён атомом Al, на внешнем энергетическом уровне
которого находится только 3 электрона, то при образовании 4-х ковалентных
связей с атомами Ge образуется дефицит одного электрона в каждом узле
кристаллической решётки, содержащей атом Аl (рис.3).
При передаче кристаллу небольшой энергии (до 5,5 кДж/моль), атом Al
захватывает электрон с соседней ковалентной связи, превращаясь в (-)
заряженный ион. На месте захваченного электрона образуется (+) дырка.
Если поместить кристалл в электрическое поле, (+) дырка становится
носителем заряда, а электрическая нейтральность атома сохраняется.
Примеси в кристаллах полупроводников, атомы которых способны усиливать
в них дырочную проводимость, называются акцепторами.
Для кристаллов Ge и Si – это атомы р-элементов 3-й группы, а также Zn,
Fe и Mn. Таким образом, варьируя природой и концентрациями примесей в
полупроводниках, можно получить заданную электрическую проводимость и тип
проводимости. Широкое применение полупроводников привело к созданию сложных
полупроводниковых систем на основе химических соединений, чаще всего,
имеющих алмазоподобную кристаллическую решётку: AlP, InSb, Cu2O, Al2O3,
PbS, Bi2S3, CdSe и др.
Дефекты в реальных кристаллах могут возникать не только в результате
примесей атомов других элементов, но и теплового движения частиц,
формирующих кристалл. При этом атомы, молекулы или ионы покидают свои места
в узлах кристаллической решётки и переходят или в междоузлия или на
поверхность кристалла, оставляя в решётке незаполненный узел – вакансию
(см. рис 4).
а) о о о О б) о о о о
о о о о о о о
О
о о о о о о о
о о о о о о о о
Рис.4 усиление проводимости при наличии дефектов кристаллов:
а) выход частиц из узла решётки на поверхность кристалла;
б) выход частиц из узла решётки в междоузлие.
Точечные дефекты в ионных кристаллах существенно влияют на их
проводимость. Под действием электрического поля ближайший к вакансии ион
переходит на её место, в точке его прежнего местоположения создаётся новая
вакансия, занимаемая в свою очередь соседним ионом. Подобные “перескоки”
ионов реализуются с большой частотой, обеспечивая ионную проводимость
кристалла.
1.5. Индивидуальное задание
1) Какие связи имеются в кристаллах, образованных элементами с
порядковым номером 40, 2, 82? Какие свойства характерны для этих
кристаллов?
2) Чем отличается структура кристаллов As и Zn от структуры кристалла
Zn3As2? Какие свойства характерны для этих веществ в
кристаллическом состоянии?
3) Охарактеризовать полупроводниковые свойства кристалла Вт. Как
изменятся эти свойства, если кристалл содержит примеси: Zn; Sb.
Вопрос №1
Порядковый 2 40 82
номер
элемента
Находим в
Периодической Не Zr Рb
Системе гелий цирконий
свинец
Электронные
конфигурации
элементов: S
n=1 (( S-элемент,
типичный неметалл,
тронной орбитали 2 электрона не обладает
химической активностью
- d-элемент, металл
(на внешнем энергетическом уровне 2 электрона)
четыре валентных электрона ….
S p d
n=4 (( (((((( ((
n=5 ((
| |  скачать работу |
Строение и свойства вещества |
