Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
S
чениями электроотрицательности. В этом случае атомы с большей электроотрицательностью присоединяют к себе электроны и становятся отрицательными ионами, а атомы, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы.
Кристалл строится из положительных и отрицательных ионов, между которыми возникают кулоновские силы притяжения. Ионные кристаллы отличаются обычно большой прочностью, высокой точкой плавления и малым коэффициентом теплового расширения.
Типичным примером ионных кристаллов могут служить соединения одно- и двухвалентных элементов с атомами семивалентных элементов (каменная соль NaCl, NaF, ВаСЬ). Электроотрицательности Na, Cl и F соответственно равны 2,8; 8,4 и 10,5 эв. Поэтому семивалентные F и С1 отнимают у Na один электрон и достраивают свою внешнюю валентную оболочку до 8 электронов. Эта оболочка является замкнутой и весьма устойчивой.
Полупроводниковые вещества, такие, как алмаз, кремний, германий, образуют кристаллы с атомной, или гомеополярной, связью. Такая связь возникает между одинаковыми или близкими по своим свойствам элементами в результате появления обменного эффекта. Обменные силы притяжения между атомами возникают в результате слияния внешних оболочек двух атомов в одну обобщенную оболочку. В такой оболочке электроны имеют спаренные спины и она более устойчива, чем две независимые орбиты. Поскольку в обменных взаимодействиях принимают участие только электроны незаполненной внешней оболочки, то атомную связь называют еще валентной или ковалентной. Она может быть такой же сильной, как и ионная связь, поэтому ионные и атомные кристаллы обладают близкими свойствами.
В полупроводниках типа AinBv, получивших в последнее время исключительно большое значение, химическая связь приближается к нейтральной атомной связи [8, 9]. Однако имеется некоторое смещение электронов от атомов А111 к атомам Bv, причем степень этого смещения уменьшается от соединения к соединению в такой последовательности: А1Р,
AlAs, InP, GaP, InAs, AlSb, GaAs, InSb, GaSb. Иными словами можно сказать, что от атома Аш к атому Bv переходит некоторый эффективный заряд е*, заключенный в пределах от 0,6е до 0,3е, где е — заряд электрона. Чем больше разность между электроотрицательностями атомов, тем больше величина е*.
Металлическая связь возникает в кристаллах, образованных из атомов, имеющих небольшое число валентных электронов. Чтобы такой атом мог построить устойчивую оболочку из 8 электронов, ему необходимо присоединить электроны
нескбльких других атомов. В результате происходит как бы обобщение всех валентных электронов кристалла. Такой кристалл можно представить как решетку из положительных ионов, между которыми свободно могут перемещаться электроны. Металлическая связь является предельным случаем атомной связи. Металлические кристаллы характеризуются высокой ковкостью, электропроводностью и теплопроводностью.
Большинство органических кристаллов, а также элементы
V и VI групп таблицы Менделеева (сера, селен, теллур, фосфор) характеризуются молекулярной химической связью. Эта связь возникает между атомами, молекулами и их комплексами, имеющими заполненные валентные оболочки. Будучи электрически нейтральными, такие образования обладают постоянным или мгновенным дипольным моментом, связанным с несимметричным распределением электрических зарядов. В результате взаимодействия дипольных моментов и возникают сравнительно слабые силы притяжения Ван-дер-Ва-альса такого же типа, как и в жидкостях. Кристаллы с молекулярной связью имеют малую твердость и низкую температуру плавления. В большинстве кристаллов химические связи трудно отнести к какому-нибудь одному типу. Обычно они имеют более сложный характер и классифицируются как ковалентно-ионные, ковалентно-металлические, ионно-ковалентнометаллические и т. п. Если рассматривать всю совокупность известных полупроводниковых веществ, то в них можно обнаружить все типы химических связей, за исключением чисто металлической.
Прямая и обратная решетки. При соблюдении определенных условий кристаллы растут в виде правильных многогранников. Плоскости, ограничивающие кристалл, называются его гранями, линии, разделяющие грани, — ребрами, а узловые точки, в которых пересекаются несколько граней, — вершинами. Из рентгеноструктурного анализа и из многих других опытов следует, что атомы и молекулы располагаются в кристалле строго закономерно в определенном порядке. При этом существует некоторая элементарная ячейка, с помощью которой путем многократного повторения можно сложить весь кристалл. Следовательно, физические свойства идеального кристалла периодически повторяются. Только благодаря периодической структуре кристаллов оказалось практически возможным создание теории твердого тела, состоящего из огромного количества частиц.
В теории для описания физических свойств кристаллов вводится понятие прямой и обратной решетки. Под прямой решеткой понимают совокупность точек, радцусы-векторы которых равны [10]
»n = «1% + «2 а2 + и3а3, (1.1)
10
где аь а2 и а3— три не лежащих в одной плоскости (некомпло-нарных) вектора, называемых трансляционными, масштабными или основными (базисными) векторами, или трансляционными периодами кристаллической решетки; tii— целые положительные и отрицательные числа. При смещении всего кристалла как целого на любой из этих векторов он совмещается сам с собою.
