Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
замкнутых оболочек. Эти общие соображения позволяют понять простейший вид
химической связи - ионную связь, которая проявляется, например, в
кристаллах галоге-нидов щелочных металлов. Рассмотрим для примера такое
вещество, как NaCl. Внешняя оболочка каждого атома Na содержит всего один
электрон, тогда как в каждом атоме С1 число таких электронов равно семи.
При, сближении атомов Na и С1 у единственного валентного электрона Na
появляется резко выраженная тенденция к переходу на атом С1, после чего у
последнего образуется замкнутая оболочка из восьми электронов. В
результате такого перехода
72
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
+
+
Рис. 3.
ионном {1С0}.
возникают положительные ионы Na+ и отрицательные ионы С1-, между которыми
действуют силы притяжения обычной электростатической природы. Можно
показать, что электростатическими силами обусловлена большая часть
энергии связи в кристалле. Большинство ионных соединений кристаллизуется
либо в гранецентри-рованной решетке (как, например, Na Cl), либо в
объемноцентриро-ванной решетке (как, например, GC1). Зная кристаллическую
структуру вещества, можно вычислить соответствующую ей энергию связи [9].
Расположение атомов в одной из главных плоскостей типичного ионного
кристалла показано на рис. 3.7.
Вполне естественно, что наряду с чисто электростатическими силами,
которые стремятся удержать атомы в кристалле, имеются еще и силы
отталкивания, уравновешивающие электростатические силы притяжения и
обеспечивающие вместе с первыми условия устойчивого равновесия
кристаллической решетки. Представление о замкнутых электронных оболочках
позволяет объяснить также и природу сил отталкивания. При достаточном
сближении ионов имеет место существенное взаимное проникновение
соответствующих замкнутых электронных оболочек. Однако оболочки должны
энергично противодействовать этому взаимному проникновению, так как в
каждой из них все состояния заняты, и поэтому, согласно принципу Паули, в
них нет места для добавочных электронов. Силы отталкивания гораздо
быстрее убывают при увеличении расстояния между ионами, чем силы
электростатического взаимодействия, поэтому с достаточной степенью
точности ионы могут рассматриваться как непроницаемые шарики
определенного радиуса. Таким образом, мы приходим к понятию ионных
радиусов. Расстояние между центрами двух ближайших ионов в кристалле по
определе-
- + - +
г----------------1
- + - i +
+ - +
_ _1_ 4-
,7. Расположение ионов в кристалле в плоскости
Рис. 3.8. Силы взаимного притяжения и отталкивания между ионами в ионном
кристалле.
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
73
Na* Q- Na* Q- Na* Cl' Na* Cl'
Q- Na Cl- Na*
Na* Q- Na* Q 3
Рис. 3.9. Образование электронно-дырочной пары в ионном кристалле (NaCI).
нию равно сумме соответствующих ионных радиусов. Эго проиллюстрировано на
рис. 3.8.
Главная отличительная особенность ионных кристаллов состоит в том, что
они, как правило, прозрачны в видимой области спектра. При высоких
температурах они обладают небольшой электропроводностью, обусловленной
переносом ионов, но с точки зрения электронной теории должны
рассматриваться как диэлектрики, так как наивысшая заполненная зона
отделена от следующей пустой зоны большим энергетическим зазором
(валентная зона должна быть полностью заполненной, поскольку на один ион
приходится восемь электронов). Кристалл начинает сильно поглощать свет
лишь в ультрафиолетовой части спектра. Освещение кристаллов светом такой
длины волны сопровождается появлением фотопроводимости. На языке теории
химической связи процесс образования свободного электрона сводится к.
тому, чтобы оторвать электро.и у отрицательного иона и перевести его на
какой-либо далеко расположенный положительный ион. Образованные в
результате такого перехода нейтральные атомы щелочного металла следует
рассматривать как центры локализации свободных электронов. Свободный
электрон без каких-либо дополнительных энергетических затрат может
совершать переходы от одного иона щелочного металла к другому и, таким
образом, может свободно леремещаться по всему кристаллу. Этот процесс
описывается рассмоп>енными в предыдущей главе блоховскими волновыми
функциями.
Образовавшийся вследствие ухода электрона нейтральный атом галогена может
рассматриваться как положительная дырка, которая в принципе также может
свободно перемещаться по кристаллу. Однако на опыте обнаружено, что
дырки, как правило, обладают значительно меньшей способностью к
перемещению, чем свободные электроны. На рис. 3.9 с помощью двух
различных схем описания состояния кристалла показан процесс образования
свободного электрона и дырки в NaCI.
74
3. Примеси и несовершенства в кристаллах
3.2.2. ГОМЕОПОЛЯРНАЯ СВЯЗЬ
Образование полярных молекул типа НС1 можно в известной мере объяснить
теми же механизмами, которые приводят к образованию ионных кристаллов,
однако существование неполярных молекул типа Н2 требует для своей
