Понятие ковалентной связи

Атомы таких распространенных полупроводниковых веществ, как кремний и германий, имеют соответственно по 14 и 32 электрона, которые распределяются по оболоч­кам следующим образом:

Первая и вторая электронные оболочки у кремния и у германия идентичны. Очень сходны у них и внешние оболочки — каждая имеет по 4 электрона. У кремния внешней оболочкой является третья, у германия — чет­вертая.

Внутренние оболочки (первая и вторая у кремния, и первая, вторая и третья у германия) являются полно­стью заполненными устойчивыми оболочками. Отсутствие свободных уровней в этих оболочках говорит о том, что эти оболочки не могут принимать дополнительных электронов, а, следовательно, не могут участвовать и во взаимодействии между атомами. В пределах этих оболочек электроны не могут изменять свою энергию (например, под действием сил электрического поля), а это значит, что они не будут принимать участия и в процессе проводимости. Поэтому мы не будем рассматривать внутренние оболочки и ограни­чимся только внешними, частично заполненными оболоч­ками.

Внешняя оболочка, как германия, так и кремния обра­зована четырьмя электронами.

Рис. 1.1 Образование ковалентных связей в кристалле германия: а) схема дополнения внешней электронной оболочки атома германия до 8 электронов, б) плоскостное изображение кристаллической решетки.

В кристалле германия или кремния атомы располагаются упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются. Взаимодействие внешних электронных оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с принципом запрета Паули может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Эти общие орбиты связывают между собой атомы германия или кремния, образуя так называемые ковалентные, или парноэлектронные связи.

В этом случае каждый рассматриваемый нами атом (рис. 1.а) как бы дополняет свою внешнюю оболочку до 8 электронов. Внешние электронные оболочки атомов в кристалле принимают устойчивое состояние, подобное внутренним электронным оболочкам.

На рис. 1.б изображена такая кристаллическая решет­ка на плоскости. Ковалентные связи изображены в виде двух параллельных линий.

В этих решетках каждый атом связан с четырьмя соседними с помощью пары валентных электронов, находящихся на общей орбите и принадлежащих обоим атомам.

На плоской картине ее условно обозначают двумя линиями, соединяющими два узла кристаллической решетки.

В кристалле чистого полупроводника при температуре абсолютного нуля (Т = 0°К) валентные электроны прочно связаны с ядрами атомов посредством ковалентных связей. В этих условиях полупроводник является диэлектриком, а каждый атом — нейтральным.

При температуре Т > 0°К часть электронов под действием тепловой энергии разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Электроны, потерявшие связь с атомами, становятся свободными и называются электронами проводимости.