Парная электронная ковалентная связь.

В известном смысле молекулы и кристаллы весьма сходны друг с другом. Например, кристалл типа кремния можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Мы имеем дело с образованием межатомных связей. В кристаллах атомарных полупроводников (Si, Ge) реализуется ковалентная связь. Она обусловлена силами притяжения между двумя одинаковыми или похожими атомами. Например, в молекулах водорода (H₂), кислорода (О₂) и азота (N₂) атомы удерживаются ковалентными силами. Эти силы имеют обменную природу и возникают в результате обобществления электронов между атомами.

а) б)

Рис.4. Модель образования электронной ковалентной связи между атомами водорода.

При столкновении двух атомов водорода возникает область перекрытия электронных оболочек (рис. 4а). Электрон первого атома, попав в область перекрытия, имеет определенную вероятность попасть в оболочку второго атома, и наоборот. Возникает процесс обмена электронами. Если электроны колеблются между атомами и имеют противоположные спины, то суммарная энергия атомов понижается, благодаря чему и возникает сила притяжения между атомами. Такая связь может быть весьма сильной. В результате возникает общая электронная оболочка, охватывающая два ядра. Данная оболочка содержит два электрона, т.е. заполнена полностью, и обладает устойчивостью. Благодаря тождественности электронов и интерференции электронных волн Де-Бройля, возникает максимум электронной плотности вероятности в области между атомами. На рис. 4б изображено схематическое обозначение парной ковалентной связи.

Формулы электронного строения атомарных полупроводников кремния и германия

Z = 14. Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

Z = 32. Ge: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p².

На внешних электронных оболочках данных атомов содержится четыре валентных электрона. Следовательно, каждый атом в кристаллической решетке полупроводника может образовать четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Схема на рис.3 дает возможность изобразить на плоскости схему ковалентных связей в кристалле кремния (рис. 5).

Рис. 5. Плоская схема ковалентных связей в кремнии