Основные типы связей между частицами в кристалле и энергия связи. Собственные и примесные полупроводники

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Основные типы связей между частицами в кристалле и энергия связи 4
1.1 Общие сведения 4
1.2 Типы связей и энергия связи в кристаллах 4
1.3 Молекулярные связи 6
1.4 Ковалентная (гомеополярная) связь 7
1.5 Металлическая, ионная и водородная связи 7
2. Собственные и примесные полупроводники 10
2.1 Электропроводность собственных полупроводников 10
2.2 Электропроводность примесных полупроводников 11
2.3 Виды примесей 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 15

1.1 Общие сведения
В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам пластичностью. Металлы условно делятся на две группы: черные и цветные.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.1
Все металлы и их сплавы имеют характерную кристаллическую структуру. Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.
...

1.2 Типы связей и энергия связи в кристаллах
Между частицами в кристалле могут существовать различные типы связи. Тип связи определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает наибольшую термодинамическую стабильность - минимум энергии связи.

Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются. Но это уменьшение не одинаково: силы отталкивания уменьшаются быстрее. Равнодействующая сила проходит через нуль при некотором межатомном расстоянии d0. На этом расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются: Fпр = Fотт (Рисунок 1.1,а), а энергия связи Eсв минимальна (Рисунок 1.1,б). Поэтому кристалл термодинамически стабилен.

Рисунок 1.
...

1.3 Молекулярные связи
В кристаллах с молекулярной связью в узлах кристаллической решетки располагаются молекулы (атомы), причем расстояние между молекулами значительно превосходит их размеры. Молекулярная связь возникает за счет сил взаимодействия собственных или индуцированных при взаимной поляризации электрических моментов. Силы взаимодействия между диполями называют силами Ван-дер-Ваальса.

Рисунок 1.2 - Примерная структура кристалла йода

На Рисунке 1.2 изображена примерная структура кристалла йода. Молекула йода изображена в виде диполя, один конец которого имеет положительный заряд (черный шарик), другой - отрицательный (белый шарик). Центры молекул, находящихся в узлах, совпадают с узлами ромбической гранецентрированной решетки.
Взаимодействие Ван-дер-Ваальса слабое, оно характеризуется энергией связи порядка 0,1 эВ/мол. Кристаллы с молекулярной связью имеют низкую температуру плавления, легко разрушаются, практически не проводят ток.


1.5 Металлическая, ионная и водородная связи
Металлические кристаллы – это кристаллы, у которых преобладает металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А и 1 - 3 подгрупп В. Атомы в таких кристаллах находятся на таком расстоянии, что их внешние оболочки валентных электронов перекрываются, образуя общую зону со свободными электронами в объеме всего кристалла. Электроны не привязаны к конкретным атомам и образуют электронный газ, который может свободно перемещаться по кристаллической решетке. Приложение разности потенциалов к таким кристаллам вызывает электрический ток, т.е. направленное перемещение электронов (Рисунок 1.4).

Рисунок 1.
...

2. Собственные и примесные полупроводники
Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе специально введенной (легирующей).
Собственные полупроводники не содержат легирующих добавок; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Те и др. и многие полупроводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и др.
Примесные полупроводники всегда содержат донорную или акцепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких температурах (чем в собственных полупроводниках), которые отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора.

2.1 Электропроводность собственных полупроводников
В собственных полупроводниках при достаточности тепловой энергии решетки или в результате внешнего энергетического воздействия электрон(ы) перейдет(ут) из валентной зоны (ВЗ) в зону проводимости (ЗП) и станет(ут) свободным(и). Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны (33) — ΔW полупроводника. С уходом электрона в ЗП в валентной зоне остается свободным энергетический уровень, называемый дыркой, а сама ВЗ становится не полностью заполненной (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Переход энергии в собственных полупроводниках

Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда — электрон в ЗП и дырка в ВЗ, которые и создают собственную электропроводность полупроводника.
...

2.3 Виды примесей
Примесь в зависимости от ее влияния на тип электропроводности полупроводникового материала различают: акцепторную, донорную, амфотерную.
Акцепторная примесь. Если энергетические уровни атомов примеси находятся в 33 вблизи ВЗ, то при тепловом или световом воздействии на материал энергией, равной или большей ΔWa, но меньшей, чем ΔW 33, электроны из ВЗ полупроводника будут забрасываться на свободные уровни примеси, в результате чего в ВЗ образуются дырки. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Поэтому концентрация дырок в ВЗ станет во много раз больше, чем концентрация электронов в ЗП. Электропроводность в данном случае будет дырочная, полупроводник р-типа (позитив — положительный), а примесь — акцепторная (акцептор — принимающий). В полупроводнике с электропроводностью р-типа дырки называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.
Донорная примесь.
...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проделанной работы выполнены все задачи для достижения поставленной цели: рассмотрены типы связей и энергия связи в кристаллах, ковалентная связь, металлическая, ионная и водородная связи, электропроводность собственных и примесных полупроводников, а также виды примесей и другие моменты.
Из вышеизложенного материала необходимо сделать несколько выводов: во-первых, во-вторых, в любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Стоит заметить, что ускорение развития машиностроения во многом зависит от успехов в создании и использовании эффективных и ресурсосберегающих материалов и технологий.
...