Кристалічна структура кремнію

Тепер ми готові докладніше вивчити внутрішній устрій напівпровідників. В якості прикладу розглянемо найпоширеніший в природі напівпровідник – кремній. Аналогічну будову має і другий за важливістю напівпровідник – германій. Зверніть увагу, що кожен атом кремнію скріплений з чотирма сусідніми атомами. Чому так виходить?

Справа в тому, що кремній четирехвалентен – на зовнішній електронній оболонці атома кремнію розташовані чотири валентних електрона. Кожен з цих чотирьох електронів готовий утворити спільну електронну пару з валентним електроном іншого атома. Так і відбувається! У результаті атом кремнію оточується чотирма пристикувався до нього атомами, кожен з яких вносить по одному валентних електронів. Відповідно, навколо кожного атома виявляється по вісім електронів (чотири своїх і чотири чужих).

Ковалентні зв’язки зображені парами ліній, що з’єднують атоми; на цих лініях знаходяться загальні електронні пари. Кожен валентний електрон, розташований на такій лінії, більшу частину часу проводить у просторі між двома сусідніми атомами.

Однак валентні електрони аж ніяк не «прив’язані намертво» до відповідних парам атомів. Відбувається перекриття електронних оболонок всіх сусідніх атомів, так що будь валентний електрон є загальне надбання всіх атомів-сусідів. Від деякого атома 1 такий електрон може перейти до сусіднього з ним атому 2, потім – до сусіднього з ним атому 3 і так далі. Валентні електрони можуть переміщатися по всьому простору кристала – вони, як кажуть, належать всьому кристалу (а не якоїсь однієї атомної парі).

Тим не менш, валентні електрони кремнію не є вільними (як це має місце в металі). У напівпровіднику зв’язок валентних електронів з атомами набагато міцніше, ніж в металі; ковалентні зв’язки кремнію розриваються при невисоких температурах. Енергії електронів виявляється недостатньо для того, щоб під дією зовнішнього електричного поля почати впорядкований рух від меншого потенціалу до більшого. Тому при досить низьких температурах напівпровідники близькі до діелектриків – вони не проводять електричний струм.

Посилання на основну публікацію