Подгруппа VA: фосфор, мышьяк, сурьма и висмут – основы материаловедения

April 18, 2013 by admin Комментировать »

Структура валентной оболочки — ns2np3 с n = 3 для фосфора, 4 для мышьяка, 5 для сурьмы, 6 для висмута. Распределение электронов по ячейкам валентной оболочки показано на рис. 2.15,а: основное состояние характеризуется тремя электронами с неспаренными спинами (p3), причем число их не будет меняться даже при переходе одного из s-электронов на p-орбиту. Таким образом, во всех указанных выше элементах этой подгруппы три связи любого атома направлены к трем другим соседним атомам, при этом образуются структуры с координационным числом Zк = 3. Физические параметры элементов этой подгруппы приведены в табл. 2.3.

Фосфор. Фосфор имеет по крайней мере пять полиморфных модификаций (белый (две модификации), красный, коричневый и черный). Лишь одна из них — черный фосфор, который образуется при повышенной температуре (≈200◦C) и повышенном давлении, — обладает полупроводниковыми свойствами.  Черный  фосфор —  наиболее устойчивая

кристаллическая форма фосфора. Он кристаллизуется в орторомбической системе; его элементарная ячейка содержит восемь атомов. Кристалл имеет слоистую структуру, в которой каждый атом связан с тремя другими. Один слой этой структуры показан на рис. 2.15,б. Длина связи P–P равна 2.23 A˚ . Два угла между направлениями валентных связей

составляют 102◦, а один — 96,5◦. По-видимому, ковалентные связи образуются в результате частичного смешивания и перекрытия sp2-гибридных и p-орбиталей.

Мышьяк. Мышьяк также существует в трех разных модификациях (белый, серый и аморфный), из которых серая кристаллическая и аморфная модификации обладают полупроводниковыми свойствами. Термодинамически устойчивым при нормальных условиях является серый мышьяк, кристаллизующийся в ромбоэдрической решетке. Кристалл серого мышьяка имеет гофрированно-слоистую структуру (рис. 2.15,в). Ее можно представить состоящей из двухслойных пакетов, суперпозиция которых дает ромбоэдрическую структуру кристалла. Таким образом, каждый атом имеет три ближайших соседа в соседнем слое того же пакета

на расстоянии d1  = 2.52

A˚ , с которыми он связан ковалентными связями, и три более удаленных соседа из соседнего пакета на расстоянии d2 = 3.12 A˚ . Углы между направлениями межатомных связей в одном пакете (96.65◦ ) указывают на то, что ковалентные связи образуются в

результате перекрытия простых p3-орбиталей. Соседние пакеты связаны между собой в основном слабыми силами Ван-дер-Ваальса, однако в химической связи между соседними пакетами присутствует значительная доля металлической составляющей. Смешанный характер связей накладывает отпечаток на степень совершенства структуры и на электрические свойства: они явно анизотропны, а подвижность носителей заряда оказывается существенно ниже, чем в элементах с трехмерной ковалентной структурой.

Сурьма, висмут. Сурьма и висмут имеют ту же кристаллическую структуру, что и мышьяк. Однако с увеличением атомного номера увеличивается доля металлической составляющей связи (в обычном виде сурьма и висмут — полуметаллы). Этот факт находит свое отражение и

в кристаллической структуре: для сурьмы d1 = 2.91 A˚

и d2 = 3.36 A˚ и  

разность между ними (d2 − d1) оказывается существенно меньшей, чем

в случае мышьяка. Для Bi d1  = 3.07 A˚

и d2  = 3.53

A˚ . Однако следует заметить, что несмотря на очевидно металлический характер Sb и

Bi существует различие между их структурой с относительно низкой координацией и структурами с высокой координацией, типичными для настоящих металлов.

Таким образом, закономерности изменения Eg с увеличением порядкового номера элемента в этой группе полупроводников аналогичны описанным выше для IVA подгруппы. Кроме того, видно, что химическая связь, образующаяся в подгруппе VA, оказывается заметно слабее связи, построенной на sp3-гибридных орбиталях.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты