가 및 결정 구조

가: 가장 바깥쪽 껍질 또는 원자가 껍질에 있는 전자를 가라고 합니다. 전자. 이 원자가 전자는 화학 원소의 화학적 특성을 담당합니다. 다른 원소와의 화학 반응에 참여하는 것은 이러한 전자입니다. 단순 반응에 적용할 수 있는 지나치게 단순화된 화학 규칙은 원자가 8개의 전자(L 껍질의 경우 2개)의 완전한 외부 껍질을 형성하려고 한다는 것입니다. 원자는 밑에 있는 완전한 껍질을 드러내기 위해 몇 개의 전자를 내놓을 수 있습니다. 원자는 껍질을 완성하기 위해 몇 개의 전자를 받아들일 수 있습니다. 이 두 과정은 원자에서 이온을 형성합니다. 원자는 외부 껍질을 완성하기 위해 원자 간에 전자를 공유할 수도 있습니다. 이 과정은 분자 결합을 형성합니다. 즉, 원자가 결합하여 분자를 형성합니다.

지휘자

예를 들어 I족 원소:Li, Na, K, Cu, Ag 및 Au는 단일 원자가 전자를 가집니다. (아래 그림) 이 원소들은 모두 비슷한 화학적 성질을 가지고 있습니다. 이 원자는 다른 원소와 반응하기 위해 하나의 전자를 쉽게 제공합니다. 전자를 쉽게 방출할 수 있는 능력은 이러한 요소를 우수한 전도체로 만듭니다.

주기율표 IA족 원소:Li, Na, K 및 IB족 원소:Cu, Ag, Au는 외부 또는 원자가 껍질에 하나의 전자를 가지며 쉽게 기증됩니다. 내부 껍질 전자:n=1, 2, 3, 4의 경우; 2n ² =2, 8, 18, 32.

절연체

VIIA족 원소:Fl, Cl, Br, I은 모두 외부 껍질에 7개의 전자를 가지고 있습니다. 이 원소들은 전자를 쉽게 받아들여 외부 껍질을 완전한 8개의 전자로 채웁니다. (아래 그림) 이러한 원소가 전자를 받아들이면 중성 원자에서 음이온이 형성됩니다. 전자를 포기하지 않는 이러한 원소는 절연체입니다.

주기율표 VIIA족 원소:F, Cl, Br 및 I은 7가전자를 가지며 다른 원소와 반응하여 전자를 쉽게 받아들입니다.

예를 들어, Cl 원자는 Na 원자에서 전자를 받아 Cl ^- 이 됩니다. 아래 그림과 같이 이온. 이온 전자를 주거나 받아 원자에서 형성된 하전 입자입니다. Na 원자가 전자를 제공함에 따라 Na + 이온이 됩니다. 이것은 Na와 Cl 원자가 결합하여 실제로 Na ⁺ 인 식염인 NaCl을 형성하는 방법입니다. 클 ^- , 이온 쌍. 나 ⁺ 및 Cl ^- 반대 전하를 띠고 서로 끌어당깁니다.

중성 나트륨 원자는 Na를 형성하는 중성 염소 원자에 전자를 제공합니다. + 및 Cl - 이온

염화나트륨은 아래 그림과 같은 입방체 구조로 결정화됩니다. 이 모델은 3차원 구조를 보여주기 위해 축척되지 않습니다. 나 ⁺ 클 ^- 이온은 실제로 쌓인 구슬의 층과 유사하게 채워져 있습니다. 쉽게 그려진 입방체 결정 구조는 고체 결정이 하전 입자를 포함할 수 있음을 보여줍니다.

VIIIA족 원소:He, Ne, Ar, Kr, Xe는 모두 원자가 껍질에 8개의 전자를 가지고 있습니다. (아래 그림) 즉, 원자가 껍질이 완전하다는 것은 이러한 요소가 전자를 제공하지도 받지도 않는다는 의미입니다. 또한 VIIIA족 원소는 다른 원소와 쉽게 결합하지 않기 때문에 화학 반응에 쉽게 참여하지 않습니다. 최근 몇 년 동안 화학자들은 X와 Kr이 몇 가지 화합물을 형성하도록 강요했지만 우리 논의의 목적을 위해 이것은 적용할 수 없습니다. 이러한 요소는 우수한 전기 절연체이며 실온에서 가스입니다.

VIIIA족 원소:He, Ne, Ar, Kr, Xe는 원자가 껍질이 완전하기 때문에 대부분 반응하지 않습니다.

반도체

IVA족 원소:아래 그림과 같이 원자가 껍질에 4개의 전자를 가진 C, Si, Ge는 이온을 형성하지 않고 다른 원소와 전자를 공유하여 화합물을 형성합니다. 이 공유 전자 결합을 공유 결합이라고 합니다. . 중심 원자(및 확장하여 다른 원자)는 전자를 공유하여 원자가 껍질을 완성했습니다. 그림은 본딩의 2차원 표현이며 실제로는 3차원입니다. 우리가 반도체 특성에 대해 관심을 갖고 있는 것은 바로 이 IVA 그룹입니다.

(a) IVA족 원소:원자가 껍질에 4개의 전자가 있는 C, Si, Ge, (b) 다른 원소와 전자를 공유하여 원자가 껍질을 완성합니다.

결정 구조: 대부분의 무기 물질은 원자(또는 이온)를 결정이라고 하는 정렬된 배열로 형성합니다. . 원자의 외부 전자 구름은 질서 있는 방식으로 상호 작용합니다. 금속조차도 미시적 수준에서 결정으로 구성됩니다. 금속 샘플에 광학 광택을 가한 다음 산 에칭하면 미세한 미정질 구조는 아래 그림과 같습니다. 전문 공급업체로부터 상당한 비용으로 금속 단결정 시편을 구입하는 것도 가능합니다. 그러한 시편을 연마하고 에칭하는 것은 미세결정 구조를 나타내지 않습니다. 실제로 모든 산업용 금속은 다결정질입니다. 반면에 대부분의 최신 반도체는 단결정 장치입니다. 우리는 주로 단결정 구조에 관심이 있습니다.

(a) 금속 샘플, (b) 광택 처리, (c) 미세결정 구조를 나타내기 위해 에칭된 산

많은 금속은 부드럽고 다양한 금속 가공 기술에 의해 쉽게 변형됩니다. 미세 결정은 금속 가공에서 변형됩니다. 또한 원자가 전자는 결정 격자 주위로, 그리고 결정에서 결정으로 자유롭게 이동합니다. 원자가 전자는 특정 원자에 속하지 않고 모든 원자에 속합니다.

아래 그림의 단단한 결정 구조는 Na 이온과 Cl 이온이 규칙적으로 반복되는 패턴으로 구성됩니다. Na 및 Cl 원자는 Na ⁺ 를 형성합니다. 및 Cl ^- 자유 전자 없이 Na에서 Cl로 전자를 전달함으로써 이온. 전자는 결정 격자 주위를 자유롭게 이동할 수 없습니다. 이는 금속과 다른 점입니다. 이온도 자유롭지 않습니다. 이온은 결정 구조 내에서 제자리에 고정됩니다. 그러나 NaCl 결정이 물에 용해되면 이온은 자유롭게 이동할 수 있습니다. 그러나 크리스탈은 더 이상 존재하지 않습니다. 규칙적이고 반복적인 구조가 사라졌습니다. 물의 증발로 Na ⁺ 침전 및 Cl ^- 반대 전하를 띤 이온들이 서로 끌어당기면서 새로운 결정 형태의 이온. 이온 물질은 반대 전하를 띤 이온의 강한 정전기적 인력으로 인해 결정 구조를 형성합니다.

입방 사슬을 갖는 NaCl 결정 그룹 14의 반도체(이전에는 그룹 IV의 일부)는 원자 주위의 s 및 p 궤도 전자를 사용하여 4면체 결합 패턴을 형성하여 4개의 인접한 원자에 전자쌍 결합을 공유합니다. (아래 그림(a)). 14족 원소에는 4개의 외부 전자가 있습니다. 구형 s 궤도에 2개, p 궤도에 2개입니다. p-오비탈 중 하나가 비어 있습니다. 3개의 p-오비탈이 s-오비탈과 혼성화하여 4개의 sp ³ 를 형성합니다. 분자 궤도. 이 4개의 전자 구름은 아래 그림과 같이 양의 핵에 끌리는 Si 원자에 대해 등거리의 사면체 간격으로 서로 밀어냅니다.

1개의 s-오비탈 전자와 3개의 p-오비탈 전자가 혼성화되어 4개의 sp ³ 를 형성합니다. 분자 궤도.

모든 반도체 원자, Si, Ge 또는 C(다이아몬드)는 공유 결합에 의해 4개의 다른 원자와 화학적으로 결합됩니다. , 공유 전자 결합. 두 개의 전자가 서로 반대되는 스핀 양자수를 가진다면 오비탈을 공유할 수 있습니다. 따라서 짝을 이루지 않은 전자는 다른 원자의 전자와 궤도를 공유할 수 있습니다. 이것은 전자 구름 또는 결합의 아래() 중첩 그림에 해당합니다. 아래 그림 (b)는 원점에서 아래 그림에 표시된 다이아몬드 결정 구조 단위 셀의 부피의 1/4입니다. 결합은 다이아몬드에서 특히 강하며 IV족으로 내려가는 실리콘과 게르마늄으로 갈수록 강도가 감소합니다. 실리콘과 게르마늄은 모두 다이아몬드 구조의 결정을 형성합니다.

(a) Si 원자의 사면체 결합. (b) 입방 단위 셀의 1/4로 이어집니다.

다이아몬드 단위 셀 기본 크리스탈 빌딩 블록입니다. 아래 그림은 세포 부피 내에서 4개의 다른 원자와 결합된 4개의 원자(어두움)를 보여줍니다. 이것은 위의 그림(b) 중 하나를 아래 그림의 원점에 배치한 다음 인접한 면에 세 개를 더 배치하여 전체 큐브를 채우는 것과 같습니다. 6개의 원자가 6개의 정육면체 면 각각의 중앙에 떨어져 두 개의 결합을 보여줍니다. 인접한 큐브에 대한 다른 두 결합은 명확성을 위해 생략되었습니다. 8개의 큐브 모서리 중 4개의 원자가 큐브 내의 원자에 결합됩니다. 나머지 4개의 원자는 어디에 결합되어 있습니까? 나머지 4개는 크리스탈의 인접한 입방체에 결합됩니다. 네 모서리 원자가 입방체에서 결합을 나타내지 않더라도 결정 내의 모든 원자는 하나의 거대한 분자로 결합되어 있음을 명심하십시오. 이 단위 셀의 복사본으로 반도체 결정이 만들어집니다.

Si, Ge 및 C(다이아몬드)는 인터리브 처리된 면심 큐브를 형성합니다.

결정은 사실상 하나의 분자입니다. 원자는 4개의 다른 원자와 공유 결합하고, 이는 차례로 4개의 다른 원자와 결합하는 식입니다. 결정 격자는 변형에 대해 상대적으로 뻣뻣합니다. 결정에 대한 전도를 위해 스스로를 해방하는 전자는 거의 없습니다. 반도체의 속성은 일단 전자가 자유로워지면 전도에 기여하는 양전하를 띤 빈 공간이 생긴다는 것입니다.

검토

<울>

원자는 8개 전자(가장 안쪽 껍질의 경우 2개 전자)로 이루어진 완전한 외부 원자가 껍질을 형성하려고 합니다. 원자는 아래에 있는 8개의 껍질을 노출하기 위해 몇 개의 전자를 제공하고, 몇 개의 전자를 받아 껍질을 완성하거나, 전자를 공유하여 껍질을 완성할 수 있습니다.

원자는 종종 결정으로 알려진 단단한 구조에서 이온 또는 원자의 정렬된 배열을 형성합니다.

중성 원자는 전자를 제공하여 양이온을 형성할 수 있습니다.

중성 원자는 전자를 받아 음이온을 형성할 수 있습니다.

IVA족 반도체:C, Si, Ge는 다이아몬드 구조로 결정화됩니다. 결정의 각 원자는 4개의 다른 원자와 결합하는 거대 분자의 일부입니다.

대부분의 반도체 장치는 단결정으로 제조됩니다.

관련 워크시트:

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반도체의 전기 전도 워크시트