半導体物理学

共有結合結晶

半導体の代表例であるシリコンやゲルマニウムは共有結合による結晶である。
結晶には様々な種類があるが、ここでは共有結合に限定して説明しよう。

水素原子Hは、二つで共有結合し水素分子H₂になる。
３つ、４つでの共有結合などは聞かない。
水素原子は「２個までのグループしか作れない」ということだ。

連結器に例えると、共有結合はイメージしやすい。
水素原子が持つ連結器は一つだけだ。
だから二つの水素原子が結合すれば、もう連結器は余っていないのでそれ以上結合できないのだ。

シリコンなど４族の原子は連結器を４つ持っている。
だから、シリコン原子は他の４つのシリコン原子と共有結合が可能だ。

シリコン原子に結合された他の４つのシリコン原子も、それぞれ連結器が３つ余っている。(連結器は４つだが、最初のシリコンとの結合で一つ使用済み)

余った連結器がまた、それぞれ他のシリコン原子と連結して共有結合が作られる。
これを繰り返すことによりシリコンは大きな結晶になることができる。

共有結合においては、電子が連結器の役割をはたす。
この連結器のことを「不対電子」という。

同じ共有結合でありながら、水素は塊(カタマリ)にならないが、シリコンは結晶として塊になる。
この違いは、不対電子の数の違い(１つと４つ)に起因しているということだ。

二つの原子がそれぞれ「不対電子」を出し合い、これがペアになって「電子対」が形成される。
各原子が「電子対」を自分の方に引き込もうとするので、電子対を仲介として二つの原子が引き合うことになる。

この状態が共有結合だ。
電子対を引き合う「綱引き」をイメージしてもいいだろう。
共有された電子対を共有電子対という。

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2005/06/03