博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS半导体物理入门到精通——基础知识必备（一）

　　博鱼硅（Si）和锗（Ge）的第一代元素半导体、以砷化镓（GaAs）为代表的的第二代化合物半导体以及以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代化合物半导体

　　例如：每一百万个Si原子中掺入一个杂质原子（如P），则在室温下（27℃，T=300K）其电阻率由214000 Ω cm降至约0.2 Ω cm以下（纯度高达99.9999%）。

　　例如：淀积在绝缘基片上的硫化镉（CdS）薄膜，其在无光照下的电阻值（暗电阻）约几十MΩ，光照下的电阻值约几十kΩ。

　　所以，半导体是一种其自身性质容易受到外界光、热、磁、电以及微量杂质含量变化而发生显著变化的材料（讨论时注意限制条件）博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS。而半导体物理讨论半导体物理性质随外界性质变化而变化的原因及其规律。

　　晶体具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（离子）在较大的范围内（至少微米数量级）按照一定的方式有规则的排列而成——长程有序。非晶则相反，没有固定的外形和固定的熔点，内部也没有长程有序，但在较小的范围内（几个原子）存在结构上的有序排列——短程有序。

　　晶体又分为单晶和多晶。单晶是整块晶体由原子（离子）的一种规则排列方式所贯穿始终，多晶由许多小晶粒（微米数量级）杂乱堆积而成。

　　其中，电负性=0.18×（电离能+亲和能），0.18的系数可以使Li的电负性为1。负电性反映了两个原子在相互键合时，最外层电子得失的难易程度。电负性大，表明电离能大或亲和能大，电离能大表明电子很难挣脱原子的束缚，而亲和能大，说明原子有较大的能力去获取电子。两个原子相互键合时，价电子总是向负电性大的原子转移。在元素周期表中，从左至右，电负性增加，更难失去电子，非金属性增加；从上至下，电负性降低，更容易失去电子，金属性增加。

　　ⅠA族具有最小的电负性，容易失去电子博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS，而ⅦA族具有最大的电负性，容易得到电子，当两者结合成晶体时，以NaCl为例，Na原子最外层电子完全转移到Cl原子的最外层轨道上，都形成了类似惰性气体最外层为8电子的稳定结构（Na+和Cl-），其通过静电引力结合为NaCl晶体。因此，由离子键结合而成的晶体成为离子晶体，并且在离子晶体中，任一离子的最近邻必定是带相反电荷的另一种离子，这是静电引力的作用结果。在NaCl晶体中，Na原子的价电子已经完全转移到Cl的最外层轨道上，被紧束缚在各个原子上，不能自由运动，因此离子晶体一般是绝缘体。

　　注1：配位数为晶体中任意原子或离子的最近邻原子或离子数。配位数大小反映了晶体中原子或离子排列的紧密程度。

　　注2：晶胞是晶体结构的基本单元，既反映了周期性，又反映了各种对称性。整个晶体是由晶胞周期性排列而成的。

　　金刚石（C）、Si、Ge等晶体由同一种原子组成的晶体，原子间无负电性差，无价电子在原子间转移，而是两个原子间共有一对自旋相反配对的价电子，它们的电子云在两原子间相互重叠而具有较高的密度，带正电的原子实依靠原子间的带负电的电子云之间所形成的结合力将原子结合成晶体。依靠一对自旋相反的价电子所形成的结合力称为共价键，由共价键所形成的晶体称为共价晶体，金刚石、Si和Ge都是典型的共价晶体。

　　共价键具有饱和性和方向性。饱和性是指一个原子与周围原子所形成的共价键数目有限制。方向性是指原子之间形成共价键时博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS，电子云的相互重叠在空间的一定方向（共价键方向）上具有最高密度。金刚石、Si和Ge的配位数均为4，共价键之间的夹角是109°28’。在共价四面体中，如果把原子看做圆球，并且最近邻的圆球彼此相切，则球的半径称为共价半径，原子间距是共价半径的两倍。

　　金刚石结构的晶胞是正立方体，属于立方晶系，边长a称为晶格常数，可以通过XRD测量得出。立方体的8个顶角上各有1个原子，6个面心上各有1个原子，4条空间对角线个共价四面体。所谓金刚石结构由两个相同原子组成的面心立方沿空间对角线长度套构而成。

　　Ⅳ族元素由上至下，负电性下降，金属性上升，非金属性下降，由Ⅳ族元素构成的晶体导电性增强，依次从绝缘体（金刚石）→半导体（Si，Ge，＜13℃的灰锡）→导体（白锡、Pb）。

　　注1：共价键的方向性通过求解薛定谔方程得到。对于sp3杂化，电子的波函数可以表示为s轨道和三个p轨道的线性组合，

　　_i=a_i

　　_s+b_i

　　_{px}+c_i

　　_{py}+d_i

　　_{pz}（i=1,2,3,4），根据能量最低，求解得到系数ai，bi，ci和di（i=1,2,3,4），再根据

　　_i

　　_i^*最大，确定共价键方向。

　　Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素具有较低的负电性，对价电子的束缚能力较弱，在结合成晶体时，原属于各原子的价电子不再属于特定原子，而是为所有原子所共有博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS，可以在晶体中自由运动，电子的波函数遍及整个晶体（电子气）。带负电的电子气和带正电的原子实之间形成的库伦引力称为金属键，由金属键形成的晶体称为金属晶体。在金属晶体中，要求原子的排列尽可能紧密，占有的体积尽可能小，这样才是最稳定的结构，并且金属晶体中具有最高的配位数。例如面心立方（Cu、Au、Ag、Al等）的配位数为12，体心立方（如Mo和W）的配位数为8，密排六方（Zn和Cd，为ABAB...）配位数为12。金属具有导电性、导热性以及一定的光泽。

　　对于大多数晶体来说，并不是只存在一种化学键，而是同时存在多种形式的化学键（混合键），对应晶体也就是混合键型晶体。如Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体GaAs，Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体CdS等都是共价键和离子键组成的混合键晶体。GaAs的Ⅲ族元素和Ⅴ族元素负电性差别小，平均具有4个价电子，每个As（Ga）与周围的4个Ga（As）形成饱和共价键（共价四面体），为闪锌矿结构。但Ⅲ族元素和Ⅴ族元素存在负电性差别博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS，价电子向负电性大的Ⅴ族元素（As）转移，As的周围带有一定的负电性，Ga周围带有等量的正电性，存在库伦引力的作用，因此GaAs为以共价键为主的混合键型晶体。

　　注：闪锌矿结构（立方ZnS）是由两种不同原子组成的面心立方沿空间对角线方向套构而成。

　　①化学键的性质是决定晶体结构的重要因素，并且对晶体的物理性质有很大影响；

　　②化学键的性质由组成晶体的原子的价电子的分布情况决定：价电子在原子间的完全转移（离子键）；价电子在同种原子间的共有（共价键）；价电子为晶体中所有原子所共有（金属键）；价电子在两种原子间的部分共有和部分转移（混合键）。

　　③半导体中的化学键的性质是典型的共价键，或含有共价键成分的混合键，因此共价键称为半导体键。