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半导体的晶格结构和结合性质
半导体的晶格结构和结合性质
1 金刚石型结构和共价鍵
介绍半导体单晶材料中电子状态及其运动规律
最重要的半导体材料：
硅、锗，属四族元素，
晶格结构：金刚石结构
主要特点：1. 每一个原子有4个最近邻均原子。例如，离顶点o点最近邻原子为一个对角线1/4处的原子、三个面心原子，它们形成了一个正四面体，每个键为共价鍵结合。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对称的晶胞，可看作是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1/4对角线长度套构而成。
3. 原字在晶胞中的排列：角顶原子8个、面心原子6个、内部原子4个 （周围情况与角顶、面心原子不同，是相同原子构成的复式晶格）。
固体物理学原胞：体积最小的元胞。固体物理学元胞与面心立方晶格的元胞相同。但固体物理学元胞中的一个基元有两个原子，而面心立方的原胞中只包含一个原子
结晶学原胞：外观观测、对称性好，易于分析。
4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类似，但其正四面体的中心有一个原子，面心立方的中心没有原子。
金刚石结构的(111)面层包含了套构的原子，形成了双原子层的A层。以双原子层的形式按ABCABC层排列
金刚石结构的[100]面的投影。0和1/2表示面心立方晶格上的原子，1/4，3/4表示沿晶体对角线位移1/4的另一个面心立方晶格上的原子。
晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm
密度： Si : 5.00*1022cm-3,
Ge: 4.42*1022cm-3
共价键半径： Si : 0.117nm,
Ge: 0.122nm.
常用参数
2.闪锌矿型结构和混合键
在金刚石结构中，若由两类原子组成，分别占据两套面心立方，则称为闪锌矿结构。
价键：共价鍵，也是SP3杂化轨道，但有一定成份的“离子键”，称之为“极性半导体”。
(极性物质：正负电荷中心不重合的物质，会形成“电偶极子”)， 如砷化镓中，砷具有较强的电负性(得电子能力)。因此，砷(V)相当于负离子，镓(III)相当于正离子。
每个原子被四个异类原子所包围。若角顶和面心上为III族原子，则内部4个原子为V族原子。
两类原子：III族(铟,镓)和V族(磷,砷,锑)
堆积方式：III、V族原子构成双原子层堆积，每一个原子层都是一个[111]面， III、V族化合物具有离子性，因而构成一个电偶极层。
与金刚石结构一样，闪锌矿结构的III-V化合物都由两个面心立方结构套构而成。称这种晶格为双原子复式晶格。晶格的周期性原胞中含有两个原子：一个是III原子，另一个是V族原子。
III V：[111]方向，III族原子层为[111]面。
3。纤锌矿型结构
主要由II和VI族原子构成，它们的大小、电负性差异较大。呈现较强的离子性，如：硫化锌、硫化镉等。
六角密堆积结构：ABABAB……;
两套六角的套构形成了纤锌矿结构。
每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正四面体”结构。
氯化钠型结构结晶
特点：两面心立方沿任一边移动1/2晶格常数所套购而成。
代表材料：部分IV-VI族材料，如硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
其它类型半导体结构
多晶半导体：多晶硅
非晶半导体：非晶硅，有机半导体等。
其中，有机半导体用于制备 a、可弯曲，甚至折叠 b、高亮度、高响应度的显示器。
半导体晶格结构 结构特点 键态特点 代表物质
金刚石 原胞：正四面体 晶胞：立方对称 共价键 硅、锗
闪锌矿 晶胞：立方对称 共价键＋弱离子键 砷化镓
纤锌矿 晶胞：六方对称 共价键＋较强离子键 硫化铅、硒化铅、碲化铅等。（也会形成闪锌矿结构）
氯化钠 原胞：立方体
其它类型 其它类型结构、非晶、多晶等半导体

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