半导体物理
1.1半导体的晶格结构和结合性质
介绍半导体单晶材料中电子状态及其运动规律
1金刚石型结构和共价鍵
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
闪锌矿型结构的晶胞
主要特点：1.每一个原子有4个最近邻均原子。
例如，离顶点○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“杂亿九道”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。
C.
B
A_
(111)面
a
(c)
(a)(b)
(d)(e)
〔111〕面
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。
造
常用参数
·晶格常数：硅0.543nm,锗0.566nm
·密度：Si:5.00*1022cm-,
Ge:4.42*1022cm-3
·共价键半径：Si:0.117nm,Ge:0.122nm.
(a)(b)
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)
·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。
■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。
2.闪锌矿型结构和混合键
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。
III→V:[111]方向，III族原子层为[111]面。
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IⅢ原子，另一个是V族原子。
(a)(b)
3。纤锌矿型结构
·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。
主要由IⅡ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。
代表材料：部分IV-VI族材料，如硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
特点：两面心立方沿任一边移动1/2晶格常数所套购而成。
氯化钠型结构结晶
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