2022-2023学年高二物理竞赛课件：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

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