2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)

半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)

半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵介紹半導(dǎo)體單晶材料中電子狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律最重要的半導(dǎo)體材料：硅、鍺，屬四族元素，晶格結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)：1.每一個(gè)原子有4個(gè)最近鄰均原子。例如，離頂點(diǎn)o點(diǎn)最近鄰原子為一個(gè)對(duì)角線1/4處的原子、三個(gè)面心原子，它們形成了一個(gè)正四面體，每個(gè)鍵為共價(jià)鍵結(jié)合。2.每個(gè)原子最外層價(jià)電子為一個(gè)s態(tài)電子和三個(gè)p態(tài)電子。在與相鄰四個(gè)原子結(jié)合時(shí)，四個(gè)共用的電子對(duì)完全等價(jià)，難以區(qū)分出s與p態(tài)電子，因而人們提出了“雜化軌道”的概念：一個(gè)s和三個(gè)p軌道形成了能量相同的sp3雜化軌道。之間的夾角均為109°28’。3.結(jié)晶學(xué)元胞為立方對(duì)稱的晶胞，可看作是兩個(gè)面心立方晶胞沿立方體的空間對(duì)角線互相位移了1/4對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成。3.原字在晶胞中的排列：角頂原子8個(gè)、面心原子6個(gè)、內(nèi)部原子4個(gè)（周圍情況與角頂、面心原子不同，是相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格）。固體物理學(xué)原胞：體積最小的元胞。固體物理學(xué)元胞與面心立方晶格的元胞相同。但固體物理學(xué)元胞中的一個(gè)基元有兩個(gè)原子，而面心立方的原胞中只包含一個(gè)原子結(jié)晶學(xué)原胞：外觀觀測(cè)、對(duì)稱性好，易于分析。4.(111)面的堆積與面心立方的密堆積類似，但其正四面體的中心有一個(gè)原子，面心立方的中心沒(méi)有原子。金剛石結(jié)構(gòu)的(111)面層包含了套構(gòu)的原子，形成了雙原子層的A層。以雙原子層的形式按ABCABC層排列金剛石結(jié)構(gòu)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表示沿晶體對(duì)角線位移1/4的另一個(gè)面心立方晶格上的原子。晶格常數(shù)：硅0.543nm,鍺0.566nm密度：Si:5.00*1022cm-3,Ge:4.42*1022cm-3共價(jià)鍵半徑：Si:0.117nm,Ge:

0.122nm.常用參數(shù)2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵在金剛石結(jié)構(gòu)中，若由兩類原子組成，分別占據(jù)兩套面心立方，則稱為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。價(jià)鍵：共價(jià)鍵，也是SP3雜化軌道，但有一定成份的“離子鍵”，稱之為“極性半導(dǎo)體”。

(極性物質(zhì)：正負(fù)電荷中心不重合的物質(zhì)，會(huì)形成“電偶極子”)，如砷化鎵中，砷具有較強(qiáng)的電負(fù)性(得電子能力)。因此，砷(V)相當(dāng)于負(fù)離子，鎵(III)相當(dāng)于正離子。每個(gè)原子被四個(gè)異類原子所包圍。若角頂和面心上為III族原子，則內(nèi)部4個(gè)原子為V族原子。兩類原子：III族(銦,鎵)和V族(磷,砷,銻)堆積方式：III、V族原子構(gòu)成雙原子層堆積，每一個(gè)原子層都是一個(gè)[111]面，III、V族化合物具有離子性，因而構(gòu)成一個(gè)電偶極層。與金剛石結(jié)構(gòu)一樣，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V化合物都由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成。稱這種晶格為雙原子復(fù)式晶格。晶格的周期性原胞中含有兩個(gè)原子：一個(gè)是III原子，另一個(gè)是V族原子。III

V：[111]方向，III族原子層為[111]面。3。纖鋅礦型結(jié)構(gòu)

主要由II和VI族原子構(gòu)成，它們的大小、電負(fù)性差異較大。呈現(xiàn)較強(qiáng)的離子性，如：硫化鋅、硫化鎘等。六角密堆積結(jié)構(gòu)：ABABAB……;兩套六角的套構(gòu)形成了纖鋅礦結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子與最近鄰的四個(gè)原子依然保持“正四面體”結(jié)構(gòu)。氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶

特點(diǎn)：兩面心立方沿任一邊移動(dòng)1/2晶格常數(shù)所套購(gòu)而成。代表材料：部分IV-VI族材料，如硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等。其它類型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)多晶半導(dǎo)體：多晶硅非晶半導(dǎo)體：非晶硅，有機(jī)半導(dǎo)體等。其中，有機(jī)半導(dǎo)體用于制備a、可彎曲，甚至折疊b、高亮度、高響應(yīng)度的顯示器。半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鍵態(tài)特點(diǎn)代表物質(zhì)金剛石原胞：正四面體晶胞：立方對(duì)稱共價(jià)鍵硅、鍺閃鋅礦晶胞：立方對(duì)稱