铜（Cu）
金（Au） 银（Ag）
金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
硅（Si） 锗（Ge）
大量的硅（Si）、锗 （Ge）原子靠共价键 结合组合成晶体，每 个原子周围都有四个 最邻近的原子，组成 正四面体结构， 。这 四个原子分别处在正 四面体的四个顶角上， 任一顶角上的原子各 贡献一个价电子和中 心原子的四个价电子 分别组成电子对，作 为两个原子所共有的 价电子对。
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs）
磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS)
硫化镉(CdS)
例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
晶体的各向异性
沿晶格的不同方向，原子排列的周期 性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在 不同方向的物理特性也不同 。
光照与半导体
光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。 例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧， 然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以 后改变了几百倍。 光敏电阻 成为自动化控制中的一个重要元件。
其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他 外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
1.1.3 半导体的晶体结构
晶体结构是指原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。 晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代表， 称这个最基本的单元叫晶胞。 晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而成， 整个晶体就像网格一样，称为晶格。 格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格点， 格点的总体称点阵。
杂质与半导体
杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。 例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m， 若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会 降至20Ω·m。 虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至 原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都 利用了半导体的这一特性。（杂质敏感性）
晶体的各向异性具体表现在晶体不同 方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、 导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强 度、磁化率和折射率等都是不同的。
在ACC’A’平面 内有六个原子， 在ADD’A’平面 内有五个原子， 且这两个平面 内原子的间距 不同。
晶面指数（密勒指数）
常用密勒指数来标志晶向的不同取向。 密勒指数是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密 勒指数。
在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
硅
（Si）
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。 到目前为止，硅可以说是元素周期表中 被研究最多且技术最成熟的半导体元素。
如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110）， 晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ ）；
例1-3
1.1.5 半导体材料简介
元素半导体 化合物半导体
硅（Si） 锗（Ge）
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
第1章 半导体材料的基本性质
1.1 半导体与基本晶体结构
1.1.1 半导体
电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。 晶体
E1
原子核
E2 E3
能级
电子受到原子核和其 他电子的共同作用。
轨道 电子云在空间分布几率最 大值，即轨道上，电子出现的几 率最大。
晶体中的电子
制造半导体器件所用的材 料大多是单晶体。 单晶体是由原子按一定周 期重复排列而成，且排列 相当紧密，相邻原子间距 只有零点几个纳米的数量 级。 当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子 的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的 电子）作用。 电子不仅可以围绕自身原子核旋转限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构
●面心立方结构
●金刚石结构
●闪锌矿结构
金刚石结构的晶胞与平面示意图
a）金刚石型结构的晶胞 b）硅晶体的平面结构示意图
晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，形成 格点，成为晶格。
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo）
钨（W）
面心立方结构
铝（Al）
半导体
1.1.2 半导体材料的基本特性 温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。 金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温 度升高而增加，且增加得很慢）； 半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温 度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。
热敏电阻 对温度敏感，体积又小，热惯性也小， 寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、 自动化等许多方面都有广泛的应用价值。
1.2半导体的能带
1.2.1 孤立原子中电子能级
孤立氢原子中电子能量公式： m0 是自由电子的 惯性质量；q为电 子电荷；ε0 为真空 介电常数；h为普 朗克常数；n为量 子数取正整数。根 据上式可得氢原子 能级图。
1.2 半导体中的电子状态和能带 单个原子的电子
电子 -
静电引力（库仑力），使电子只 能在围绕原子核的轨道上运动。 量子力学 虽然在空间的所有范 围内都有电子出现的几率，但对 单个原子中的电子而言，其几率 的最大值则局限在离原子核中心 很小的范围内（玻尔半径数量 级）。