1.1.1 金刚石型结构和共价键(Si、Ge)
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
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➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
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A D
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Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
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1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
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1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的
原子组成。
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➢ 闪锌矿型结构的结晶学原胞 由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼
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1.1.3 纤锌矿型结构
材料：Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。 如：CdS、ZnSe、ZnS
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 纤锌矿型结构特点： 与闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础
构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，如 下图所示。
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它是由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积 而成，但它只有两种类型的六方原子层，它的(001)面规则 地按ABABAB…顺序堆积。
➢晶 格 常 数 ： 晶 胞 与 晶 格 的 关 系
可用三个向量a、b及c来表示，它
们彼此之间不需要正交，而且在
长度上不一定相同，称为晶格常
数。每个三维空间晶体中的等效 格点可用下面的向量组表示：
R＝ma + nb + pc
cγ
βb
α
a
其中m、n及p是整数。 半导体物理第一章
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二、三种立方晶体原胞
➢简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且 每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周 期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。
➢体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个 原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠 (sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。
第一章 半导体中的电子状态
1.1 半导体的晶体结构和结合性质 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中电子的运动—— 1.4 本征半导体的导电机构—— 1.5 回旋共振 1.6 硅和锗的能带结构 1.7 砷化镓的能带结构
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本章重点：
➢ Si、Ge、GaAs的晶体结构 ➢ 导体、半导体、绝缘体的能带 ➢ 有效质量 ➢ 本征半导体导电机构、空穴 ➢ Si、Ge、GaAs的能带结构
➢ 注意：因为各原子中
相似壳层上的电子才
有相同的能量，电子
只能在相似壳层间转
移。因此，共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层
间的交叠(如3s能级引起3s的共有化运动)
半导体物理第一章
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三、晶体的能带
彼此孤立的原子互相靠近时，每个原子中的电子除受到 本身原子的势场作用外，还要受到其它原子势场的作用，导 致能级分裂，原子靠得越近，分裂得越厉害。
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1.1 半导体的晶体结构和结合性质
晶胞（补充）
一、基本概念
➢晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 ➢晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元称为晶胞，用
来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续 延伸，即可产生整个晶格。
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➢单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 ➢多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶体
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ZnS、CdS、ZnSe等都能以闪锌矿型和纤锌矿型两种 方式结晶，该共价键化和物晶体中，其结合的性质也具有 离子键，但这两种元素的电负性差别较大，如果离子性结 合占优势的话，就倾向于构成纤钎矿型结构。
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1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子的能级和晶体的能带
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➢ 金刚石型结构的结晶学原胞
是立方对称的晶胞，可以看成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的空间对角线长度套构而 成的。原子在晶胞中排列的情况是：八个原子位于立方体的 八个角顶上，六个原子位于六个面中心上，晶胞内部有四个 原子。立方体顶角和面心上的 原子与这四个原子周围情况不 同，所以它是由相同原子构成 的复式晶格。
不考虑原子本身的简并
四 个 原 分子 裂的 能 级 的
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N个原子的能级的分裂
实际晶体中N值很大，能级又靠得很近，故每一个能 带中的能级基本上是连续的， 即“准连续能级”
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“准连续能级”组 成能带，称为允许 带(允带)。允带之间 因没有能级称为禁 带
s能级、内壳层能级共有化运动很弱，能 级分裂小、晚，形成的能带窄；p、d、f 能级、外壳层能级共有化运动很显著， 能级分裂很厉害、早，形成的能带宽。
一、孤立原子的能级
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二、电子共有化运动
➢ 当孤立原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子 壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠较 多(共有化运动也显著)，内壳层交叠较少；
➢ 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上 去，因而电子将可以在整个晶体中运动，即电子的共有化 运动；