半导体材料

半导体材料的种类很多，可分为无机半导体和有机半导体。又可按其化学成分，分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体。杂质半导体按其导电类型，又分为n型半导体和p型半导体。

此外，根据半导体材料的物理特性，还有磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体等之分。目前获得广泛应用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓、磷化镓、硫化镉、锑化铟等，其中锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟、应用得最多。

自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。

所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称晶格。最小的晶格，称为晶胞。

晶胞的各向长度称为晶格常数。将晶格周期地重复排列起来，就构成为晶体。晶体分为单晶体和多晶体。

整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体，称为多晶体。在多晶体种，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。

非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序”的排列，所以又称为无定形态。一般的硅棒是单晶体，粗制硅（冶金硅）和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜未多晶硅，也可以未无定形硅。

图1-2所示未晶体硅的晶胞结构。它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1/4互相套构而成。这种结构被称为金刚石式结构。

硅（si）、锗（ge）等重要半导体均为金刚石式结构。1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结，这4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。

通过晶格种的硅原子可以作许多间距相同而互相平行的平面，称为晶面。垂直于晶面的法线方向，称为晶向。具有同一晶向的所有晶面都相似，称为晶面族。

一块晶体可以划分出许多晶面族。为区分硅的不同晶面和晶向，可设想利用3个互相垂直的坐标轴，将每一个晶面在空间的位置用其与这3个坐标轴相截的关系来表示。通常用各轴上截距的倒数即晶面指数来表示。

如图1-3所示，其中（111）面值的晶面与坐标系的x、y、z3个轴的截距的倒数为1个周期；（110）面指的是晶面与坐标系x、y轴的截距倒数为1个周期，z轴为0表示它平行于z轴；（100）面为只截取x轴而平行于y轴和z轴的任何平面。常见晶体硅的主要晶面，即为这3个晶面。

晶体具有各向异性的特征，即在不同的晶面某些物理性质和化学性质会有很大的差别。

图1-1硅的原子结构图1-2 晶体硅的晶胞结构。

图1-3 晶体硅的主要晶面示意图。

能量和能带。

原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在这一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层，电子只能在壳层里绕核运动。在稳定状态，每个壳层里运动的电子具有一定的能量状态，所以一个壳层相当于一个能量登记，称为能级。一个能级也表示电子的一种运动状态。

电子在壳层中的分布，须满足如下两个基本原理：

1 泡利不相容原理。原子中不可能有两个或两个以上的电子处于4个量子数都相当的同一运动状态中。

2 能量最小原理。原子中每个电子都有优先占据能量最低的空能级的趋势。

一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要的作用。

原子和原子的结合，主要靠外层的相互交合以及价电子运动的变化。

电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的能量，最里层的规定相应于最低的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外层的电子受原子核的束缚越弱，从而能量最大。电子不存在具有两层轨道中间的能量状态。为形象起见，可用一系列高低不同的水平线来表示电子在两层轨道中运动所能取得的能量值。

这些横线就是标志电子能量高低的电子能级。

在一个孤立的原子中，电子只能在各个允许d饿轨道上运动，不同轨道的电子能量不同。在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互重叠、相互影响，每个原子的电场相互叠加。这样，与轨道相对应的能级，就不是图中所示的单一的电子能级，而是**称为能量非常接近但又大小不同的许多电子能级。

这些由许多条能量相差很小的电子能级所组成的区域，看上去像一条带子，因而称为能带。每层轨道都有一个对应的能带，如图1-5所示。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽；内层的电子则由于受到相邻原子的影响较小，其所对应的能带则较窄。

电子在每个能带中的分布，一般是先填满较低的能级，然后逐步填充能量较高的能级，并且每条能级只允许填充两个具有相同能量的电子，如图1-6所示。

内层电子能级所对应的能带，都是被电子填满的。最外层价电子能级所对应的能带，有的被电子填满，有的未被填满，这主要取决于晶体的种类。例如，铜、银等金属晶体的价电子能带有一半的能级是空的，而硅、锗等半导体晶体的价电子能带则全部被电子填满。

图1-5 电子轨道对应的能带。

图1-6 电子在能带上的分布。

图1-8所示为金属、半导体和绝缘体的能带图。如图1-8（b）所示，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带去参加导电运动，必须从外界获得一个至少等于eg的附加能量，eg的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差，称为禁带宽度或者带隙，其单位为电子伏特（ev）。例如，硅的禁带宽度在室温下为1.

119ev的能量。电子就有可能越过禁带跳跃到导带里，晶体就会导电。

图1-8金属、半导体和绝缘体的能带图。

金属与半导体的区别在于它在一切条件下都有良好的导电性，其导带和价带重叠在一起，不存在禁带，即使接近0k，电子在外电场的作用下，照样可以参加导电。而半导体存在十分之几ev到4ev的禁带宽度。在0k时电子充满价带，导带是空的，此时绝缘体一样不能导电。

当温度高于0k时，晶体内部产生热运动，使价带中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带，这个过程称为激发，这事半导体就具有一定的导电能力。激发到导带的电子数目是由温度和晶体的禁带宽度决定的。温度越高，激发到导带的电子数目越多，导电性越好；温度相同，禁带宽度越小的晶体，激发到导带的电子数目就多，导电性越好。

而半导体与绝缘体的区别，则在于禁带宽度不同。绝缘体的禁带宽度比较大，一般在5~10ev，在室温时激发到导带上的电子数目非常少，因而其电导率很小；半导体的禁带宽度比绝缘体小，所以在室温时有相当数量的电子会跳跃到导带上去。

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