第五章 典型半导体材料及电子材料晶体 结构特点及有关性质 2020/9/7
2020/9/7 1 第五章 典型半导体材料及电子材料晶体 结构特点及有关性质
第五章 典型半导体材料及电子材料晶体 结构特点及有关性质 5.1典型半导体材料晶体结构类型 5.2半导体材料晶体结构与性能 5.3电子材料中其他几种典型晶体结构 5.4固溶体晶体结构 5.5液晶的结构及特征 5.6纳米晶体的结构及特征 2020/9/7 注：带金刚石晶胞结构模型上课 2
2020/9/7 2 第五章 典型半导体材料及电子材料晶体 结构特点及有关性质 5.1 典型半导体材料晶体结构类型 5.2 半导体材料晶体结构与性能 5.3 电子材料中其他几种典型晶体结构 5.4 固溶体晶体结构 5.5 液晶的结构及特征 5.6 纳米晶体的结构及特征 注：带金刚石晶胞结构模型上课
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的 电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而 增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象 的首次发现。不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在 光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导 体的第二个特征。 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应， 这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩一 四个伴生效应的发) 虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911 年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947 年12月才由贝尔实验室完成。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与 所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通 的：如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应 也是泮导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应
2020/9/7 3 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的 电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而 增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象 的首次发现。不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在 光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导 体的第二个特征。 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应， 这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩── 四个伴生效应的发) 虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911 年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947 年12月才由贝尔实验室完成。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与 所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通 的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应， 也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应
5.1典型半导体材料晶体结构类型 第一代：单质半导体（元素半导体） 锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)、硼(B). 第二代：化合物半导体 砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb); 三元化合物半导体，如：GaAsAl、GaAsP: 一些固溶体半导体，如：Ge-Si、GaAs-GaP; 玻璃半导体（又称非晶态半导体），如：非晶硅、玻璃态氧化 物半导体； 有机半导体，如：酞菁、酞菁铜、聚丙烯晴等。 第三代：宽禁带半导体 氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、氨化镓(GaN)、金刚石、氨化铝 (AIN)为代表的宽禁带半导体材料(Eg>2.2v)）。 2020/9/7
2020/9/7 4 5.1 典型半导体材料晶体结构类型 第一代：单质半导体(元素半导体) 锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)、硼(B). 第二代：化合物半导体 砷化镓(GaAs)、锑化铟（InSb）； 三元化合物半导体，如: GaAsAl、GaAsP； 一些固溶体半导体，如: Ge-Si、GaAs-GaP； 玻璃半导体(又称非晶态半导体），如: 非晶硅、玻璃态氧化 物半导体； 有机半导体，如: 酞菁、酞菁铜、聚丙烯晴等。 第三代：宽禁带半导体 氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC) 、氮化镓( GaN)、金刚石、氮化铝 （AlN）为代表的宽禁带半导体材料（Eg>2.2ev）
5.1典型半导体材料晶体结构类型 目前使用的晶态半导体主要是Ge、Si以及Ⅲ-V、Ⅱ-M 族化合物，它们的晶体结构主要是金刚石型及闪锌矿型，个别 有纤锌矿型及氯化钠型。 晶体结构 晶系 点群 主要半导体材料 金刚石型 立方 0.-m3m C、Si、Ge、灰Sn 闪锌矿型 立方 Td- 43m BP、AlP、GaP、InP、BAs、AlAs、GaAs、 (立方ZnS型) InAs、AlSb、GaSb、InSb、BN*、Zns、ZnSe、 ZnTe、CdTe、HgSe、HgTe、SiC 纤锌矿型 六方 C6v-6mm BN'、ZnS、CdS、CdSe、ZnO、AlN、GaN、 (六方ZnS型) InN 氯化钠型 立方 On-m3m PbS、PbSe、PbTe、GdO(钆) *具有两种结构类型 2020/9/7
2020/9/7 5 5.1 典型半导体材料晶体结构类型 目前使用的晶态半导体主要是Ge、Si 以及Ⅲ－Ⅴ、Ⅱ－Ⅵ 族化合物，它们的晶体结构主要是金刚石型及闪锌矿型，个别 有纤锌矿型及氯化钠型。 *具有两种结构类型 晶体结构 晶系 点群 主要半导体材料 金刚石型 立方 Oh－m3m C、Si、Ge、灰Sn 闪锌矿型 (立方ZnS型) 立方 Td－ , 3m BP、AlP、GaP、InP、BAs、AlAs、GaAs、 InAs、AlSb、GaSb、InSb、BN*、ZnS*、ZnSe、 ZnTe、CdTe、HgSe、HgTe、SiC 纤锌矿型 (六方ZnS型) 六方 C6v－6mm BN*、ZnS*、CdS、CdSe、ZnO、AlN、GaN、 InN 氯化钠型 立方 Oh－m3m PbS、PbSe、PbTe、GdO(钆) − 4
5.1.1金刚石型结构 Si 核外电子数14 电子排布式1s22s22p63s23P2 Ge 核外电子数32 电子排布式子1s22s22p63s23p63d104s24p2 在Si原子与Si原子、Ge原子与Ge原子相互作用构成Si、Ge晶体时，由 于每个原子核对其外层电子都有较强的吸引力，且是同一种原子相互作 用，因此原子之间将选择共价键方式结合。 非极性共价键 2020/97 6
2020/9/7 6 5.1.1 金刚石型结构 Si 核外电子数 14 Ge 核外电子数 32 在Si原子与Si原子、Ge原子与Ge原子相互作用构成Si、Ge晶体时，由 于每个原子核对其外层电子都有较强的吸引力，且是同一种原子相互作 用，因此原子之间将选择共价键方式结合。 电子排布式 1s2 2s22p6 3s23P2 电子排布式子 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p2 非极性共价键
5.1.1金刚石型结构 Si 核外电子数14 电子排布式 1s22s22p63s23P2 Ge 核外电子数32 电子排布式1s22s22p63s23p3d04s24p2 在Si原子与Si原子，Ge原子与Ge原子相互作用 构成Si、Ge晶体时，由于每个原子核对其外层电子 都有较强的吸引力，又是同一种原子相互作用，因 此原子之间将选择共价键方式结合。 2020/9/7
2020/9/7 7 5.1.1 金刚石型结构 Si 核外电子数 14 电子排布式 1s2 2s22p6 3s23P2 Ge 核外电子数 32 电子排布式 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p2 在Si原子与Si原子，Ge原子与Ge原子相互作用 构成Si、Ge晶体时，由于每个原子核对其外层电子 都有较强的吸引力，又是同一种原子相互作用，因 此原子之间将选择共价键方式结合
为了形成具有八个外层电子的稳定结构，必然趋于与邻近的四个原子形成四 个共价键，由杂化理论可知，一个s轨道和三个轨道杂化，结果产生四个等同的 5印轨道，电子云的方向刚好指向以原子核为中心的正四面体的四个顶角，四个 键在空间处于均衡，每两个键的夹角都是109°28'。如图5.11所示。 19281 图5.11sp杂化轨道 2020/9/7 8
2020/9/7 8 为了形成具有八个外层电子的稳定结构，必然趋于与邻近的四个原子形成四 个共价键，由杂化理论可知，一个s轨道和三个p轨道杂化，结果产生四个等同的 sp3轨道，电子云的方向刚好指向以原子核为中心的正四面体的四个顶角，四个 键在空间处于均衡，每两个键的夹角都是109°28'。如图5.11所示
每个原子都按此正四面体键，彼此以共价键结合在一起，便形成如 图5.1.2和图5.1.3所示的三维空间规则排列结构一金刚石性结构。 金刚石型结构的晶体具有0群的高度对称性！！ 金刚石的对称 中心在哪里？ [111] 图5.1.3金刚石型结构晶胞 图5.1.2金刚石型结构原子连接方式 2020/9/7
2020/9/7 9 每个原子都按此正四面体键，彼此以共价键结合在一起，便形成如 图5.1.2和图5.1.3所示的三维空间规则排列结构—金刚石性结构。 金刚石型结构的晶体具有Oh群的高度对称性 !!! [111] 金刚石的对称 中心在哪里？
5.1.2闪锌矿结构 化合物半导体GaAs、InSb、GaP等都属于闪锌矿结构，以GaAs为例介绍 其结构特点。 Ga的原子序数31 核外电子排布式1s22s22p63s23p63d104s24p As的原子序数33 核外电子排布式1s22s22p63s23p63d104s24p3 Ga的电负性X=1.6As的电负性x=2.0 △X=0.4<1.5 形成共价键（极性共价键） 在GaAs形成共价键的过程中，与Si、Ge的结构相似，也发生sp杂化，所 不同的是每个As原子周围有4个Ga原子，每个Ga原子周围有4个As原子。 如果不考虑原子的种类，单从骨架上看GaAs与S的结构十分相似。 2020/9/7 10
2020/9/7 10 5.1.2 闪锌矿结构 化合物半导体 GaAs、InSb、GaP等都属于闪锌矿结构，以GaAs为例介绍 其结构特点。 Ga 的原子序数 31 核外电子排布式 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p1 As 的原子序数 33 核外电子排布式 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p3 Ga 的电负性 x＝1.6 As的电负性 x＝2.0 △x＝0.4<1.5 形成共价键 (极性共价键) 在GaAs形成共价键的过程中，与Si、Ge的结构相似，也发生sp3杂化，所 不同的是每个As原子周围有4个Ga原子，每个Ga原子周围有4个As原子。 如果不考虑原子的种类，单从骨架上看GaAs与Si的结构十分相似