单质半导体的晶体结构类型
硅单质
正四价（+4价）
硅的结构特点
硅原子最外层有4个电子 既不容易失电子，也不容易得电子
主要形成四价的化合物
1、硅的工业制法 ：
粗硅：
高温
2C+ SiO2=== Si+2CO↑
纯硅：Si+2Cl2====SiCl4
高温
SiCl4+2H2===Si+4HCl
第四章 非金属及其化合物
第一节 无机非金属材料的主角 ——硅
思考:提及到“硅”这一个词,你能联想到哪些
硅谷: 美国新兴的高技术产业开发区,电子技术研 究中心,计算机生产的重要基地,位于加利 福尼亚州圣弗朗西斯科南端.
半导体: 单晶硅是半导体器材的核心材料,硅半导 体是集成电路的主要材料,估计在21世 纪,硅仍然会占半导体材料的95%以上.
硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳 中大部分的岩石、沙子和土壤、
约占地壳总量的90%以上。
我们生存的地球，她坚硬的 地壳是由什么构成的？
岩石 ——构成岩石的主要成分
是硅酸盐及硅的氧化物。
硅元素(silicon)在地壳中的含量
氢0.16% 其他1.20%
镁2.00%
钾2.47%
钠2.74% 钙3.45% 铁4.75%
从古到今在无机非金属材料中硅一直都扮演着主要的角色硅原子最外层有4个电子既不容易失电子也不容易得电子主要形成四价的化合物2csiosi2cosi2clsi4hclsi2fsic高温si2xxclbrisi4hfsifhf强碱反应晶体硅是良好的半导体材料晶体硅的结构晶体硅的结构类似于金刚石太阳能电池cpucpu大规模集成电路变压器铁芯等太阳能电池
半导体材料概述
12
2）C60
❖ C60分子由五原环和 六元环构成的炭笼分 子结构
❖ 常温常压下发生向金 刚石转变的结构变相， 为金刚石的人工合成 提供了潜在的新途径
❖ 金刚石薄膜CVD淀 积前在衬底上涂一层 C60对成核起明显促 进作用
炭笼分子结构
13
3）碳纳米管（CNT）
❖ 碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米 的中间空闭合管状物。
33
硅材料的优点
❖ 资源丰富、易于提高到极纯的纯度
❖ 较易生长出大直径无位错单晶
❖ 易于对进行可控n型和p型掺杂
❖ 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和 非晶硅薄膜材料
34
❖ 易于进行腐蚀加工 ❖ 带隙大小适中 ❖ 硅有相当好的力学性能 ❖ 硅本身是一种稳定的绿色材料
35
❖ 可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻 欧姆接触
❖ 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜场效 应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关 速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工 艺兼容等特点
38
非晶硅的优点
❖ 非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化 膜材料之一
❖ 对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能、 增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其 封装成品率等有重要作用
❖ 室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定
❖ 加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开 始离解
50
GaAs电学性质
❖ 电子迁移率高达 8000 cm2 V S
❖ GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
❖ 用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
❖ 高频器件，军事上应用
7
半导体的晶体结构
材料科学基础第一章晶体结构(三单质晶体结构)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
配位数 12；8（8＋6）；12 致密度 0.74；0.68； 0.74
配位数（CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离 的原子数。 致密度（K）：晶体结构中 原子体积占总体积的百分数。 K=nv/V。
linear density
<100>
a
2 1 2
1
aa
a
2 1 2
1
aa
<110>
2a
2
1 2
0.7
2a a
2a
2
1 2
1
1.4
2a a
<111>
3a
2
1 2
1
1.16
3a a
3a
2
1 2
0.58
3a a
案例讨论：工程上大量使用低碳钢渗碳件，试分析材 料的渗碳行为与哪些因素有关? 晶格常数? 结构类型? 致密度?....?
1.4单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。 一、金属晶体的结构 二、非金属元素单质的晶体结构
一、金属晶体的结构
香港国际机场 案例讨论：工程上大量使用钢铁材料，钢和铁在 性能上差别较大，各有优势，设想这种差别的来 源。
一、金属晶体的结构
1.常见金属晶体结构
典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质， 使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶 体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体，其晶胞结构如图1-10 所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的 共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是A4型结构（与金刚石相似）， 锑是A7型结构等。
模拟电子技术基础总结讲课稿
模拟电子技术基础总结第一章晶体二极管及应用电路一、半导体知识1．本征半导体·单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅（Si）和锗（Ge）（图1-2）。
前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。
·纯净（纯度>7N）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。
在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）（图1-3）。
本征激发产生两种带电性质相反的载流子——自由电子和空穴对。
温度越高，本征激发越强。
·空穴是半导体中的一种等效q+载流子。
空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显示q+电荷的空位宏观定向运动（图1-4）。
·在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。
复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。
2．杂质半导体·在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P 型）杂质半导体（N型：图1-5，P型：图1-6）。
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢1·在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。
·由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
·在常温下，多子>>少子（图1-7）。
多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；两少子浓度是温度的敏感函数。
·在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。
3．半导体中的两种电流在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。
4．PN结·在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层——PN结（图1-8）。
半导体物理第1章 半导体中的电子状态
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理 ，原来分属于N个原子的相同的价电子能 级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍 有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比 相同点 以正四面体结构为基础构成 区别 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强
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
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系 设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿
(整理)单晶硅、多晶硅、有机硅
已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。
用途
硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
Si-O 486
Si-F 582
Si-Cl 391
Si-Si 226
热导率: W/(m·K)
149
晶胞参数：
a = 543.09 pm
b = 543.09 pm
c = 543.09 pm
α= 90°
β= 90°
γ= 90°
莫氏硬度：6.5
声音在其中的传播速率：（m/S）
8433
电离能(kJ/ mol)
晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4克／立方厘米，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，
结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。
硅的用途：
①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
常见九种典型的晶体结构
5.5-6A
▪ 层电荷的来源
(1) 来源于四面体片的 Al->Si替代。这时，与配 平电荷的层间阳离子距离 较近，称之为“近电”。
记为 Xt
(2) 来源于八面体片的 Mg->Al替代。这时，于配 平电荷的层间阳离子距离 较远，称之为“远电”。
记为 Xo
▪ 层电荷的分布
在晶胞所示范围 内，每个单面只 有-0.33价的电荷。
层间域 结构单元层之间的空间叫层间域。层间域可以完全空置，也
可以被其它物质充填，如离子，分子，水和有机物等。
滑石结构
云母结构
高岭石(kaolinite)
八面体阳离子在每层占据同样的位置。
7.17-7.20A
7.17
4.30 3.37 2.22
0.65 0.00
▪ 按实际离子半径得到的1:1层型结构
物质名称 化学式
a0/nm
H D / g/cm3
颜色 熔点(℃)
主要用途
特点
金刚石
单晶硅
锗
α锡
C
Si
Ge
Sn
0.3567 0.5431 0.5623
0.6489
10
7
6
5
3.51
2.336
5.47
5.77
无色
黑色
淡灰色
白色
3550
1410
958
937
超硬材料 半导体材料 半导体材料 焊锡材料
由左至右，物质的共价键性逐步变弱
二八面体结构的O层
每个配位离子被两个八 面体共用，分给每个八 面体样子-1/2价电荷，6 个共-3价，因此八面体 阳离子为+3价。
结构单元层及基本类型 T层和O层的不同堆积方式构成了层状结构硅酸盐的结构单元层： 1∶1型（TO型）：1层T层和1层O层，代表矿物是高岭石。 2∶1型（TOT型）：2层T层夹1层O层，代表矿物是滑石。
晶体硅主要成分
晶体硅主要成分晶体硅是一种重要的半导体材料，其主要成分为硅元素。
硅元素是地壳中含量最丰富的非金属元素之一，其化学性质稳定，具有良好的热稳定性和化学稳定性。
因此，硅元素被广泛应用于电子、光电、光伏等领域。
晶体硅是由高纯度硅单质经过熔炼、提纯等工艺制成的。
晶体硅具有晶体结构，其晶体结构可分为单晶、多晶和非晶三种形态。
其中，单晶晶体硅是一种高品质的半导体材料，其晶格结构完整，电子迁移率高，具有良好的电学性能和光学性能。
晶体硅具有优异的半导体特性，其导电性介于导体和绝缘体之间。
晶体硅的电学特性受控于材料的掺杂程度和晶体结构，通过控制晶体硅的掺杂程度和晶体生长条件，可以改变其电学性能和光学性能。
晶体硅被广泛应用于集成电路、太阳能电池、光电器件等领域。
晶体硅的制备工艺繁琐，其制备过程包括硅单质的提纯、熔炼、晶体生长等多个步骤。
其中，晶体生长是制备高品质晶体硅的关键步骤。
晶体生长过程中，通过控制熔体温度、晶体生长速度等参数，可以获得高品质的晶体硅。
在集成电路领域，晶体硅是最常用的半导体材料之一。
晶体硅在集成电路中发挥重要作用，它可以作为电子器件的基底材料，承载电路元件和电路连接线。
晶体硅的电学特性优异，可以实现高速、低功耗的电路设计。
在太阳能电池领域，晶体硅也是一种重要的材料。
晶体硅太阳能电池具有高转换效率、长寿命等优点，被广泛应用于太阳能光伏发电系统中。
晶体硅太阳能电池的制备过程需要高纯度硅单质，制备工艺较为繁琐。
晶体硅是一种重要的半导体材料，其主要成分为硅元素。
晶体硅具有良好的电学性能和光学性能，被广泛应用于集成电路、太阳能电池、光电器件等领域。
晶体硅的制备工艺繁琐，制备工艺的不断改进和优化，将会推动晶体硅在各个领域的应用发展。
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单质半导体的晶体结构类型
单质半导体是一种晶体结构特殊的材料，其内部原子的排列方式对其电子传导性能和光学特性起着关键作用。
在本文中，我们将详细介绍四种常见的单质半导体晶体结构类型，分别是钻石结构、锌矿石结构、立方密堆和六方密堆。
每种晶体结构类型都具有不同的原子排列方式和特性。
一、钻石结构
钻石结构是碳（C）和硅（Si）等元素常见的晶体结构类型。
它是一种简单的立方紧密堆积的结构，其中每个原子都有四个近邻原子。
这种结构是通过每个原子与其近邻原子共享四个电子对来形成的，这种共价键的形成使得钻石结构中的原子具有很高的稳定性。
由于共价键的强度，钻石结构半导体具有很高的结构稳定性和硬度。
此外，由于共价键的存在，这种结构具有较大的禁带宽度，使其在常温下几乎没有自由电子可以导电，从而表现出非常高的电阻率。
然而，一旦传入合适的能量（例如通过热激活或光激发），共价键会被破坏，产生自由电子和空穴，从而导致半导体材料表现出半导体特性。
二、锌矿石结构
锌矿石结构是一种典型的离子晶体结构类型，常见于化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）和碲化汞（HgTe）。
在锌矿石结构中，阳离子（通常是金属离子）位于立方晶胞的顶点和中心位置，而阴离子则位于晶胞的八面体和四面体孔中。
锌矿石结构的特点是具有大的禁带宽度和较高的熔点，而且这种结构在高温下也十分稳定。
由于离子键的形成，锌矿石结构的半导体材料通常
具有较高的移动性和载流子浓度，以及较小的自由电子和空穴有效质量。
因此，锌矿石结构材料的电导率通常比钻石结构材料高。
三、立方密堆
立方密堆是一种属于密堆结构类型的晶体结构，常见于金属半导体材料，如铜（Cu）。
在立方密堆中，每个原子都有12个近邻原子，其中六
个相邻的原子位于正方形平面上，而另外六个相邻的原子位于正方形平面
上方或下方的四个六边形顶点的中点。
由于金属材料的特性，立方密堆结构的金属半导体通常具有高电导率
和低禁带宽度。
在立方密堆结构中，金属原子之间的键结合强度相对较弱，因此容易形成自由电子和空穴，从而导致材料表现出良好的导电特性。
四、六方密堆
六方密堆是一种属于密堆结构类型的晶体结构，常见于同属立方晶系
的半导体材料，如硅（Si）和锗（Ge）。
在六方密堆结构中，每个原子都
有12个近邻原子，其中分别位于垂直于六边形平面上方和下方的六个三
角形平面上。
由于硅和锗等材料的导电机制是通过共价键形成的，六方密堆结构的
硅和锗等半导体材料表现出中等的导电特性和禁带宽度。
与立方密堆结构
相比，六方密堆结构的材料在导电性质上表现出较低的移动性和载流子浓度。
综上所述，单质半导体材料的晶体结构类型主要包括钻石结构、锌矿
石结构、立方密堆和六方密堆。
每种结构类型都对材料的导电性质和光学
特性产生重要影响，了解并研究这些结构类型对于深入理解单质半导体材
料的性质和应用具有重要意义。