第1章 半导体的物质结构和能带结构2011剖析
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第一章 半导体的物质结构和能带结构
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
2020年11月10日星期二
西安理工大学电子工程系 马剑平
1
第一章 半导体的物质结构和能带结构
Au 2.4 Na 0.72
Hg 1.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 (Phillips尺度考虑了价电子的屏蔽)
Mg 0.95 Al 1.18 Si 1.41 P 1.64 S 1.87
Cl 2.1
Rn 3.0
Cu 0.79 Zn 0.91 Ga 1.13 Ge 1.35 As 1.57 Se 1.79 Br 2.01
2020年11月10日星期二
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4、电负性与半导体
各种半导体的构成元素大多位于元 素周期表中居中的位置，其构成元 素的电负性(化合物半导体的平均 电负性)属中等水平。
2020年11月10日星期二
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二、共价结合与正四面体结构
1、原子排列近程序的3个基本要素 配位数、键长和键角
2、共价结合的配位数 元素型共价键晶体的配位数遵从8－N法则； 化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。
III-V、II-VI化合物的平均价电子数与 IV族元素型共价键晶 体一样，都是4配位。
3、正四面体结构（Tetrahedron）
原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为109º28’ 。
2020年11月10日星期二
12
闪锌矿型晶体结构和混合键
材料: Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP
化学键: 共价键+离子键
(共价键占优势）
极性半导体
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2、纤锌矿结构(wurtzite)
闪锌矿加热到1020℃时的变形体，属六方对称晶型。 ABAB…方式堆垛
以ABAC为周期堆成4H型，其六方结构含量50％； 以ABCACB为周期堆成6H型，其六方结构含量33％； 以ABACBABC为周期堆成8H型，其六方结构含量25％；
Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8 Kr 3.24
Ag 1.9 Cd 1.7 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.3 Xe 3.02
Ag 0.57 Cd 0.83 In 0.99 Sn 1.15 Sb 1.31 Te 1.47 I 1.63
Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 1.09 Bi 1.24
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3、电负性决定原子的结合性质
就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性 大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较 少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。 就化合物的结合而言，电负性差别较大的两种元素倾向于离子 键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于共价键结合，但公 有电子向电负性较强的一边倾斜，因而具有一定的离子性，形 成混合键。构成混合键的两种元素的电负性差别越大，其离子 性越强。
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
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§1.1 半导体的晶格结构和结合性质
固态晶体具有多种结晶形态，分属7大晶系14种类型。 结晶半导体大多数属于立方(cubic)晶系和六方 (Hexagon)晶系，且都是四面体(tetradron)结构。只 有少数半导体具有其他结构。
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3、同质异晶型（polytype）
双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。 按ABAB顺序堆垛成纤锌矿结构(六方), 常用2H-表示；
按ABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构(立方), 用3C-或-表示；
按其他顺序堆垛成混合结构，例如：
固体中原子的结合，归结为5种方式。半导体中原 子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程 度不等的离子键成分。
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一、元素的电负性与原子的结合性质
原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电 子的能力，即电负性（electronegativity）。 1、电负性的定义 原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力， 其值为原子的电离能与电子亲和能之和。 电离能指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性 原子获得一个电子所释放的能量。
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三、金刚石（Diamond）结构
元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（Sn）的晶体结构。
金刚石
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晶格结构
金刚石结构
闪锌矿型结构
纤锌矿型结构
CsCl型结构
NaCl型结构
石墨结构
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四、闪锌矿和纤锌矿结构 双原子层的堆垛原则
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1、闪锌矿(Zincblende)
锌的主要矿石形态(硫化物), 属立方对称晶型。 ABCABC…方式堆垛
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2、元素的电负性及其变化规律
价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小；
电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。
H 2.10
一些元素的电负性 （Pauling尺度）
He 3.58
Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0 Ne 4.44
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
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第一章 半导体的物质结构和能带结构
Au 2.4 Na 0.72
Hg 1.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 (Phillips尺度考虑了价电子的屏蔽)
Mg 0.95 Al 1.18 Si 1.41 P 1.64 S 1.87
Cl 2.1
Rn 3.0
Cu 0.79 Zn 0.91 Ga 1.13 Ge 1.35 As 1.57 Se 1.79 Br 2.01
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4、电负性与半导体
各种半导体的构成元素大多位于元 素周期表中居中的位置，其构成元 素的电负性(化合物半导体的平均 电负性)属中等水平。
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二、共价结合与正四面体结构
1、原子排列近程序的3个基本要素 配位数、键长和键角
2、共价结合的配位数 元素型共价键晶体的配位数遵从8－N法则； 化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。
III-V、II-VI化合物的平均价电子数与 IV族元素型共价键晶 体一样，都是4配位。
3、正四面体结构（Tetrahedron）
原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为109º28’ 。
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闪锌矿型晶体结构和混合键
材料: Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP
化学键: 共价键+离子键
(共价键占优势）
极性半导体
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2、纤锌矿结构(wurtzite)
闪锌矿加热到1020℃时的变形体，属六方对称晶型。 ABAB…方式堆垛
以ABAC为周期堆成4H型，其六方结构含量50％； 以ABCACB为周期堆成6H型，其六方结构含量33％； 以ABACBABC为周期堆成8H型，其六方结构含量25％；
Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8 Kr 3.24
Ag 1.9 Cd 1.7 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.3 Xe 3.02
Ag 0.57 Cd 0.83 In 0.99 Sn 1.15 Sb 1.31 Te 1.47 I 1.63
Au 0.64 Hg 0.79 Tl 0.94 Pb 1.09 Bi 1.24
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3、电负性决定原子的结合性质
就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性 大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较 少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。 就化合物的结合而言，电负性差别较大的两种元素倾向于离子 键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于共价键结合，但公 有电子向电负性较强的一边倾斜，因而具有一定的离子性，形 成混合键。构成混合键的两种元素的电负性差别越大，其离子 性越强。
1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要
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§1.1 半导体的晶格结构和结合性质
固态晶体具有多种结晶形态，分属7大晶系14种类型。 结晶半导体大多数属于立方(cubic)晶系和六方 (Hexagon)晶系，且都是四面体(tetradron)结构。只 有少数半导体具有其他结构。
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3、同质异晶型（polytype）
双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。 按ABAB顺序堆垛成纤锌矿结构(六方), 常用2H-表示；
按ABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构(立方), 用3C-或-表示；
按其他顺序堆垛成混合结构，例如：
固体中原子的结合，归结为5种方式。半导体中原 子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程 度不等的离子键成分。
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一、元素的电负性与原子的结合性质
原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电 子的能力，即电负性（electronegativity）。 1、电负性的定义 原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力， 其值为原子的电离能与电子亲和能之和。 电离能指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性 原子获得一个电子所释放的能量。
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三、金刚石（Diamond）结构
元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（Sn）的晶体结构。
金刚石
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晶格结构
金刚石结构
闪锌矿型结构
纤锌矿型结构
CsCl型结构
NaCl型结构
石墨结构
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四、闪锌矿和纤锌矿结构 双原子层的堆垛原则
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1、闪锌矿(Zincblende)
锌的主要矿石形态(硫化物), 属立方对称晶型。 ABCABC…方式堆垛
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2、元素的电负性及其变化规律
价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小；
电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。
H 2.10
一些元素的电负性 （Pauling尺度）
He 3.58
Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0 Ne 4.44