第1章 半导体中的电子状态
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
1.1.1 金刚石型结构和共价键
重要的半导体材料硅、锗等在化学元素周期表中都属于第Ⅳ族元素,原子的*外层都具有四个价电子。大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合,它们的晶格结构与碳原子组成的一种金刚石晶格都属于金刚石型结构。这种结构的特点是:每个原子周围都有4个*近邻的原子,组成一个如图l—1(a)所示的正四面体结构。这4个原子分别处在正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和**原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度,通过它们对原子实的引力把两个原子结合在一起,这就是共价键。这样,每个原子和周围4个原子组成四个共价键。上述四面体的4个顶角原子又可以各通过4个共价键组成4个正四面体。如此推广,将许多正四面体累积起来就得到如图1—1(b)所示的金刚石型结构(为看起来方便,有些原子周围只画出两个或三个共价键),它的配位数是4。
在四面体结构的共价晶体中,四个共价键并不是以孤立原子的电子波函数为基础形成的,而是以S态和P态波函数的线性组合为基础,构成了所谓“杂化轨道”,即以一个S态和三个P态组成的sp3杂化轨道为基础形成的,它们之间具有相同的夹角l09度28。
金刚石型结构的结晶学原胞如图l—1(c)所示,它是立方对称的晶胞。这种晶胞可以看作是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。原子在晶胞中排列的情况是:8个原子位于立方体的8个角顶上,6个原子位于6个面**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。它的固体物理学原胞和面心立方晶格的相同,差别只在于前者每个原胞中包含两个原子,后者只包含一个原子。
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