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半导体物理：第二章化学键、晶体结构 1. 半导体化学键 – 共价键、离子键、混合键、金属键、 范德瓦尔斯键 2. 半导体晶体结构 – 晶格、点群、空间群、布拉菲格子、 重要半导体结构、倒格子、合金等 原子轨道：复习 固体结合方式 • 固体典型结合 – 离子键型：典型的有碱金属原子与卤族原子组成的材料，比如 NaCl，结合力为正负离子上的正负电荷之间的库仑相互作用。 – 共价键型：典型材料有硅、锗、金刚石等，结合力相关原子共 有电子的成键态和反键态劈裂；特性：饱和性、方向性、量子 性。 – 金属键型：典型金属，结合力为共有电子；特点：密排。 – 范德瓦尔斯键型：惰性气体，结合力为一种瞬时的电偶极矩的 感应作用；特点：很弱。 • 实际固体晶体多为复合型；常见半导体以共价键结合为主。 半导体化学键 • AB两原子成键的电子波函数基本要求： 电子不可区分 ==》波函数必须反对称（Pauli原理） • 包含空间和自旋两部分 两体波函数就是 • 结果就出现了两种情况： 成键态： 反键态： A对应反对称轨道；S对应对称轨道。(a) 氢分子束缚能，虚线对应经典计 算（静电）。(b) 电子密度分布。 共价键：sp3 2 2 2 • 第四族原子最外层有四个电子，对C有1s 2s 2p ,共价键轨道杂化的 结果产生如下四个波函数： • 这种共价键的束缚能（每原子）很大： – H-H：4.5 eV – C-C：3.6 eV – Si-Si：1.8 eV – Ge-Ge：1.6 eV 3 共价键sp ：电子密度分布图 3 共价键sp ：能量结果关系图 3 共价键sp ：成键特性示意图 3 共价键sp ：成键特性示意图 共价键：sp2 2 2 2 • 第四族原子最外层有四个电子，对C有1s 2s 2p ,共价键轨道杂化的 结果产生如下三个sp2波函数： 3 共价键sp ：成键特性示意图 3 共价键sp ：成键特性示意图 3 共价键sp ：成键特性示意图 离子键 • 对于I-VII化合物半导体，例如LiF，有 2 1 + 2 Li: 1s 2s  Li : 1s 2 2 5 - 2 2 6 F: 1s 2s 2p  F : 1s 2s 2p • 结合能主要来自静电库仑相互作用： 令r =p R，这里R表示原子间距，p 是相关的系数，一个离子与其 ij ij ij 所有近邻的静电相互作用可写为 • 另外还有一个由于满壳层重叠而产生的排斥贡献项： 离子键：电子密度分布图 半导体：混合键 • 第四族原素半导体是理想共价键，I-VII半导体是离子化成键， III-V （例如GaAs、InP）和II-VI （例如CdS、ZnO）半导体通常都 是混合键材料。 •