固态器件理论（2）价和晶体结构

文章目录

写在前面

正文

价电子

导体

绝缘子

半导体类

晶体结构

总结

交个朋友

写在前面

正文

价电子

最外层壳或价壳中的电子称为价电子。 这些价电子负责化学元素的化学性质。 这些电子参与与其他元素的化学反应。 适用于简单反应的过于简化的化学法则是原子试图形成8个电子的完整外壳（L壳两个）。 原子可能会释放一些电子，以暴露出下面的完整外壳。 原子可以接受一些电子来完成壳。 这两个过程从原子形成离子。 原子甚至可能在原子之间共享电子，以试图完成外壳。 该过程形成分子键。 也就是说，原子缔合形成一个分子。

导体

例如，第一组元素：Li，Na，K，Cu，Ag和Au具有单个价电子。 （下图）这些元素都具有相似的化学性质。 这些原子很容易释放出一个电子与其他元素反应。 容易释放电子的能力使这些元素成为极好的导体。

元素周期表中的IA组元素：Li，Na和K，以及IB组元素：Cu，Ag和Au在外壳（或化合价）中有一个电子，很容易失去。 内壳电子：n = 1，2，3，4; 2n^2 = 2、8、18、32。

绝缘子

VIIA组元素：F1，Cl，Br和I在外壳中都具有7个电子。 这些元素很容易接受一个电子，使整个外壳充满8个电子。 （下图）如果这些元素确实接受电子，则中性原子会形成负离子。 这些不释放电子的元素是绝缘体。

元素周期表中的VIIA元素：具有7个价电子的F，Cl，Br和I在与其他元素的反应中容易接受电子。

例如，如下图所示，Cl原子接受来自Na原子的电子变成Cl-离子。 离子是通过提供或接受电子而由原子形成的带电粒子。 当Na原子提供电子时，它变成Na +离子。 这就是Na和Cl原子结合形成食盐NaCl的方式，它实际上是一对离子Na + Cl-。 带有相反电荷的Na +和Cl-相互吸引。

中性钠原子向中性氯原子提供电子，形成Na +和Cl-离子。

氯化钠以立方结构结晶，如下图所示。 此模型未按比例显示三维结构。 实际上，Na + Cl-离子的堆积类似于堆积的大理石层。 容易绘制的立方晶体结构说明了固态晶体可能包含带电粒子。

VIIIA族元素：He，Ne，Ar，Kr，Xe在化合价壳中都具有8个电子。 （下图）也就是说，价壳是完整的，这意味着这些元素既不捐赠也不接受电子。 由于VIIIA族元素不容易与其他元素结合，因此它们也不容易参与化学反应。 近年来，化学家迫使Xe和Kr形成一些化合物，但是，出于我们讨论的目的，这并不适用。 这些元素是良好的电绝缘体，在室温下为气体。

VIIIA族元素：由于价壳完整，因此He，Ne，Ar，Kr，Xe基本上不反应。

半导体类

IVA族元素：C，Si，Ge，在价态壳中具有4个电子（如下图所示），通过与其他元素共享电子而不形成离子来形成化合物。 这种共享的电子键合称为共价键合。 请注意，中心原子（以及其他扩展的原子）通过共享电子完成了其价壳。 注意，该图是键的二维表示，实际上是3-d。 我们对这组IVA的半导体特性感兴趣。

（a）IVA族元素：在价壳中具有4个电子的C，Si，Ge，（b）通过与其他元素共享电子来完成价壳。

晶体结构

大多数无机物质将其原子（或离子）形成称为晶体的有序阵列。 原子的外部电子云以有序的方式相互作用。 甚至金属在微观水平上也由晶体组成。 如果对金属样品进行光学抛光，然后进行酸蚀，则微观微晶结构如下图所示。 也可以从专门的供应商处购买大量的金属单晶样品。 抛光和蚀刻这种样品没有发现微晶结构。 实际上，所有工业金属都是多晶的。 另一方面，大多数现代半导体是单晶器件。 我们主要对单晶结构感兴趣。

（a）金属样品，（b）抛光，（c）酸蚀以显示微晶结构。

许多金属柔软，容易因各种金属加工技术而变形。 微晶在金属加工中变形。 而且，价电子自由地围绕晶格移动，并且从晶体到晶体自由移动。 价电子不属于任何特定原子，而是属于所有原子。

下图中的刚性晶体结构由正的Na离子和负的Cl离子的规则重复图案组成。 Na和Cl原子通过将电子从Na转移到Cl形成Na +和Cl-离子，没有自由电子。 电子不能自由地在晶格周围移动，与金属相比有所不同。 离子也不自由。 离子在晶体结构内固定在适当的位置。 但是，如果将NaCl晶体溶于水，离子将自由移动。 但是，晶体不再存在。 规则的重复结构不见了。 水的蒸发会以新晶体的形式沉积Na +和Cl-离子，因为带相反电荷的离子会相互吸引。 离子材料由于带相反电荷的离子的强烈静电吸引而形成晶体结构。

在第14组（以前为IV组的一部分）中具有立方晶系的NaCl晶体利用围绕原子的s和p轨道电子形成四面体键合图案，并与四个相邻原子共享电子对键。 （下图（a））。 第14组元素具有四个外部电子：两个处于球形s轨道，两个处于p轨道。 p轨道之一未被占用。 这三个p轨道与s轨道杂交形成四个sp3分子轨道。 这些四电子云相互排斥，围绕Si原子的等距四面体间距被正原子核吸引，如下图所示。

一个s轨道电子和三个p轨道电子混合，形成四个sp3分子轨道。

每个半导体原子，Si，Ge或C（金刚石）都通过共价键（共享电子键）化学键合到其他四个原子上。 如果两个电子具有相反的自旋量子数，则它们可以共享一个轨道。 因此，不成对的电子可以与来自另一个原子的电子共享一个轨道。 这对应于电子云下面（a）的重叠图或键合。 下图（b）是原图下图所示金刚石晶体结构晶胞体积的四分之一。 这些键在金刚石中特别牢固，在强度下降到第四族时下降到硅和锗。 硅和锗均形成具有菱形结构的晶体。

（a）Si原子的四面体键合。 （b）导致立方晶胞的1/4

钻石晶胞是基本的晶体构建块。 下图显示了在该单元空间内四个原子（深色）与四个其他原子相连的情况。 这等效于将下图（b）中的一个放置在下图的原点，然后再将三个放置在相邻面上以填充整个立方体。 六个原子落在六个立方体面的每个面的中间，显示出两个键。 为了清楚起见，省略了与相邻立方体的其他两个键。 在八个立方体角中，四个原子与立方体中的一个原子键合。 其他四个原子在哪里键合？ 其他四个键合到晶体的相邻立方体。 请记住，即使四个角原子在立方体中均未显示任何键，但晶体中的所有原子都以一个巨型分子键合。 半导体晶体由该单位晶胞的副本构建而成。

Si，Ge和C（金刚石）形成交错的面心立方体。

晶体实际上是一个分子。 原子与其他四个原子共价键，而后者又与另外四个原子键，依此类推。 晶格是相对刚性的，抵抗变形。 很少有电子会释放自身以围绕晶体传导。 半导体的一个特性是，一旦释放出电子，就会形成带正电的空白空间，这也有助于传导。

总结

原子试图形成一个完整的外电子价的8电子壳（最里面的壳为2电子）。 原子可能会贡献一些电子以暴露下面的8壳，接受一些电子以完成壳，或共享电子以完成壳。

原子通常在称为晶体的刚性结构中形成离子或原子的有序阵列。

中性原子可以通过给电子而形成正离子。

中性原子可以通过接受电子形成负离子

IVA族半导体：C，Si，Ge结晶为菱形结构。 晶体中的每个原子都是一个巨大分子的一部分，与其他四个原子键合。

大多数半导体器件是由单晶制成的。

交个朋友

FPGA/IC技术交流2020

容器 硬件开发

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。