半导体材料的基本性质
半导体材料的简介
半导体材料的简介一、引言半导体材料是一类特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的特性。
它在现代电子技术中扮演着重要的角色。
本文将介绍半导体材料的定义、性质、种类以及在各个领域中的应用。
二、定义和性质2.1 定义半导体材料是一种具有能带间隙的固体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体的导电性主要由载流子（电子和空穴）的运动决定。
2.2 性质1.导电性：半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，它能在外加电场或热激发下传导电流。
2.温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化，通常是随温度的升高而增加。
三、半导体材料的种类3.1 元素半导体元素半导体是由单一元素构成的半导体材料，常见的有硅（Si）和锗（Ge）。
3.2 化合物半导体化合物半导体是由两个或更多的元素组合而成的半导体材料，例如砷化镓（GaAs）和磷化氮（GaN）。
3.3 合金半导体合金半导体是由不同元素的合金构成的半导体材料，合金的成分可以调节材料的性质。
四、半导体材料的应用4.1 电子器件半导体材料是制造各种电子器件的重要材料，如晶体管、二极管和集成电路。
这些器件被广泛应用于电子设备、通信系统等领域。
4.2 光电子学半导体材料在光电子学中有重要应用，例如激光器、光电二极管和太阳能电池。
这些器件利用半导体材料的光电转换特性，将光能转化为电能或反之。
4.3 光通信半导体材料广泛应用于光通信领域，如光纤通信和光学传感器。
半导体激光器和光电探测器在光通信中起到关键作用。
4.4 光储存半导体材料在光存储技术中发挥重要作用，如CD、DVD等光盘的制造。
这些光存储介质利用半导体材料的光电转换和可擦写性能来实现信息存储与读取。
五、总结半导体材料是一类具有重要应用价值的材料，广泛应用于电子器件、光电子学、光通信和光存储等领域。
随着科技的不断发展，对新型半导体材料的研究和应用也在不断推进。
通过不断探索和创新，半导体材料有望在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
参考文献1.Bhuyan M., Sarma S., Duarah B. (2018) [Introduction toSemiconductor Materials]( In: Introduction to Materials Science and Engineering. Springer, Singapore.。
半导体材料的性质和制备
半导体材料的性质和制备半导体材料是一种具有特殊性质的材料，具有电学性质介于导体和绝缘体之间。
它的电学性质具有温度敏感、电阻率渐进式降低、半导带型式可控等特点。
因此，半导体材料在现代电子技术领域的应用非常广泛，例如计算机芯片、太阳能电池板、LED灯等众多高新技术产品都需要半导体材料。
一、半导体材料的性质半导体材料的性质决定了它可以用来制作何种电子器件。
其中最关键的属性是它的电阻率。
半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，用Ohm*cm或Ohm*m表示，一般在10^-2 ~10^8之间，通过杂质掺杂可以将半导体材料的电阻率调节到所需要的范围内。
其次，半导体材料的温度敏感性是其独特性质之一。
当半导体材料温度上升时，其电导率会随之增加。
这种性质被广泛用于制造高精度温度测量器和温度控制器。
半导体材料的导带和价带之间的带隙能量也是其重要的性质。
带隙能量越小，材料的电导率越高，反之则越低。
通过控制半导体材料的带隙能量可以改变其电学性质。
半导体材料具有电学性质介于导体和绝缘体之间，与导体不同的是，半导体材料中的电子不能自由传导，但与绝缘体不同的是，半导体材料中的电子可以被激发到导电状态。
二、半导体材料的制备半导体材料的制备主要通过控制杂质掺入来改变其电学性质。
这种方法被称为半导体掺杂。
半导体材料的制备通常有以下几种方法：1. 气相扩散法这种方法是将一种气体制成相对静止的状态，使其扩散到待制成半导体材料的样品中。
杂质通过热扩散的方式将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法制造的材料质量较高，但加工比较复杂。
2. 原位合成法这种方法是通过化学气相沉积、分子束外延等技术将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法可以制造出高品质的单晶薄膜。
3. 离子注入法这种方法是利用离子束将杂质注入到半导体材料中。
这种方法精度高、效率高，但可能会造成杂质的残留，对杂质掺入量的控制不够精细。
4. 液相扩散法这种方法是利用化学反应，在液相中将杂质掺入到半导体材料中。
半导体材料的性质及应用
半导体材料的性质及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性和绝缘性。
它的导电性介于金属和非金属之间，而它的绝缘性则取决于材料中载流子的浓度。
半导体材料的性质：1. 阻带半导体材料中存在着能级间隔，其中从价带到导带的能隙被称为阻带。
在纯半导体中，电子在价带中，因此材料不能导电。
只有当外界施加功率，激发电子跃迁至导带中才会导电。
电子跃迁时释放的能量通过热传导或辐射传导，使半导体温度升高，这也被称为耗能。
2.载流子半导体的导电性能够体现出载流子的特性。
通常材料中含有非常少的自由电子和空穴，初始不具有导电性。
在加入掺杂物后，形成了n型和p型半导体。
n型半导体由元素（例如磷、氮）掺入，导致一些额外的电子存储在晶格中。
p型半导体由元素（例如铝、硼）掺入，导致一些额外的空穴存储在晶格中。
3. p-n结p-n结是半导体材料中一个非常重要的结构。
它由一个p型区域和一个n型区域组成，中间夹着一个非常薄的界面。
p-n结的导电性能够由正向偏置和反向偏置控制。
在正向偏置时，电子和空穴在结附近重新结合，导致电流的流动。
反向偏置时，由于存在阻挡电场，电流几乎不会流动。
p-n结的应用广泛，如发光二极管（LED）、太阳能电池等。
半导体材料的应用：半导体材料是当今很多电子设备的核心材料，如晶体管、集成电路、光电传感器和太阳能电池等。
这些设备的应用是基于半导体电子与光学性质之间的相互作用。
1. 晶体管晶体管是一种用于放大电信号的半导体器件。
在晶体管中，控制信号的电压可以控制大量电子或空穴的流量，从而可以控制电路的运行。
晶体管经常用于放大器和开关，可广泛应用于电视机、收音机、计算机等各种电子设备中。
2. 集成电路集成电路平均只占从前一堆晶体管和元件的约四分之一的面积，但其中蕴藏着复杂的电子电路。
集成电路可以分为数字集成电路（Digital IC）和模拟集成电路（Analog IC）。
数字集成电路通常用于计算和逻辑电路，在计算机和控制电子设备中用于控制和计算。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体材料的性质及在电子行业的应用
半导体材料的性质及在电子行业的应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的性质和特点，因而在电子行业中有着广泛的应用。
本文将简要介绍半导体材料的性质和应用。
一、半导体材料的性质1.导电性能。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。
与导体相比，半导体的导电性能较弱，但比绝缘体要强。
通常情况下，半导体的导电性能受温度、掺杂浓度等因素的影响，可以通过控制这些因素来改变半导体材料的导电性能。
2.禁带宽度。
半导体材料中能带的能量范围称为禁带，禁带中间的能量范围称为禁带宽度。
半导体材料的禁带宽度通常较窄，约为1eV左右，这使得半导体材料在连通和断开电路方面比绝缘体更加灵活。
3.热电性能。
半导体材料还具有一些特殊的热电性能。
例如，热电效应使得半导体材料可以将温度变化转化为电压输出。
这种特性在温度传感器方面有着广泛的应用。
二、半导体材料应用于电子行业1.半导体芯片。
半导体芯片是半导体材料最重要的应用之一。
半导体材料可以制成各种芯片，如处理器芯片、内存芯片、传感器芯片等。
这些芯片是电子设备的核心，它们的性能直接影响到设备的整体性能。
2.光电设备。
半导体具有较好的光电特性，如光电转换和发光等。
在光电设备方面，半导体材料可以用于制造光电二极管、太阳能电池板、LED灯等。
这些设备在通信、光学、能源等领域有着广泛的应用。
3.传感器。
半导体材料的热电、光电等特性使得其可以用于制造各种传感器。
例如，压力传感器、温度传感器、光传感器等。
这些传感器在工业生产、汽车行业、医疗行业等多个领域都有广泛的应用。
4.功率器件。
功率器件是电子行业中必不可少的元器件，半导体材料可以制成各种功率器件，如三极管、场效应管、晶闸管等。
这些器件在电力、电动车、电子制造等领域有着广泛的应用。
总体而言，半导体材料具有独特的性质和特点，可以制成各种电子器件，应用于多个领域。
随着半导体技术的不断发展和进步，半导体材料在电子行业中的应用也会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和高科技体验。
半导体材料基础_基本特性
杂质能级：杂质可以使电子在其周围 运动形成量子态
本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完 一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子-空穴对。本征激发 很弱。
＋4 价电子 ＋4 ＋4 共价键
整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，
＋4 空穴 ＋4
＋4 自由 电子 ＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
硅晶体共价键结构示意图
电子-空穴对的产生和空穴的移动
杂质半导体
在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、
锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便 构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素， 如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。
i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动
点缺陷
缺陷的出现： 线缺陷 面缺陷 ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 无意掺杂
空位 位错 层错
源材料和工艺 有目的控制 材料性质
杂质的出现：
有意掺杂
半导体的掺杂分类
本征半导体 杂质半导体：n型、p型
受 主 掺 杂
B
受主能级
施 主 掺 杂
施主能级
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段） 自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。 自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
半导体材料有哪些特性及应用
半导体材料特性及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的电子结构和导电性质。
半导体材料具有多种独特的特性，使其在电子、光电子、光伏和光通信等领域有广泛的应用。
半导体材料的主要特性1. 能带结构：半导体材料的电子能隙较窄，介于导体和绝缘体之间，使其在一定条件下可导电。
2. 斯特克斯位：半导体材料中的离子实栅靠近导带边缘，使电子在能带中具有很大的有效质量，有利于电子迁移。
3. 自由载流子浓度调控：通过施加外电场或调控杂质，可以有效调控半导体中的自由载流子浓度，实现半导体材料的导电性能调节。
4. 温度特性：半导体材料的电导率和载流子浓度都会随温度的变化而变化，通常表现为负温度系数。
5. 光电效应：半导体材料对光具有敏感性，可以通过光照射产生电子空穴对，实现光电转换及光电控制。
半导体材料的应用电子领域应用•集成电路（IC）：半导体材料在微电子领域中广泛应用，作为IC芯片的基础材料，实现电子元器件、逻辑电路等功能。
•太阳能电池：半导体材料通过光电效应转化光能为电能，广泛应用于太阳能电池板制造。
光电子领域应用•激光器：利用半导体材料的光电效应和电子受激辐射特性，制作激光器用于光通信、医疗等领域。
•LED：利用半导体材料的电子激发辐射特性制造发光二极管，广泛应用于照明、显示等领域。
光伏领域应用•光伏电池：利用半导体材料的光电转换特性，制造光伏电池转化光能为电能，应用于太阳能发电系统。
光通信领域应用•光纤通信：利用半导体激光器和探测器构成的光通信系统，提供高速、远距离的光通信服务。
综上所述，半导体材料由于其特殊的电子结构和性质，在电子、光电子、光伏和光通信领域有着重要而广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体材料的应用前景将更为广阔。
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半导体材料硅的基本性质一．半导体材料1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。
化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。
1)二元化合物GaAs —砷化镓SiC —碳化硅2)三元化合物As —砷化镓铝AlGa11AlInAs —砷化铟铝111.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。
非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。
1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。
如磷、砷就是硅的施主。
受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。
如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。
由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。
由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。
如图1.1所示。
二．硅的基本性质1.1 硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
表1 硅的物理化学性质（300K）1.2 硅的电学性质硅的电学性质有两大特点：一、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm二、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。
无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。
当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。
例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。
掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。
当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。
硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。
如图所示电阻率随杂质浓度的变化1.3 硅的化学性质硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。
硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。
1.硅的热氧化反应～1100℃Si + O2 → SiO2 ～1000℃Si + 2H2O → SiO2+ H2在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。
2.硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应～300℃Si + 2Cl2 → SiCl4～280℃Si + 3HCl→ SiHCl3 + H2上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。
3.硅与酸的化学反应硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。
（1）硅与HF—HNO3混合液的化学反应Si + 4HNO3 + 6HF → H2SiF6+ 4NO2+ 4H2OHNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。
此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。
（2）硅与HF—CrO3混合液有化学反应Si + CrO3 + 8HF → H2SiF6+ CrF2+ 3H2O此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。
（3）硅与金属的作用硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。
（4）硅与SiO2的化学反应1400℃Si + SiO2→ 2SiO在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。
反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。
在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。
1.4 硅的晶体结构和化学键1.硅的晶体结构硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。
如图2.1和图2.2所示。
图2.1 共价四面体图2.2 硅的晶体结构2．硅晶体的化学键硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。
具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。
电子的配对是形成共价键的必要条件。
硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。
硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。
3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。
根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。
那么，两个p电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。
如此，硅原子的价电子配布为：3s 3p按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。
只有p 轨道上的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。
这样每个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。
这个矛盾靠轨道的杂化来解决。
硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：3s 3psp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。
虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳定。
共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。
所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。
硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。
这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。
因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。
这个特性就是共价键的饱和性。
所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。
硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。
所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。
而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。
因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。
1.5 硅的半导体性质1. 硅原子能级图图2.3 一孤立硅原子能级图2. 硅晶体的能带结构图2.4 硅晶体的能带结构图晶体的能带代表的物理意义：反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。
设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。
实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N 个孤立原子的一个能级扩层或分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。
如图2.5所示。
图2.5 原子能级和能带3. 导体、半导体及绝缘体的能带模型能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体的区别，如图2.6所示。
金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。
在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。
能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。
半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。
最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。
外电场很难改变其能带填充状况，因而不产生电流。
在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。
绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。
4. 硅晶体的禁带宽度Eg禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。
Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。
较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳定性。
Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T→0K 时，Eg趋于一个常数，如图2.7所示。
图2.7 Si的禁带宽度Eg随温度的变化5. 硅中杂质的能级和缺陷能级理想的硅晶体，即无缺陷无掺杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。
当掺入杂质或有缺陷时，禁带中将有杂质或缺陷能及存在，将明显影响半导体性能，对电导起主要作用。
实际半导体都会有一定的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。
硅中的杂质能级如图2.8所示。
图2.8 硅中杂质能级a. 浅能级杂质在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级非常靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。
b.深能级杂质在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：金，银，铜，铁等重金属杂质。
电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。
c.缺陷（原生缺陷和工艺诱生缺陷）半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。
6. 载流子浓度载流子浓度随温度的变化如图2.9所示。
图2.9 以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度7. PN结a. PN结的光生伏特效应光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。
b. 光电转换的物理过程①吸收光能激发出非平衡电子一空穴对②非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动③非平衡电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两端产生电势④将PN结用导线连接，形成电流⑤在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。