。原子的电子排布遵循能量最低原理，即先占满能量低的能级。处于最低能量的原子叫做基态原子，当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高的能级，变成激发态原子。电子并非像地球围绕太阳做圆周运动那般围绕原子核做相同的运动。量子力学指出，微观粒子并不具有确定的空间运动状态，因此不能知道核外电子在某个时刻处于原子核外空间何处，而只能确定它出现在原子核外空间各处的概率。P表示电子出现在某处的概率，V表示该处的体积，则P/V称为概率密度。核外电子的概率密度分布看起来像一片云雾，因而被形象的称为电子云，常使用电子云轮廓图描述电子概率密度分布。不同层但相同名称的能级，能层越高电子云半径也就越大。s能级的电子云轮廓为球形，而p能级的电子云轮廓为3个方向相互垂直的哑铃形。把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道，s、p、d、f......能级各有1、3、5、7......个原子轨道。结合s、p、d、f......能级可容纳的最多电子数依次为1、3、5、7......的二倍可知，1个原子轨道可容纳2个电子，称为电子对。电子对其自旋方向相反，用↑↓表示，该原理也称为泡利原理。当电子排布在同一能级时的不同轨道时，电子总是优先单独占据一个轨道，而且自旋状态相同，该规则称为洪特规则。结合原子轨道理论、泡利原理和洪特规则，即可以用电子排布图形象地表示各元素中的核外电子排布。二.化学键与晶体元素只有一百多种，而由原子组成的物质数以千万，原子通过什么作用形成物质？一般化学物质主要由化学键结合而成，化学键可分为离子键和共价键。原子失去电子或获得电子后依据电性变成正离子和负离子，离子键指相反电荷离子之间的相互作用力；原子为了形成核外电子层满电子的稳定状态会与其他原子共用核外电子，共价键指原子间通过共有电子对所形成的相互作用。化学键的形成与原子结构有关，它主要通过原子的价电子间的转移或共用实现的。当两个原子间形成共价键时，相关原子轨道相互重叠，两个原子核似乎“粘结”在一起。如果共价键的电子云以形成化学键的两原子核是轴对称，则该共价键称为
键。如果共价键的电子云以形成化学键的两原子核镜像对称，则该共价键称为
键。共价键有键能、键长、键角三个主要参数。形成共价键需要放出能量，破坏共价键需要吸收能量。键长指形成共价键两原子之间的核间距。键角则指两个共价键之间的夹角。大多数分子由两个以上原子构成，依据构成分子的原子空间关系，不同分子有着不同的分子立体构型。具有相同原子数的分子其立体构型有可能不同，对应研究分子立体构型的理论叫做价层电子对互斥理论。杂化轨道理论则是解释分子立体构型的另一种共价键理论：在共价键形成时，不同轨道会发生杂化，最终产生轨道个数不变，具有相同轨道，具有相同键能键长键角的共价键。对于第4族元素来说，如C、Si、Ge，原子的最外层都具有四个价电子。大量这些元素的原子靠共价键结合，1个s轨道3个p轨道发生
杂化，形成夹角为
的正四面体的立体结构。物质有无数个原子通过化学键结合而成，根据原子在三维空间里是否呈周期性有序排列，将物质分为晶体和非晶体。晶体具有能够自发地呈现多面体外形的自范性性质，并且在强度、导热性、光学性质等方面表现出各向异性：即不同方向上具有特性也会有差异。为了描述晶体在微观空间的原子排列，只需取出一个基本单元作为研究对象，这个基本单元即叫做晶胞。习惯采用的晶胞都是平行六面体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。晶格是一种几何概念，是从晶体结构中抽象出来的简化的描述，即晶格只是晶胞的形状特征，晶格隐藏了晶胞对应晶格结点处的结构单元内容。只含分子的晶体称为分子晶体，分子内的原子以共价键结合，而相邻分子靠分子间作用力相互吸引。原子晶体的微观空间里没有分子，所有原子以共价键相互结合，比如金刚石C，半导体材料Si、Ge、
等也是原子晶体。此外，金属晶体指金属单质中以金属键相互结合的晶体，离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。三.能带论半导体单晶属于原子晶体，研究其电子的能量状态常使用单电子近似的方法，即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子运动十分相似。用单电子近似的方法研究晶体中电子的理论称为能带论。半导体晶体中，相邻的原子间距很小，为零点几纳米级别。如此接近，核外电子状态和原子中的核外电子状态肯定不同，特别是外层电子会有显著变化。当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子层之间会发生重叠，相邻原子最外层交叠最多，内层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子层的交叠，电子就不再完全局限在某一个原子周围，可以由属于一个原子转移到属于相邻原子。因此，电子可以在整个晶体中运动，这种运动即称为共有化运动。但需要注意，因为各原子中相似能层上的电子才有相同的能量，因此电子只能在不同原子的相似能层间转移。例如8个原子靠的很近，因此8个原子的
能级被分裂为8个能量接近的能级，而
能级本身是三度简并的(能级对应3个原子轨道)，因此该能级被分裂为24个能量接近的能级。对于N个原子组成的晶体(N是一个非常大的值)，一度简并的能级就可以分裂为N个能量接近的能级，这N个能级距离很近，能级间能量可以看作是连续的，由N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带称为允带，而相邻允带之间没有能级称为禁带。内层电子能级能量低，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带很窄。最外层电子能级能量高，价电子共有化运动显著，如图自由运动的电子，常称为“准自由电子”，其能带很宽。实际情况可能与上述理论有些出入，并不想理论那样简单。Si、Ge等原子都有4个价电子，分别处于最外层s能级和p能级上。当原子组成晶体后，由于轨道杂化，价电子形成的能带为两个能带，中间隔以禁带。上下两个能带中分别有2N个能量状态，根据泡利原理，各可容纳4N个电子。4N个价电子先填满能量低的能带形成满带或价带，因此上面一个能带是空的，没有电子，称为导带。四.半导体导电是本质为物质中电子在外电场的作用下做定向运动，电场力对电子起加速作用，电子和外电场间发生了能量交换。从能带论上看，电子的能量变化就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上。对于满带，其能级被电子所占满，在外场力作用下也不会形成电流；对于被电子部分占据的能带，在外场力的作用下，电子吸收能量跃迁到未被电子占据的能级，因而形成了电流，称这种未满的能带为导带。可根据电子填充能带的情况，将固体分为导体、半导体和绝缘体。金属中，原子的价电子占据的能带是部分占满的，因此可以导电。绝缘体中，价电子占满能量低的能带形成满带，而满带与上方能量高的空带间禁带太宽，因此价电子很难在外场力的作用下由满带跃迁至空带。半导体中，禁带宽度较窄，在外界条件变化如温度升高时，满带有少量电子可能被激发到空带上。因此在外场力的作用下，这些跃迁到空带的少量电子将参与导电；此外由于满带顶部出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占据的能带，在外场力作用下，仍留着满带内的电子也可以起到导电作用。满带的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，称这些空的量子状态为空穴。在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这是与金属导体的最大区别。在半导体能带图中，黑点表示电子，
代表价带顶能量，
为导带底能量，
为禁带能量。价带上的电子激发成准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。实际中，半导体材料不会完全纯净，会含有若干杂质。杂质主要来源于制造半导体的原材料纯度不够，半导体制造过程中的玷污，或者为了控制半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。杂质原子进入半导体后，以两种可能的方式存在：①杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质；②杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质。一般形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，而且要求它们的价电子层结构比较相近。因此，诸如Si、Ge是IV族元素，与III族、V族元素的情况相近，所以III族、V五族元素在Si、Ge晶体中都是替位式杂质。单位体积中杂质原子数称为杂质浓度，通常用它表示半导体晶体中杂质含量的多少。1）n型半导体V族元素形成杂质时，V族元素原子占据IV族原子位置，其有5个价电子，其中4个与周围的IV族元素原子形成共价键，还剩余1个价电子。V族元素原子所在处多余1个单位正电荷。正电荷中心束缚多余的价电子的作用很弱，只要很少的能量就可以使这个价电子摆脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，而该V族元素原子形成了一个不能移动的正电荷中心。该电子脱离杂质原子束缚成为导电电子的过程称为施主电离，使多余价电子摆脱束缚的能量称为施主杂质电离能，用
表示。V族杂质在电离时，释放电子形成导电电子，称其为施主杂质或n型杂质。施主杂质电离过程可由能带图看。当电子得到能量
后，从施主能级跃迁到导带成为导带电子，所以施主能级能量
比导带底能量
低
。因为
，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。一般情况下，施主杂质是比较少的，杂质原子间相互作用可以忽略。因此，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级，每一条线段对应一个施主杂质原子。在纯净的半导体中掺入施主杂质，杂质电离后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为n型半导体。2）p型半导体III族元素形成杂质时，III族元素原子占据IV族原子位置，其有3个价电子。当原子与周围的IV族元素原子形成共价键时，还缺1个电子，必须从其他处的IV族元素原子中夺取1个价电子，于是IV族元素原子的共价键中产生了1个空穴。III族元素原子接收电子后形成带1个单位负电荷的负电中心。带负电的电荷中心和带正点的空穴间有静电引力作用，这个空穴受束缚在负电中心附近运动。束缚空穴的作用很弱，只要很少的能量就可以使这个空穴摆脱束缚，成为导电空穴在共价键中自由运动，而该III族元素原子形成了一个不能移动的负电荷中心。该空穴脱离杂质原子束缚成为导电空穴的过程称为受主电离(释放空穴=接受电子)，使空穴摆脱束缚的能量称为受主杂质电离能，用
表示。III族杂质在电离时，接受电子而产生导电空穴，称其为受主杂质或p型杂质，释放空穴(接受电子)的过程叫做受主电离。受主杂质电离过程可由能带图看。当空穴得到能量
后，从受主能级跃迁到价带成为导带空穴，所以受主能级能量
比价带顶能量
高
。因为
，所以受主能级位于离价带顶很近的禁带中。一般情况下，受主杂质是比较少的，杂质原子间相互作用可以忽略。因此，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级，每一条线段对应一个受主杂质原子。在纯净的半导体中掺入受主杂质，杂质电离后，价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。通常把主要依靠价带空穴导电的半导体称为p型半导体。3）杂质补偿当半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，半导体是的类型依据两种杂质的掺杂浓度定。
表示施主杂质掺杂浓度，
表示受主杂质掺杂浓度。n代表导带中电子浓度，p代表价带中空穴浓度。①
施主杂质的电子首先跃迁到
个受主能级上，还有
个施主能级的电子在杂质全部电离的情况下，跃迁到导带成为导电电子，此时半导体为n型。②
个施主杂质的电子全部跃迁到受主能级上，还有
个受主能级的空穴在杂质全部电离的情况下，跃迁到价带成为导电空穴，此时半导体为p型。③
、
同一数量级此情况下，虽然杂质很多，但不能向导带提供电子、向价带提供空穴，导电性能很差。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇