固体的导电性与半导体

固体物理晶体结构与导电性的关系

晶体是固体物理学中的重要研究对象，它的结构与导电性之间存在着密切的关系。本文将从晶体的结构特点、晶体结构与导电性的关系以及相关的实际应用等方面进行探讨。

一、晶体的结构特点

晶体是由原子、离子或分子按照一定的规律排列而形成的，具有周期性的结构。晶体结构的特点包括以下几个方面：

1. 空间周期性：晶体的结构具有空间周期性，即在长程上重复出现相同的结构单元，这种周期性能够让我们通过晶体的点阵来描述。

2. 三维有序性：晶体中的原子、离子或分子按照一定的规律有序地排列，形成了一种密集而规则的结构，使得晶体具有明确的晶体学特征。

3. 对称性：晶体结构具有不同的对称性，包括旋转对称、镜面对称、滑移对称等。这些对称性不仅决定了晶体的物理性质，也反映了晶体内部原子排列的规律性。

二、晶体结构与导电性的关系

晶体的导电性与其结构有着密切的关系。根据晶体中电子的运动方式，可以将晶体分为导体、绝缘体和半导体。

1. 导体：导体的晶体结构具有高度的电子流动性。在导体中，晶体结构中的原子或离子之间存在着较弱的束缚力，使得电子能够自由地在晶体中运动。常见的金属就是导体，其晶体结构以金属离子构成的金属阵列为主导，形成了类似于海洋中游动的自由电子云。

2. 绝缘体：绝缘体的晶体结构具有很强的电子束缚性。在绝缘体中，晶体结构中的原子或离子之间存在较强的共价或离子键，使得电子很难从一个原子或离子跃迁到另一个原子或离子上。绝缘体不具备导电性能，如二氧化硅等。

3. 半导体：半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，其晶体结构介于导体和绝缘体的结构之间。在半导体中，晶体结构中的原子或离子的电子运动能隙较小，以致在一定条件下电子跃迁变得容易。通过施加电场或温度调节等手段，半导体的导电性能能够在导体和绝缘体之间灵活地调节。

三、晶体结构与导电性的实际应用

晶体结构与导电性的关系在实际应用中起着重要的作用，以下是一些具体的应用案例：

现代材料动态　２０１３年第８期　

纳米半导体掺杂铝可大大提高导电性　

科技部网站消息：纳米电子学又前进了一步。　‘个德国马克斯普朗克学会微结构物理学　

研究所参与的国际研究团队发现了一个可以用来制作具有非常强导电性硅纳米线的效应：利　

用铝作为催化剂生成这类纳米线。科学家们发现，硅在这一过程中吸收的铝，大大超过了他　

们的预期。掺杂的铝含量高，改善了纳米线的导电性。这一效应可用来制造其他高掺杂性的　

纳米材料。　

科学家们发现，硅在这时候吸收的铝甚至能超过热力学定律允许的ｌ万倍。根据热力学　

定律，硅晶体通过掺杂被铝原了取代的原予数连百万分之一都不到。但事实上，经原予探针　

断层扫描，该团队的科学家发现，他们制作的掺杂铝的硅纳米线铝含量高达约４％，而且铝　

原子分布十分均匀。　

英国海底焊接技术研究获重大突破　

海底焊接技术主要用来修复和维护关键的近海油气管道、钻井平台和潮汐能系统等。近　

日，英国克兰菲尔德大学的海底焊接技术研究获重大突破。采用该技术可使得焊接工在深达　

９４０ｍ的海底作业，而此前这一方面的世界纪录为３００ｍ。　

新颖混合焊接技艺的开发为焊接流程带来了革命性的变化。该技艺实现了传统电弧焊与　

激光技术的融合，从而使得连接大型管道所需要的时间减少了７５％。　

南航用纳米技术研发出半导体特性的硫化五钼纳米带　

南京航空航天大学纳米科学研究所与东南大学、南京大学和浙江大学科研团队合作开展　

的纳米制造技术研究取得突破，生成了０．３５ｎｍ宽的尺寸均一、具有半导体特性的高强韧的　

四硫化五钼纳米带。　

研究还显示：二硫化钨、二硒化钼等二硫属过渡族金属化合物二维原子晶体材料都具有　

类似的可加工性能。这有望将自一卜而下的纳米制造技术从ｌＯｎｍ以上突破到亚纳米级，提供　

了纳米制造技术向亚纳米级发展的一个新途径。该研究成果己在《自然一通讯》杂志发表。　

近半个多世纪以来，精细化制造一直是科技产业发展的强大推动力。尤其是随着半导体　

产业迅速发展，以光刻、电子束刻蚀等能量束刻蚀技术为主的自上而下的主流纳米制造技术　

量子力学中的固体物理与半导体

在量子力学中，固体物理与半导体是一个重要而广泛的研究领域。固体物理研究介绍了物质的宏观性质如何由原子与分子的微观相互作用导致，而半导体则是固体物理中的一个重要分支，研究半导体材料的特性与应用。本文将深入探讨固体物理与半导体的相关内容。

一、固体物理概述

固体物理是研究固态物质及其性质的学科，涉及原子、分子、晶体和电子等微观领域。在固体物理中，我们需要对量子力学、统计物理和电磁学等学科有一定的理解。量子力学提供了描述微观粒子行为的数学工具，而统计物理描述了大量微观粒子的集体行为。

固体物理研究的一个重要方向是对固态材料中电子的行为进行建模分析。在固体内，原子排列成周期性的晶体结构，电子则被束缚于晶体的电子能带内。这些电子的行为决定了固体的电学、磁学和光学等性质。基于这个理论框架，我们能够解释金属、绝缘体和半导体等不同材料的行为差异。

二、半导体的性质与应用

半导体是固体物理研究的一个重要课题，它在现代电子学中扮演着重要角色。半导体是指在温度较高时具有导电性，但在室温下电阻较高的材料。由于半导体的电阻可受外界条件调控，使其具备广泛的应用价值。

1. 半导体材料与能带结构 半导体的能带结构是理解其性质的关键。一般来说，固体中的电子有其能量范围，称为能带。半导体中有两个主要的能带：价带和导带。价带中的电子处于束缚状态，导带中的电子则具备自由运动能力。

2. 掺杂与杂质

半导体的电学性质可以通过掺杂处理改变。掺杂是将少量外来原子（杂质）引入半导体中，以改变其导电性。掺杂分为n型和p型，分别是引入电子或空穴，从而增强导电性能。

3. 半导体器件

半导体材料的独特性质使其成为电子学器件的理想选择。例如，二极管、晶体管和集成电路等都是基于半导体材料构造的。这些器件已经广泛应用于信息技术、通信技术和电力电子等领域。

三、量子力学在半导体中的应用

量子力学在解释和设计半导体材料与器件中起着关键作用。半导体器件的尺寸通常与电子波长相当，因此量子效应不可忽视。

导电性和固体能带理论

1.非金属及其化合物的导电性

如6.1节所述，金属导体、半导体和绝缘体的主要差别在于电导率的大小。导体非常容易导电，电导率很大，一般大于10S·m-1；绝缘体很难，以致全然不导电，电导率小于10-11S·m-1；而半导体则介于中间，电导率为10-11～10S·m-1。

非金属单质中，位于周期表p区右上部的元素(如Cl2、O2)及稀有气体元素(如Ne、Ar)的单质为绝缘体，位于周期表p区对角线附近的元素单质大都具有半导体的性质(见图6.7)，其中硅和锗是公认最好的，其次是硒，其他半导体单质各有缺点。例如，碘的蒸气压大、硼的熔点高、磷有毒等，因而应用不多。位于周期表左边的大多数金属及其合金是导体，已在6.1节中讨论过。

非金属元素的化合物中，大多数离子晶体(如NaCl、KCl、CaO在固态时)和分子晶体(如CO2、CCl4)都是绝缘体。一些无机化合物和某些有机化合物是半导体。应用最广的化合物半导体是所谓Ⅲ-Ⅴ(主)族化合物，以及Ⅱ-Ⅵ族化合物，如GaAs、InSb、GaP以及如ZnO、CdS、ZnSe等。此外，SnO2、PbS、PbSe等也是应用较多的半导体。

若把一些化合物半导体看成是由单质半导体衍生而来，则有助于了解半导体的化学键。例如可从下列实例中看出： GeGe→GaAs→ZnSe→CuBr

(Ⅳ-Ⅳ) (Ⅲ-Ⅴ) (Ⅱ-Ⅵ) (Ⅰ-Ⅶ)

这些具有8个价电子①的半导体的化学键，是共价键或共价键与离子键(不是金属键！)之间的过渡键型(或者说，半导体的化学键除Ge、Si等少数共价键外，大多可以看成是由于极化而引起由离子键向共价键过渡而形成的键)。

与金属的导电情况不同，大多数半导体、绝缘体的电导率随温度升高而迅速增加。这是由于导电本质不同而引起的，半导体通常是由于热激发(见7.3节)产生价电子和空穴而导电，金属则是由于自由电子的存在而导电。

作为单质半导体的材料要求有很高的纯度。例如，半导体锗的纯度要在99.999999%(8个“9”)以上。但有时却要掺入少量杂质以改变半导体的导电性能。恰当地掺入某种微量杂质(即掺杂)会大大增加半导体的导电性，这是半导体不同于金属的另一个重要特征。半导体硅和锗中最常用的掺杂元素是第V主族元素磷、砷、锑和第Ⅲ主旋元素硼等。藉此可以制成各种半导体器件，将在7.3节中讨论。