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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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_价电子

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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_晶体_02
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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_晶体_03

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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_价电子_04

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。
固态器件理论(2)价和晶体结构_半导体_05

(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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_价电子_06

(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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_二维_07

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。
固态器件理论(2)价和晶体结构_技术交流_08

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。

固态器件理论(2)价和晶体结构_价电子_09

(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。
固态器件理论(2)价和晶体结构_半导体_10

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。

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