半导体基础知识

本书的内封面是一张完整的元素周期表。其中的元素按照性质的相似性组成行和列。元素周期表的左边的元素被称为金属，而那些在右边的元素被成为非金属。金属通常是热和电的良导体。他们可延展且有金属光泽。非金属是热和电的不良导体，那些固体非金属易碎且没有金属光泽。元素周期表中间的一些元素，比如硅和锗，他们的电气特性介于金属和非金属之间。这些元素被称为半导体。金属，半导体和非金属之间的差别是由他们的原子的电子结构决定的。

每一个原子由带正电的原子核和包围核子的电子云组成。电子云中的电子数目等于原子核中的质子数目，也等于该元素的原子序数。因此一个碳原子有6个电子因为碳在元素周期表中的原子序数是6。这些电子占据了一系列的跟洋葱的层有些相似的SHELLS。随着电子的增加，SHELL以从里面到外面的方向被填充。外面的或称为valence SHELL可以是不完全填充的。在外面SHELL中的电子被称为价电子。元素的价电子的数目决定了它的大部分的化学和电特性。

元素周期表中的每一行就代表了一个SHELL的填充情况。左边的元素有一个价电子，而右边的元素则把valence shell充满了。Valence shell充满的原子有特别的结构。那些valence shell未充满的原子会共用电子，那么他们也就有了完全充满的SHELL。共用电子的原子之间因为静电吸引而形成了一种化学键。根据填充valence shell使用的不同的方法，一共有3种键。

金属元素原子，比如钠，他们之间形成的是金属键。想象一下一组靠的很近的钠原子。每一个原子都有一个围绕填充满的内SHELL旋转的价电子。假设所有的钠原子都丢弃了他们的价电子。被丢弃的电子始终被带正电的钠原子吸引着，但由于现在每个原子都有了一个充满的valence shell，没有原子会接收这些电子。.1A是简化的钠晶体。静电力使钠原子处于一个常规结构。被丢弃的价电子能在晶体里自由移动。由于金属钠拥有无数的自由电子所以它是极好的电导体。（1 一些金属是用空穴而不是电子来导电的，但本书中的结论仍旧可以应用。）同样也是这些电子导致了他们表现出来的金属光泽和高的热传导率。其他金属也有相似的晶体结构，他们都是靠价电子和带正电的原子核结构之间的金属键保持在一起。
740)this.width=740" border=undefined>.1不同化学键的简图：钠晶体的金属键（A），氯化钠的离子键（B），和氯分子的共价键（C）。

金属和非金属之间形成的是离子键。想象一下一对靠的很近的钠原子和氯原子。钠原子有一个价电子，而氯原子正好缺一个电子来形成一个充满的valence shell。钠原子可以把自己的一个电子给氯原子，这样大家都有了充满的外层SHELLS。交换之后，钠原子带正电，氯原子带负电。这两个带电的原子（或离子）互相吸引。这样处于结构中的钠离子和氯离子就形成了固体氯化钠晶体（.1B）。晶体状的氯化钠是电的不良导体，因为它所有的电子都被束缚在不同原子的SHELLS里了。

非金属元素原子之间形成的是共价键。想象一下两个靠的很近的氯原子。每个原子有7个价电子，而充满它的valence shell需要8个电子。假设每个原子都捐献一个价电子形成一对公用电子对，那么每个氯原子就有8个价电子了：6个它自己的，加上2个共用的电子。两个氯原子靠他们之间的共用电子对形成了一个分子（.1C）。共用电子对形成了共价键。缺少自由价电子就是非金属元素为什么不导电和没有金属光泽的原因。许多非金属在室温下气体，因为这些电中性的分子不能互相吸引，也因此不能称为液体或固体。

半导体原子之间也是共价键。试讨论一下硅原子，一种典型的半导体。每个原子有4个价电子，为了形成valence shell它还需要4个电子。两个硅原子理论上能共用他们的价电子来充满SHELLS。实际上这不会发生，因为8个互相捆在一起的电子会互相排斥。相反，每个硅原子和它周围的4个硅原子共用一个电子对。通过这个方法，价电子分散到4个不同的地方且他们之间互相的排斥。

.2 是简化的硅晶体图。每个小圆圈代表一个硅原子。圆圈之间的每根线代表了一对共用价电子形成的共价键。这样每个硅原子有了8个电子（4对共用电子对），所以每个原子都有了充满的valence shells。这些原子靠他们之间的共价键形成了分子网络。这些无数的格子代表了硅晶体的结构。整个晶体就是一个分子，因此晶体状的硅很坚固很硬，且它的熔点很高。硅通常来说是电的不良导体因为它所有的价电子都用来形成晶体结构。740)this.width=740" border=undefined>
.2硅晶体的简化二维图。

理论上第4组中的元素，包括碳，硅，锗，锡和铅（2 。第3，4，5和6组的元素在完整的元素周期表的列III-B,IV-B,V-B和 VI-B中。第2组的元素在列II-A或II-B中。A/B数字系统是个历史问题，国际理论和应用化学联合会（IUPAC）已经建议放弃使用；参见J.Hudson, The History of Chemistry(New York: Chapman and Hall,1992),pp.122-137.）都能形成相似的大分子晶体。碳，作为钻石的形式，在第4组元素中有强的键。钻石晶体以它的强度和硬度而闻名。硅和锗的键稍微弱一点，due to the presence of filled inner shells that partially shield the valence electrons from the nucleus.由于众多的内部SHELLS锡和铅的的键就更弱了；他们通常形成金属键晶体而不是共价键大分子。在第4组元素中，只有硅和锗有中等强度的键。这两种元素才是真正的半导体，而碳是非金属，锡和铅都是金属。