价和晶体结构

价态： 最外层壳或价壳中的电子被称为价 电子。这些价电子负责化学元素的化学性质。正是这些电子参与了与其他元素的化学反应。适用于简单反应的一个过于简化的化学规则是原子试图形成一个完整的 8 个电子外壳（两个用于 L 壳）。原子可能会放出一些电子以暴露下面的完整壳层。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。原子甚至可以在原子之间共享电子以试图完成外壳。这个过程形成分子键。即原子结合形成分子

导体

例如 I 族元素：Li、Na、K、Cu、Ag 和 Au 具有单价电子。 （下图）这些元素都具有相似的化学性质。这些原子很容易放出一个电子与其他元素发生反应。容易放出电子的能力使这些元素成为极好的导体。

元素周期表 IA 族元素：Li、Na 和 K，以及 IB 族元素：Cu、Ag 和 Au 在外层或价层壳中有一个电子，很容易捐赠。内壳电子：对于 n=1, 2, 3, 4; 2n ² =2、8、18、32。

绝缘体

VIIA 族元素：Fl、Cl、Br 和 I 在外壳中都有 7 个电子。这些元素很容易接受一个电子，用完整的 8 个电子填充外壳。 （下图）如果这些元素确实接受了一个电子，那么中性原子就会形成一个负离子。这些不放出电子的元素是绝缘体。

周期表VIIA族元素：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一个电子。

例如，Cl原子接受来自Na原子的电子变成Cl ^- 离子如下图所示。一个离子 是由原子通过提供或接受电子而形成的带电粒子。当 Na 原子提供一个电子时，它变成了 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 Na ⁺ Cl ^- ，一对离子。 Na ⁺ 和 Cl ^- 携带相反的电荷，相互吸引。

中性钠原子向中性氯原子提供一个电子形成Na + 和 Cl - 离子。

氯化钠以如下图所示的立方结构结晶。此模型未按比例显示三维结构。 Na ⁺ Cl ^- 离子实际上堆积成类似于堆叠的大理石层。易于绘制的立方晶体结构说明固体晶体可能含有带电粒子。

VIIIA 族元素：He、Ne、Ar、Kr、Xe 在价壳层中都有 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。它们也不容易参与化学反应，因为 VIIIA 族元素不容易与其他元素结合。近年来，化学家强迫 Xe 和 Kr 形成一些化合物，但是，就我们讨论的目的而言，这并不适用。这些元素是良好的电绝缘体，在室温下是气体。

第 VIIIA 族元素：He、Ne、Ar、Kr、Xe 由于价壳完整，基本上不反应。

半导体

IVA 族元素：C、Si、Ge，在价壳中有 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而形成化合物。这种共享的电子键称为共价键 .请注意，中心原子（以及其他原子）通过共享电子完成了它的价壳。请注意，该图是键合的 2-d 表示，实际上是 3-d。我们对 IVA 族的半导体特性感兴趣。

(a) IVA 族元素：C、Si、Ge 在价壳中有 4 个电子，(b) 通过与其他元素共享电子来完成价壳。

晶体结构： 大多数无机物质将它们的原子（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。甚至金属在微观层面也是由晶体组成的。如果对金属样品进行光学抛光，然后酸蚀，微观微晶 结构如下图所示。还可以从专业供应商处以相当高的价格购买金属单晶样品。抛光和蚀刻这样的样本没有揭示微晶结构。实际上所有工业金属都是多晶的。另一方面，大多数现代半导体都是单晶器件。我们主要对单晶结构感兴趣。

(a) 金属样品，(b) 抛光，(c) 酸蚀以显示微晶结构。

许多金属很软，很容易通过各种金属加工技术变形。微晶在金属加工中变形。此外，价电子可以在晶格周围自由移动，并在晶体之间移动。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钠离子和负氯离子的规则重复图案组成。 Na和Cl原子形成Na ⁺ 和 Cl ^- 离子通过将电子从 Na 转移到 Cl，没有自由电子。电子不能在晶格中自由移动，这与金属相比有所不同。离子也不是游离的。离子固定在晶体结构内。但是，如果 NaCl 晶体溶解在水中，离子可以自由移动。然而，水晶已经不存在了。规则的、重复的结构消失了。水的蒸发会沉积 Na ⁺ 和 Cl ^- 当带相反电荷的离子相互吸引时，离子以新晶体的形式存在。离子材料由于带相反电荷的离子的强烈静电吸引力而形成晶体结构。

具有立方结构的NaCl晶体 第 14 组（以前是第 IV 组的一部分）中的半导体利用围绕原子的 s 和 p 轨道电子形成四面体键合模式，与四个相邻原子共享电子对键。 （下图（a））。第 14 族元素有四个外层电子：两个在球形 s 轨道中，两个在 p 轨道中。 p 轨道之一未被占用。三个p轨道与s轨道杂交形成四个sp ³ 分子轨道。如下图所示，这些四电子云被正原子核吸引，以等距的四面体间距相互排斥。

一个 s 轨道和三个 p 轨道电子杂交，形成四个 sp ³ 分子轨道。

每个半导体原子、Si、Ge 或 C（金刚石）都通过共价键与其他四个原子化学键合 , 共享电子键。如果每个电子具有相反的自旋量子数，则两个电子可以共享一个轨道。因此，未配对的电子可能与来自另一个原子的电子共享轨道。这对应于电子云或键合的重叠图（a）。下图（b）是下图所示金刚石晶体结构晶胞在原点处体积的四分之一。这种键在金刚石中特别强，从 IV 族向下到硅和锗的强度会降低。硅和锗都形成具有金刚石结构的晶体。

(a) Si 原子的四面体键合。 (b) 导致 1/4 的立方晶胞

菱形晶胞 是基本的水晶积木。下图显示了在单元体积内与其他四个原子键合的四个原子（深色）。这相当于将上图 (b) 中的一个放置在下图中的原点，然后在相邻面上再放置三个以填充整个立方体。六个原子分别落在六个立方体面的中间，显示出两个键。为清楚起见，省略了与相邻立方体的另外两个键。在八个立方角中，四个原子与立方体内的一个原子键合。其他四个原子在哪里键合？其他四个与晶体的相邻立方体结合。请记住，尽管立方体中的四个角原子没有显示任何键，但晶体中的所有原子都键合在一个巨大的分子中。由该晶胞的副本构成半导体晶体。

Si、Ge 和 C（金刚石）形成交错的面心立方体。

晶体实际上是一个分子。一个原子与另外四个原子共价键合，然后又与另外四个原子键合，依此类推。晶格相对坚硬，不易变形。很少有电子可以自由地在晶体周围传导。半导体的一个特性是，一旦一个电子被释放，就会形成一个带正电的空间，这也有助于导电。

审查

• 原子试图形成一个完整的外层、价态、8 个电子的壳层（最内层的壳层为 2 个电子）。原子可能会捐赠一些电子来暴露下面的 8 层壳，接受一些电子来完成一个壳，或者共享电子来完成一个壳。
• 原子通常在称为晶体的刚性结构中形成有序的离子或原子阵列。
• 中性原子可以通过提供电子形成正离子。
• 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 结晶成金刚石结构。晶体中的每个原子都是一个巨大分子的一部分，与其他四个原子结合。
• 大多数半导体器件都是用单晶制造的。

相关工作表：

• 半导体中的导电工作表