半导体与宝石

 (1)半导体与晶体

历史上，半导体因晶体管的发明而名声雀起。但是半导体并不都是晶体。

周知，材料分为晶体和非晶体两大类。

晶体（ crystal ）是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体；或者说，晶体是具有格子（ lattice ）构造的固体。所谓格子构造，是指内部质点（原子、离子或分子）作规律排列，并构成一定的几何图形。晶体的基本要素是对称性。晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。晶体的重要特征是其外部表现为规则几何外形。理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

有些看起来像晶体的物质如玻璃、琥珀、等，它们内部质点的排列，不具有格子构造，即不作周期性的重复排列，这类固体被称之为非晶质或非晶质体。

晶体跟晶体也不同。晶体可以按照来源和成键特点分类。晶体按来源分为：天然晶体（宝石、冰、砂子等）和人工晶体（各种人工晶体材料等）。晶体按成键特点分为：原子晶体，如金刚石；离子晶体，如NaCl；分子晶体，如冰；金属晶体，如Cu。

天然晶体（natural crystal），或称天然晶体矿物，是天然产出的，具有一定化学组成和晶体结构的单质或化合物。人工晶体（synthetic crystal）即人工合成或人造的晶体。

合成晶体是有天然对应物的人工晶体。相反，人造晶体无天然对应物的人工晶体，比如人造钛酸锶，铱铝榴石（YAG），钆镓榴石（GGG）等。

人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗糖等，在一般人的心目中就认为晶体就像水晶和石盐那样，具有规则的几何多面体形状。

晶体半导体、非晶体半导体，包括多晶体半导体都有用处。比如，硅太阳能电池就有单晶硅太能电池、非晶硅太能电池、多晶硅太能电池等等。

(2)晶体与宝石

晶体规则的几何外形和晶莹透明的漂亮颜色让人一下子想到宝石。

按晶系分类的常见宝石有：

高级晶族，如具有等轴对称性的金刚石、石榴石、尖晶石等；

中级晶族，如具有六方等轴对称性的祖母绿、海蓝宝石等；具有三方对称性的红宝石、蓝宝石、碧玺、水晶等；具有四方对称性的锆石等；

低级晶族，如具有斜方对称性的黄玉、橄榄石、金绿宝石等；具有单斜对称性的软玉、硬玉、透辉石等；具有三斜对称性的拉长石、月光石等。

这里要注意宝石与玉石的区别。宝石，如金刚石、红宝石、蓝宝石，是单晶体，即由单个矿物组成的晶体。而玉石，如翡翠、软玉、岫玉，是多晶体集合体，即由一种或多种矿物组成的集合体。

(3)半导体与宝石

“钻石恒久远一颗永流传”（A diamond is forever）是珠宝大王戴比尔斯在1939年所用的广告词。

这里的钻石即金刚石，或者说是金刚石结构的碳（C）。钻石是目前已知最硬的宝石。

纯净的钻石无色，蓝色钻石是在金刚石中掺入了少量的硼（B），而紫色钻石是在金刚石中掺入了少量的氮（N）、硼（B）、氢（H）原子。

这么珍贵的东西如果能人工制造，该是多么大的财富诱惑！事实上，很早很早以前，人们就开始了人造钻石的尝试。

1893年法国科学家莫瓦桑(Henri Moissan 1852一1907)向世人宣布他已成功地用石墨制成了世界上第一颗人造金刚石。但是, 当一些人怀疑或无法重现而向他提问时，他却以保密和专利为由谢绝。其实，他当年并没有真正从石墨中制造出金刚石，但是也没有弄虚作假。据说, 莫瓦桑坚信常压下可以制成金刚石并让助手反复试验。后来助手实在厌烦了,就事先在炉子里放了一颗金刚石。莫瓦桑不知情,还以为真的试验成功了。直到1955年，人造金刚石才由美国通用公司研制成功。

除了钻石，半导体工业中还经常用到蓝宝石、红宝石（红色和蓝色的刚玉）作为衬底。蓝宝石、红宝石的主要成分是氧化铝(Al2O3）。

纯净的氧化铝无色，蓝宝石、红宝石的颜色是其中掺入的金属使然，比如蓝宝石：氧化铝+铁（Fe）、钛（Ti）；红宝石：氧化铝+铬(Cr)。当然，蓝宝石、红宝石现在都可以人工合成，用作衬底时斑斓的色彩已无必要，所以金属掺杂就免了。

（1）元素半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体，其中对硅、硒的研究比较早。它是由相同元素组成的具有半导体特性的固体材料，容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。目前， 只有硅、锗性能好，运用的比较广，硒在电子照明和光电领域中应用。硅在半导体工业中运用的多，这主要受到二氧化硅的影响，能够在器件制作上形成掩膜，能够提高半导体器件的稳定性，利于自动化工业生产。[2]（2）无机合成物半导体。无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料，当然也有多种元素构成的半导体材料，主要的半导体性质有I族与V、VI、VII族；II族与IV、V、VI、VII族；III族与V、VI族；IV族与IV、VI族V族与VI族；VI族与VI族的结合化合物，但受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求。这一半导体主要运用到高速器件中，InP制造的晶体管的速度比其他材料都高，主要运用到光电集成电路、抗核辐射器件中。 对于导电率高的材料，主要用于LED等方面。[2]（3）有机合成物半导体。有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，把有机化合物和碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过化学的添加，能够让其进入到能带，这样可以发生电导率，从而形成有机化合物半导体。这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点。可以通过控制分子的方式来控制导电性能，应用的范围比较广，主要用于有机薄膜、有机照明等方面。[2]（4）非晶态半导体。它又被叫做无定形半导体或玻璃半导体，属于半导电性的一类材料。非晶半导体和其他非晶材料一样，都是短程有序、长程无序结构。它主要是通过改变原子相对位置，改变原有的周期性排列，形成非晶硅。晶态和非晶态主要区别于原子排列是否具有长程序。非晶态半导体的性能控制难，随着技术的发明，非晶态半导体开始使用。这一制作工序简单，主要用于工程类，在光吸收方面有很好的效果，主要运用到太阳能电池和液晶显示屏中。[2]（5）本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。[5] 它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。[6]

1、组成属性不同

（1）玉石：有软、硬两种（软玉（Nephrite）、硬玉（Jadeite））

软玉：是含水的钙镁硅酸盐。

硬玉:是钠铝硅酸盐。

（2）锗石：是自然界中含有锗元素的一类矿石的统称。

（3）砭石：主要成分是一种称为“微晶灰岩”的矿物质。

（4）托玛琳石：又称电气石，是一种硼硅酸盐结晶体。

2、硬度不同

（1）玉石：有软、硬两种

软玉：硬度一般在6.5以下，韧性极佳。

硬玉：硬度6.5－7

硬玉的比重（3.25－3.4）大于软玉（2.9－3.1）。

（2）锗石：硬度6～6.5

（3）砭石：砭石的硬度比较脆弱，比一般石头要软，所以轻易可以摔碎。

（4）托玛琳石：硬度7～7.5

3、外观不同

（1）玉石

软玉：半透明到不透明，纤维状晶体集合体。

硬玉：半透明到不透明，粒状到纤维状集合体，致密块状。

（2）锗石：银灰色晶体。

（3）砭石：砭石中含有铜、铁等金属物质，致使砭石会呈现红、黄、绿等颜色。

（4）托玛琳石：含有铝、铁、镁、钠、锂、钾等元素。颜色随成分不同而异，富含Fe的电气石呈黑色，富含Li、Mn和Cs的电气石呈玫瑰色，亦呈淡蓝色，富含Mg的电气石常呈褐色和黄色，富含Cr的电气石呈深绿色。

参考资料来源：百度百科--玉石

百度百科--锗石

百度百科--砭石

百度百科--托玛琳

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