实际半导体晶体与理想晶体有什么区别？

实际金属晶体结构与理想结构偏离。理想晶体实际是单晶体，即内部晶格位向完全一致的晶体，如单晶Si半导体。而实际使用的金属，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间的位向都不同，是多晶体（由许多位向不同的晶粒构成的晶体）。 这样晶体的各向异性上就产生区别，当晶体内部的晶格位向完全一致而形成理想状态下的单晶体时，该晶体必然具有【各向异性】的特征，但实际金属是多晶体，故宏观上显示出【各向同性】。在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小、位向差也很小的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称【亚组织】。 实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。 晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷。它们在力学性能上对金属就有影响，使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等。09-09-06矿物晶簇是指由生长在岩石的裂隙或空洞中的许多矿物单警惕所组成的簇状集合体，它们一端固定于共同的基地岩石上，另一端自由发育而具有良好的晶行。晶簇可以有单一的同种矿物的晶体组成，也可以由几种不同的矿物的晶体组成。 在自然界以完好单晶或晶醋产出的矿物比较稀少，一般都要在晶洞裂隙中才有可能找到。这是因为矿物警惕发育完整的重要条件是需要一个能自由生长的良好空间，且容液的过饱和度比较低，使矿物结晶速度进行得比较缓慢。在一定温压条件下，流体和洞壁围岩不断相互作用，才能生成各种发育完好的矿物晶簇。 我国幅员辽阔，地质背景复杂，自然环境条件各异，矿物晶簇的分布很广，种类繁多现就最常见和重要的几种作简略介绍。 水晶水晶是结晶完好的石英晶体，化学组成是氧化硅（SiO2）。晶体状态的由六方双锥和六方柱构成的带锥头的六方体。其颜色多种多样：无色透明的或乳白色半透明的称水晶，紫色的称紫晶，烟灰色的属烟晶，茶褐色的为茶晶，黄色的称黄水晶，玫瑰色的为蔷薇水晶（芙蓉石）等。其中紫晶是最受人们喜爱的宝石品种之一，除它的颜色高雅外，我们的祖先还认为紫晶可以促使互相谅解，保佑平安和万事如意。国际宝石学界把紫晶列为2月生辰石。 水晶大多呈单晶晶簇产出，有时还可能和其他矿物晶簇（如萤石、重晶石、辰砂或镜铁矿等）共生。与其共生的镜铁矿往往呈花瓣状集合体，构成“铁玫瑰”形态十分美观。水晶晶簇本身常组成形如菊花的放射状集合体，很受人们的喜爱。水晶几乎产于全国各省（市、自治区），但以江苏、贵州、四川、内幕古、海南等省较多。在国外，巴西以盛产水晶著称，特别的紫晶，其他产地还有马达加斯加、日本和美国等。 水晶矿床主要为花岗伟晶岩型和中温热液充填型。前者多出现于花岗岩体的内、外接触带，后者则分布于硅质岩层（如石英岩、砂岩、硅质页岩、片麻岩）及灰岩、白云岩中呈脉状、透镜状晶洞产出。 方解石方解石也是一种分布广泛的常见矿物晶体（簇），化学组成是碳酸钙（CaCO3），主要为无色或白色，有时因含其他元素而呈浅黄、浅红、紫、褐黑色等。无色透明的方解石晶体称冰州石，是重要的光学材料。方解石晶体一般发育完好，形态多种多样，常见的有柱状体、菱面体、板状体、三角面体等。单晶大小可以从几毫米至数十厘米不等。因此，方解石晶簇形态丰富多姿，造型美观。有时，方解石晶簇可和金属硫化物晶体（如黄铁矿、闪锌矿）共生，形态更为美丽。笔者在湖南水口山铅锌矿考察时，曾见过巨大壮观的以方解石晶簇为主的晶洞，其中可容纳数十人之多，局部可见到菱面体状方解石晶簇和半透明的棕色闪锌矿晶体共生产出，构成美丽的图案。方解石晶簇主要产于以碳酸盐岩为围岩的热液脉状矿床中，如贵州、广西、云南等省，那里有大量碳酸盐岩地层分布，岩浆活动不发育，因此其生成温度一般比水晶稍低。 萤石萤石是一种钙的氟化物（CaF2）。矿物晶体大多为半透明至透明，在紫外线照射下出现极强的荧光。矿物常呈现多种诱人的颜色，包括红色、绿色、蓝色、褐色、黄色、橙黄色和紫色等。晶体通常为立方体，两个立方体常相互穿插构成双晶，取次为八面体及菱形十二面体。单晶大小可由数毫米至几十厘米。 萤石大部分形成于热液作用阶段。按其产出围岩的不同，可大致分为两类：一种产于硅酸盐岩中，如花岗岩、流纹质火山岩、页岩及砂岩等，主要共生矿物有方解石、重晶石及各种金属硫化物，如闪锌矿、方铅矿、黄铜矿和黄铁矿等。我国萤石资源极其丰富，晶簇往往也很发育，在浙江、山东、辽宁、广东、云南、湖南、贵州、四川等省均有产出。 绿柱石这是一种含铍的铝硅酸盐矿物（Be3Al2Si6O18）。晶体常成六方柱和六方锥体，具玻璃光泽。由于所含碱金属和微量元素的不同，可呈现不同颜色，有无色、绿色、蓝色、玫瑰色和紫红色等。其中祖母绿是绿柱石家族中最珍贵的成员和宝石。其所呈现的鲜艳绿色，归因于矿物中含有铬和钒。祖母绿青翠悦目，使各个时代的人都为之着迷，它有“绿色之王”的美誉，特别为东方民族所酷爱。自古以来，祖母绿一直同钻石、红宝石和蓝宝石共同列为世界四大珍贵宝石。 绿柱石一般产于由高温气液作用形成的花岗伟晶岩中，常与白云母、微斜长石等晶体集合体共生。绿柱石单晶的大小从几厘米到数十厘米不等。我国新疆阿尔泰地区是绿柱石的主要产地，甘肃、云南等省也有产出。但祖母绿的生成地质环境较特殊，如美国北卡罗来纳州的祖母绿产于超基性岩（一种超镁铁质的侵入岩）内的花岗伟晶岩晶洞中。我国云南有高温气成熟液脉型的白钨矿——祖母绿矿床，产于含铍二云母花岗岩体外接触带，围岩为含铬、钒较高的古来变质岩。 刚玉它的化学组成为氧化铝（AI2O3），其硬度为9，仅次于钻石（钻石的硬度为10）。天然刚玉一般都含有微量元素杂质，主要有铬、钛、锰、钒等因此使刚玉带有不同颜色，如黄灰、蓝灰、红、蓝、紫、绿、棕、黑色等。刚玉的晶体形态常呈桶状、柱状或板状，晶形大多都较完整，具玻璃光泽至金刚光泽。 红宝石是指含铬的具鲜艳红色的透明到半透明的刚玉，是一种非常珍贵的宝石，目前市场上优质的红宝石比钻石还珍贵，红宝石的著名产地是缅甸、泰国、斯里兰卡、巴西和越南。它主要产于侵入岩体外接触带的白色粗粒大理岩中，呈浸染状斑晶产出。其必要的生成地质条件是高温、富铝、缺硅并有铬的来源。我国西藏和云南等地也已发现类似成因的红宝石矿床。 蓝宝石是泛指除红色以外的任何颜色色调的宝石级刚玉。它们的颜色有白、黄、青、蓝、紫、玫瑰等色，但以蓝色者最为常见。蓝色是由于刚玉晶体中含有钛和铁所致。蓝宝石的主要产地的巴西、缅甸、泰国和澳大利亚等地。但其产出的地质条件却和红宝石不一样，主要产于碱性玄武岩中。我国山东也有类似成因的蓝宝石矿床，只是蓝宝石晶体的颜色过深。蓝宝石的另一种类型产于碱性侵入岩与富镁碳酸盐岩的内接触带夕卡岩中。 辉锑矿它属于锑的硫化物（Sb2Ssss3），铅灰色，金属光泽。单晶呈长柱状或针状，柱面有明显的纵纹。晶体集合体常呈放射状或束状。单晶大小从几厘米到几十厘米。辉锑矿是分布最广的锑化物，见于中低温热液充填矿床中。我国湖南锡矿山是世界上最大最著名的辉锑矿产地，贵州、广西、陕西等省也有不少辉锑矿床产出。除了上述列举的一些常见和挂、贵重的矿物晶簇外，在自然界还有不少美观和较为常见的矿物晶簇，如石榴子石、黄铁矿、锡石、辰砂、蓝铜矿、孔雀石、雄黄、雌黄、电气石、石膏、角闪石、绿帘石、红柱石、天青石、鱼眼石等。限于篇幅，这里不能一一列举。 矿物晶簇是观赏石中一个大的重要类别。欧美等西方国家对矿物晶簇十分推崇和爱好，收藏也卓见成效。随着我国经济的飞速发展和人民物质生活和文化水平的不断提高，观赏石，特别是矿物晶簇的开发和发展也快速兴起，已成为一个国家文化和文明程度的标志之一。 由于矿物晶体是天然形成的，不是人造的，因此是不可再生的宝贵资源。它们不仅具有地域性、稀有性、奇特性、艺术性、科学性和商品性等特点，还具有观赏、玩味、陈列、收藏和科学研究价值。它们以奇特的晶形、千姿百态的造型、艳丽多彩的色泽和漂亮珍贵的质地等特点而受到越来越多人们的青睐，观后使人赏心悦目，回味无穷。我国各地，特别是大城市已开始出现观赏石，特别是矿物晶簇的收藏、展览和经营热潮，如在北京、桂林等地，目前至少已有数十家出售奇石、观赏石、矿物晶簇的商店。但现在对矿物晶簇的新产地的勘察、产出地质环境和形成机理的研究以及艺术加工、合理的开发利用和资源保护等工作，还远远不够，往往只追求一时的商业价值，而忽视资源保护及其艺术性和科学价值。这是今后应该注意的问题。

半导体原子规则排列成点阵状态。其最小单元叫作晶包，对锗来讲是小四面体，即金刚石结构。电子在晶体中为晶包所公有，形成能带结构，如图4-1-1所示。下面的能带称为价带，又称满带，平时被电子填满。中间是禁带（又称能隙）。上面是导带，平时没有电子（又称空带）。在价带以下还有更低能量的价带；在导带以上还有更高能量的导带。如果令Eg代表禁带宽度，Eg(金属)＜ Eg＜ Eg（绝缘体）。中间是半导体。在T＝0时，理想的半导体是无杂质的半导体，导带全空（无电子），价带全满，被电子充满，加上电压不导电，电阻率非常大。在T≠0时，热激发使价带电子跳到导带，电子都处在导带底层，空穴均处在价带上层，并且处于动平衡状态，激发的电子—空穴对数目等于复合电子—空穴对数目。这样的半导体叫作本征半导体。从能带模型看，产生电子—空穴对，破坏了一个原子的共价键，Eg就是该结合键的结合能：

式中　Ni——电子密度，与温度有关；Pi——空穴密度，与温度有关；K——波尔兹曼常数；T——绝对温度，°K；Eg——能隙（禁带宽度）；N ( T )——表示跃迁到某一状态的状态函数。

本征半导体：晶格结构完整，没有缺陷，没有杂质，电阻率极大，电子充满价带，绝对零度不导电。

本征半导体Si或Ge，掺杂少量的三价或五价元素，便改变了半导体的电性能。如五价的P、As加入到Si或Ge，P、As置换了Ge晶格点阵的Ge原子。因是五价，四个电子与周围Ge组成四组共价键，第五个电子与As结合不紧密，在热激发下跳到导带，留下正电荷在点阵上形成正电中心，这种杂质称为施主杂质。

如果掺杂少量三价B、Ga元素，去置换Si或Ge原子，它要从周围的Ge原子拉过来一个电子，组成四对共价键，即原来价带的一个电子跳入Ga固定能级形成负电中心，在价带中留下一个空穴，这种杂质称为受主杂质。施主杂质As给出一个电子，它一般靠近导带，也称为浅层杂质，距禁带0.03～0.05eV。受主杂质Ga接受一个电子，它一般靠近满带，也称为深层杂质。

单晶本身浓度为1022原子/cm3，这是本征半导体。杂质浓度为109～1010原子/cm3，为高纯锗作半导体探测器；杂质浓度为1011～1012原子/cm3，为特种半导体，作特种器件；杂质浓度为1012～1013原子/cm3，为一般半导体，作晶体管。

半导体分为N型半导体、P型半导体。N型半导体的电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体的电子是少数载流子，空穴是多数载流子。P型半导体与N型半导体结合在一起，接触面形成PN结。

1.载流子的寿命载流子寿命てe( h )越长越好，大约为300μs～1ms。对于一块完整的晶体，载流子迁移率与温度有关。当温度高时，晶格受热运动产生光学、声学振动，载流子在迁移过程中，可能发生碰撞而受阻力。反之亦然。载流子的迁移率μ与温度t关系曲线如图4-1-2所示。由于晶格点阵有空位，造成附近区点阵错乱，称为点缺陷；由于点阵错乱，引起点阵变形，称为线缺陷；面与面之间点阵错乱，即位错乱，引起的点阵畸变，称为面缺陷。由于上述三种缺陷产生了凸凹部分，使点阵的结合能发生改变，出现了能量的高低变化。能量低的地方被称为陷井。当载流子通过陷井时，把载流子陷进去，使载流子暂停一下，当得到适当机会后它再跃出。由于掺杂质后，施主杂质产生了正电荷中心，受主杂质产生了负电荷中心。有电荷中心就产生了库仑电场，当载流子经过库仑电场时，使其暂停一下，当得到适当机会，把它放出，这种电荷中心称为捕捉中心。当被电荷中心捕捉后，被进一步陷落于价带中，与价带中的一个空穴复合，使载流子消失，这种现象称为复合。载流子的寿命与陷井、捕捉、复合三种现象有很大关系。一般情况下，温度低迁移率大，载流子寿命长。电子—空穴对由产生到消失，所用时间称为载流子寿命：

式中　てe（h）——载流子寿命；μe（h）——载流子迁移率；λ——载流子的平均自由行程；?——受陷落截面；P——陷井密度。

对于厚度为1cm的耗尽层，由于载流子的损失，能量谱加宽0.1%。

2.载流子的平均自由行程在没有外界电场的情况下，电子—空穴对从产生到消失，所走的平均距离，称为载流子的平均自由行程。载流子的平均自由行程与陷井的密度、掺杂质的种类有关。陷井密度小，受陷落截面小，λ大。氧和铜在锗晶体中特别容易扩散。如果本征半导体在空气中暴露1min，就产生一个氧化层使表面造成破坏，导致漏电流增大。对于半导体，漏电流越小越好，漏电流与半导体制造工艺有很大关系。晶体表面清洁，漏电流就小，一般小于10-10A。

载流子的浓度随时间变化：

式中　N0exp——初始载流子密度；Nt——载流子随时间变化密度。

3.载流子的收集率当γ量子入射到本征区后，γ量子由于能量损失，便产生一定数量的电子—空穴对，在外界电场的作用下，被收集到阳极，产生电流脉冲，这种收集如果是完全的话，电流脉冲幅度达到极大值。收集载流子多少称为收集率。收集率大小与半导体制造工艺、材料、体积大小，本征区宽度有关；从本质上讲，还取决于载流子迁移率、迁移长度、复合效应、陷井、捕捉中心密度大小；另外还和外加电场强弱有关。

4.对半导体探测器的要求气体探测器：在电离室中产生一个电子—离子对，大约需要能量ε≈30eV；半导体探测器：在晶体中产生一个电子—空穴对，大约需要能量ε≈3eV；闪烁体探测器：在光电倍增管光阴极上，产生一个光电子，大约需要能量ε≈300eV。

半导体探测器产生一个电子—空穴对需要的能量ε越小，能量分辨率越高。产生一个电子—空穴对需要能量/γ光子损耗能量= 0.3～0.35，γ光子损耗的能量主要消耗于晶格的光学、声学振动中。

5.载流子的漂移速度原子在外加电场作用下，在晶体内产生区域电场，电场有固定指向，电子—空穴对沿电场漂移，漂移速度ve( h)：

式中　μe（h）——电子一空穴对漂移率或漂移本领，也叫载流子迁移率。

在室温情况下，电子的漂移率μe=1300cm2/(V?s)，空穴的漂移率μ（h）=500cm2/（V?s）；在不同电场下，μe（h）不是常数，在1000～2000V/cm时，μe（h）达到极大值，为1×107～2×107cm2/(V?s)。

μe（h）是温度T的函数，温度为0时，μe（h）达到极大值，因为0时晶格无振动，电子—空穴对不受任何碰撞，运动无阻力。晶体的任何参杂和晶格的不完整性都会引起μe （h）的减小。

材料的电阻率表示为：

用式（4-1-4）计算的Pi与实际测得的Pi相差极大，因为在实际上没有真正无杂质的纯晶体。

电子密度Ni与温度关系较大，随温度变化快。Ni与μe（h）比较，μe（h）随温度变化较慢一些：

6.几种材料的禁带度

禁带宽度越宽，晶体的使用温度越高，0.66eV（低温）→1.45eV（室温）→2.8eV（高温）。锗原子序数为32，碘化钠原子序数为11、53，因此两个探测器探测效率相差不多。

7.Si和Ge的基本特性参数

8.产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35的原因γ量子入射到本征区，它并不是只与弗米表面起作用，还与满带下面能量更低的带起作用，交给满带能量，是随机性的。这样激发出来的电子，其能量有高、有低。这样一来，能量高的就可以跳到导带，还有的跳到更高导带上去。这时它是不稳定的，放出能量回到低能导带上；处在低能价带上的空穴也是不稳定的，它也要逐渐回到价带的最表层(空穴移动是通过上一层满带的电子来补偿的)，同时空穴也将放出能量。电子与空穴放出的能量大部分交给晶格，能量低的产生光学振动，能量高一点的作声学振动，所以点阵总是处于一种振动状态，γ量子损耗的能量不是完全都用于产生电子—空穴对，而是一大部分用于产生各种点阵的振动。产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35。产生一个电子—空穴对损耗的能量比禁带宽度大好几倍。

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