第3节 价态和晶体结构 (修订中)
[TOC]
__价：__最外层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。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 壳层）。原子可能会释放一些电子以暴露底层的完整壳层。原子可以接受一些电子来完成外壳。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。也就是说，原子结合形成一个分子
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反应。轻松释放电子的能力使这些元素成为极好的 导体 (opens new window)。
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。内层电子：对于 n= 1, 2, 3, 4；2n 2 = 2、8、18、32。
绝缘子
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来用完整的 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。这些不放弃电子的元素是 绝缘体 (opens new window)。
元素周期表第VIIA族元素：F、Cl、Br和I具有7个价电子，在与其他元素的反应中很容易接受一个电子。
例如，Cl 原子接受来自 Na 原子的电子成为 Cl -离子，如下图所示。_离子_是由原子通过提供或接受电子形成的带电粒子。当 Na 原子提供一个电子时，它变成一个 Na + 离子。这就是 Na 和 Cl 原子如何结合形成食盐 NaCl，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电子，形成 Na _+_和 Cl _-_离子。
氯化钠以立方结构结晶，如下图所示。该模型不按比例显示三维结构。Na + Cl -离子实际上是堆积起来的，类似于堆叠的大理石层。容易绘制的立方晶体结构说明固体晶体可能包含带电粒子。
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，化学家迫使 Xe 和 Kr 形成了一些化合物，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，在室温下是气体。
VIIIA 族元素：He、Ne、Ar、Kr、Xe 在很大程度上是不活泼的，因为价壳是完整的。
半导体
IVA 族元素：C、Si、Ge，如下图所示，在价壳层中具有 4 个电子，通过与其他元素共享电子而不形成离子而形成化合物。这种共享的电子键合称为_共价键合_。请注意，中心原子（以及扩展的其他原子）通过共享电子完成了它的价壳层。请注意，该图是键合的 2-d 表示，实际上是 3-d。我们对 IVA 组的半导体特性感兴趣。
(a) IVA 族元素：C、Si、Ge 在价层中有 4 个电子，(b) 通过与其他元素共享电子来完成价层。
__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。甚至金属也是由微观层面的晶体组成的。如果对金属样品进行光学抛光，然后进行酸蚀刻，则微观_微晶_结构如下图所示。也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品没有发现微晶结构。实际上所有的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) 酸蚀刻以显示微晶结构。
许多金属很软，很容易因各种金属加工技术而变形。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，并且可以在晶体之间自由移动。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是由正离子 Na 离子和负 Cl 离子的规律重复模式组成。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。电子不能在晶格中自由移动，这与金属不同。离子也不是自由的。离子被固定在晶体结构内。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。规则的重复结构消失了。水的蒸发沉积 Na +和 Cl -由于带相反电荷的离子相互吸引，形成新晶体形式的离子。由于带相反电荷的离子的强静电吸引力，离子材料形成晶体结构。
_具有立方 str 的 NaCl 晶体_第 14 族（以前属于第 IV 族）的半导体利用原子周围的 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，两个在 p 轨道。其中一个 p 轨道未被占用。三个 p 轨道与 s 轨道杂交形成四个 sp 3分子轨道。这些四电子云相互排斥，以等距的四面体间距围绕硅原子，被正核吸引，如下图所示。
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）通过_共价键_、共享电子键与其他四个原子化学键合。如果每个电子具有相反的自旋 (opens new window)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一个轨道。这对应于电子云或键合的下图（a）的重叠图。下图（b）是原点处下图所示金刚石晶体结构晶胞体积的四分之一。这种键在金刚石中特别强，强度下降到第 IV 族硅和锗。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
金刚石_晶胞_是基本的晶体构件。下图显示了在单元体积内与四个其他原子键合的四个原子（黑色）。这相当于在下图中的原点放置上图（b）中的一个，然后在相邻面上再放置三个以填充整个立方体。六个原子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其他两个键。在八个立体角中，四个原子与立方体内的一个原子键合。其他四个原子键合在哪里？其他四个结合到晶体的相邻立方体上。请记住，即使立方体中的四个角原子没有键，晶体中的所有原子都键合在一个巨大的分子中。半导体晶体是由该晶胞的副本构成的。
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。一个原子与其他四个原子共价键合，而这四个原子又与另外四个原子键合，依此类推。晶格相对坚硬以抵抗变形。很少有电子释放自己以在晶体周围传导。半导体的一个特性是，一旦释放电子，就会形成带正电的空空间，这也有助于传导。
# 1. 总结
- 原子试图形成一个完整的外层，化合价，一个 8 电子的壳层（最内层的壳层为 2 个电子）。原子可以提供一些电子来暴露下层的 8 层，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。
- 大多数半导体器件由单晶制成。
相关练习：
总目录：