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闪锌矿型晶体结构(转载原创作者:Xie M. X. (UESTC,成都市))

2011-12-05 15:47阅读:
(GaAs晶体结构与Si的有哪些异同?GaAs的化学键有什么特点?)
原创作者:Xie M. X. (UESTC,成都市)

闪锌矿(立方ZnS)是一种晶体矿物。GaAs等大多数Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体和一些重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体都具有闪锌矿型的晶体结构。
(1)闪锌矿型与金刚石型的晶体结构比较:
它们的晶体结构很相似,重要的差别就在于闪锌矿型晶体中有两种不同元素的原子。
它们都是立方晶系的晶体,并且都具有面心立方Bravais格子,晶胞和原胞的形式也都相同。
实际上,在金刚石型晶体的立方体晶胞中,把内部的4个原子采用另一种原子来代替之,就得到闪锌矿型晶体的晶胞。该立方体晶胞的8个顶角原子和6个面心原子是等价的;但这些原子与立方体内部的4个原子不等价,这里的不等价不仅是由于它们的价键取向不同,而且也是由于它们的化学性质不同(譬如,一种是As原子,另一种是Ga原子)。晶胞的边长亦为晶格常数a。晶胞中也包含8个原子(对于GaAs晶体,4个是As原子,4个是Ga原子)。
闪锌矿型晶体与金刚石型晶体一样,也可看成为是由两套面心立方Bravais格子沿着体对角线方向(<111>)措开1/4对角线长度而套构起来的,只不过这两套Bravais格子的化学性质不同;例如GaAs晶体,其中一套是As原子的面心立方格子,另一种是Ga原子的面心立方格子。原胞的形式也与金刚石型晶体的相同,每一个原胞中包含2个原子(一个As原子和一个Ga原子)。当然,闪锌矿型晶体是复式晶格的晶体。
总之,闪锌矿型晶体与金刚石型晶体在结构上基本上是相同的。
(2)闪锌矿型晶体是极性共价键晶体:

闪锌矿型晶体与金刚石型晶体在结构和性质上的最大差别,就在于其中化学键性质的不同。Si、Ge等金刚石型晶体的价键都是100%的共价键(非极性键),但是GaAs等闪锌矿型晶体的价键则否,这也就造成了GaAs晶体与Si、Ge晶体在性质上的差异。
对于GaAs晶体,其中的As原子本来有5个价电子(s2p2),Ga原子本来有3个价电子(s2p1),当它们在组成晶体时,As原子可以给出一个价电子予Ga原子,就造成了As、Ga原子都具有4个价电子的形式(s2p2);于是,As、Ga原子之间可以共用4个电子,即可形成4个共价键——每一个原子有4个共价键,从而能够与相邻的4个原子形成共价键,这就构成了正四面体分布的结构;采用这种原子排列的规律就构成了GaAs晶体。可见,从原子结合成晶体的角度上来看,GaAs晶体的形成与Si、Ge基本相同,因此GaAs晶体中的化学键在性质上也基本上是共价键。
然而,GaAs晶体终究是由两种不同元素的原子所构成的,这两种原子的电负性不同;As原子的电负性较大,Ga原子的电负性较小,因此,共价键中的共用电子对,将比较偏向于As原子一边(实际上是共用电子对出现在As原子周围的时间较多于Ga原子),这就是说,GaAs晶体中的共价键具有一定的极性(离子性),因此可以说这是一种极性共价键。该极性共价键大部分是共价键性质,大约有30%的离子键性质(因为As、Ga原子的电负性差XAs-XGa=2.18-1.81=0.37)。正是由于这种价键的极性也就决定了GaAs晶体在性质上存在不同于Si、Ge之处。
GaAs晶体原子的配位数也为4,即一个As原子的周围有4个Ga原子(按照正四面体分布),或者说,一个Ga原子的周围有4个按照正四面体分布的As原子。As原子与Ga原子的连线——价键的取向都是<111>晶向。任一个As原子与其最近邻的As原子的连线,或者任一个Ga原子与其最近邻的Ga原子的连线,都是共价键四面体的一条棱,它们的取向也都是<110>晶向。
从原子层的堆积角度来看,GaAs晶体可看成是沿着<111>晶向、把许多密排原子面叠起来构成的;这些密排原子面都是{111}晶面,并且一层是Ga原子面、其上一层就是As原子面,再上一层又是Ga原子面,…,这样间隔地堆叠起来即构成整个晶体。因此,GaAs晶体的极性轴就在<111>晶向上。并且一块GaAs晶体的正面若是Ga原子面,那么它的背面就必然是As原子面。

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