发射器件晶外结构

半导体材料是由一种或几种原子周期性规则排列而成的晶体，而每个原子又包含原子核和核外电子。夫于半导体晶体结构的基础理论在相关固体物理方面的书籍中已有详细论述，这里不作为本书的重点内容进行详细展开。本节简要介绍几种重要的半导体晶体结构。常用的半导体材料包括金刚石（以51为代表）、闪锌矿（以GaAs为代表）和纤锌矿（以ZnSe为代表）晶体结构。

硅和锗等重要半导体材料都属于第Ⅳ族元素，原子的最外层都具有4个价电子。大量的硅、锗原子靠共价键结合成晶体，他们的晶体结构与碳原子组成的结构一样都属于金刚石型结构。这种结构中每个原子周围都有4个最邻近的原子，组成正四面体结构，如图1（a）所示。每个原子和周围4个原子组成4个共价键，4个键长度相等，两相邻键夹角为109°28′。许多四面体积累起来就得到如图1（b）所示的金刚石型结构。金刚石型结构的结晶学原胞是一种立方对称的晶胞，它的布喇菲格子是面心立方，如图1（c）所示。这种晶胞可以看做是沿体对角线方向平移其长度四分之一的2个面心立方晶胞互相套构而成。原子在晶胞中排列的情况是：8个原子位于立方体的8个对角顶上，6个原子位于6个面中心上，晶胞内部有4个原子。立方体顶角和面心上的原子与这4个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。它的固体物理学原胞和面心立方晶格的相同，差别只在于前者每个原胞中包含2个原子，后者只包含1个原子。金刚石型结构中原子间距比较大，原子空间占有率只有34％。

图1 金刚石型结构

闪锌矿型晶体结构与金刚石型结构类似，同属立方晶系，布喇菲格子也是面心立方，不同之处在于闪锌矿晶胞是由两种不同原子组成的。只要在金刚石型晶格立方单元的对角线位置上放一种原子，在面心立方位置上放另外一种原子，就能得到闪锌矿型结构。绝大多数Ⅲ族元素（如铝、嫁和铟）和Ⅴ族元素（如磷、砷和锑）构成的化合物都具有闪锌矿型结构。这种结构是由两类原子各自组成的面心立方原胞沿体对角线平移四分之一体对角线距离相互套构而成的，其晶胞结构如图2所示。在共价化合物中，电负性强的原子平均来说带有负电，电负性弱的原子平均来说带有正电，正负电荷之间的库仑作用对结合会有一定的贡献。在共价结合占优势的情况下，这种化合物倾向于构成闪锌矿结构。经简单的计算可知，闪锌矿结构晶体的（110）晶面之间的面间距最大，原子之间的键合力最弱，所以一般最容易沿此晶面断开，形成自然解理面，这是半导体激光器理想的谐振腔面。

图2 闪锌矿型结构的晶胞

除硒化汞、碲化汞是半金属外，Ⅱ族元素（如锌、镉和汞）和Ⅵ族元素（如硫、硒和碲）合成的化合物大部分都是闪锌矿型结构，但是其中有些具有六角晶系纤锌矿型结构。纤锌矿型结构可以看做是两个套构而成的六角密排晶格，如图3所示。纤锌矿型结构是四个等距紧邻原子的四面体型排列，类似于闪锌矿型结构。与III－V族化合物类似，这种共价化合物晶体的结合性质也具有离子性，但是这两种元素的电负性差别较大，蛔果离子型结合占优势，则易于形成纤锌矿型结构。硫化锌、硒化锌、硫化镉和硒化镉等都可以闪锌矿型和纤锌矿两种方式结晶。

图3 纤锌矿型结构的晶胞

NaCl晶体是由Na＋和Cr构成的具有氯化钠型结构的典型晶体。根据电中性条件，每种离子的最近邻都是异性离子，因此，氯化钠结构的每个基元由两个离子组成，一个正离子，一个负离子。每种离子各自形成面心立方结构，沿轴矢方向平移半个晶格常数，互相套构而成，如图4所示。一些重要的半导体材料，如Ⅳ～Ⅵ族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅，都是以氯化钠型结构结晶的。

图4 氯化钠型结构的晶胞