Was macht diese Kristallformen aus (Chemie, Halbleiterphysik)?

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2 Antworten

Die Diamant-Kristallstruktur besteht quasi aus zwei ineinander gesetzten kubisch flächenzentrierten (fcc) Gittern. Bei der Zinkblende kann man das ganz gut erkennen, weil die "beiden" Gitter dort von verschiedenen Ionen besetzt sind (Zink und Schwefel). Wenn man aber ignoriert, dass man bei Diamant nur eine Atomsorte hat (C) und bei Zinkblende zwei (Zn und S), dann sieht man, dass die Diamant- und Zinkblendestruktur gleich ist. Das steht ja auch in deiner zweiten Graphik: "geometrisch identisch".

Die Diamantstruktur ist für die Halbleiterphysik wichtig, weil Silizium (ebenso wie Germanium) eben diese Kristallstruktur hat, bzw. die Atome entsprechend angeordnet sind. In diesem Gitter hat ein Atom vier nächste Nachbarn (⇒ Atom in der Mitte eines Tetraeders & die Nachbaratome an den vier Ecken), was dazu passt, dass Silizium vier Valenzelektronen hat. Interessant wird das vorallem beim Dotieren, wobei die eingebrachten Fremdatome ja ein Valenzelektron mehr (n-Dotierung) oder weniger (p-Dotierung) haben, was zu freien Ladungsträgern führt.

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Ohne räumliches Vorstellungsvermögen wirst du da schlecht weiterkommen.

Das bedeutet, wenn du kein Naturtalent bist, dass du dir am besten eine Schachtel Streichhölzer und Klebstoff besorgst und bastelst.
Vielleicht kannst du es auch mit Papier und Bleistift hinbekommen, aber dann musst du im Geiste eine DImension nachbilden, keine leichte Übung.

Die Gitter hängen auch alle irgendwie zusammen, das wirst du dann irgendwann be"greifen". Nimm aus dem Diamantgitter alle Atome weg, die innerhalb des Würfels liegen, dann bleiben die in den Ecken und Flächenmitten übrig, also eine kubisch dichteste Kugelpackung.

In den gezeigten Gitter haben jedenfalls alle Atome eine tetraedrische Koordination, also vier Nachbarn.
Ein Tedraeder lässt sich übrigens gut in einen Würfel einpassen, wenn man vier seiner Ecken nimmt, alle die, die nicht direkt über eine Kante verbunden sind.
Diamant- und Zinkblendegitter unterscheiden sich eigentlich nur darin, dass im Diamant alle Atome gleich sind, in der Zinkblende ist jedes Zn nur mit S, und jedes S nur mit Zn direkt verbunden. Das gilt auch für GaAs, Siliziumcarbid und viele andere.
Ach ja, Si bildet auch ein Diamantgitter, eine Dotiereung ändert daran nichts.

So ganz nebenbei lässt sich mit dieser tetraedrischen Koordination auch ein hexagonales Gitter aufbauen. ZnS kann auch in dieser Struktur vorkommen, als Mineral Wurzit. Deswegen heißt das Wurzitgitter.
Auch Kohlenstoff kann so kristallisieren, als Lonsdaleit. Und beim Eis (mit ebenfalls tetraedrischer Koordination) ist das ja bekanntlich der Normalfall.
Und vielleicht ahnst du es, die hexagonal dichteste Kugelpackung ist damit verwandt.

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