半导体与宝石

 (1)半导体与晶体

历史上，半导体因晶体管的发明而名声雀起。但是半导体并不都是晶体。

周知，材料分为晶体和非晶体两大类。

晶体（ crystal ）是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体；或者说，晶体是具有格子（ lattice ）构造的固体。所谓格子构造，是指内部质点（原子、离子或分子）作规律排列，并构成一定的几何图形。晶体的基本要素是对称性。晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。晶体的重要特征是其外部表现为规则几何外形。理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

有些看起来像晶体的物质如玻璃、琥珀、等，它们内部质点的排列，不具有格子构造，即不作周期性的重复排列，这类固体被称之为非晶质或非晶质体。

晶体跟晶体也不同。晶体可以按照来源和成键特点分类。晶体按来源分为：天然晶体（宝石、冰、砂子等）和人工晶体（各种人工晶体材料等）。晶体按成键特点分为：原子晶体，如金刚石；离子晶体，如NaCl；分子晶体，如冰；金属晶体，如Cu。

天然晶体（natural crystal），或称天然晶体矿物，是天然产出的，具有一定化学组成和晶体结构的单质或化合物。人工晶体（synthetic crystal）即人工合成或人造的晶体。

合成晶体是有天然对应物的人工晶体。相反，人造晶体无天然对应物的人工晶体，比如人造钛酸锶，铱铝榴石（YAG），钆镓榴石（GGG）等。

人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗糖等，在一般人的心目中就认为晶体就像水晶和石盐那样，具有规则的几何多面体形状。

晶体半导体、非晶体半导体，包括多晶体半导体都有用处。比如，硅太阳能电池就有单晶硅太能电池、非晶硅太能电池、多晶硅太能电池等等。

(2)晶体与宝石

晶体规则的几何外形和晶莹透明的漂亮颜色让人一下子想到宝石。

按晶系分类的常见宝石有：

高级晶族，如具有等轴对称性的金刚石、石榴石、尖晶石等；

中级晶族，如具有六方等轴对称性的祖母绿、海蓝宝石等；具有三方对称性的红宝石、蓝宝石、碧玺、水晶等；具有四方对称性的锆石等；

低级晶族，如具有斜方对称性的黄玉、橄榄石、金绿宝石等；具有单斜对称性的软玉、硬玉、透辉石等；具有三斜对称性的拉长石、月光石等。

这里要注意宝石与玉石的区别。宝石，如金刚石、红宝石、蓝宝石，是单晶体，即由单个矿物组成的晶体。而玉石，如翡翠、软玉、岫玉，是多晶体集合体，即由一种或多种矿物组成的集合体。

(3)半导体与宝石

“钻石恒久远一颗永流传”（A diamond is forever）是珠宝大王戴比尔斯在1939年所用的广告词。

这里的钻石即金刚石，或者说是金刚石结构的碳（C）。钻石是目前已知最硬的宝石。

纯净的钻石无色，蓝色钻石是在金刚石中掺入了少量的硼（B），而紫色钻石是在金刚石中掺入了少量的氮（N）、硼（B）、氢（H）原子。

钻石

这么珍贵的东西如果能人工制造，该是多么大的财富诱惑！事实上，很早很早以前，人们就开始了人造钻石的尝试。

1893年法国科学家莫瓦桑(Henri Moissan 1852一1907)向世人宣布他已成功地用石墨制成了世界上第一颗人造金刚石。但是, 当一些人怀疑或无法重现而向他提问时，他却以保密和专利为由谢绝。其实，他当年并没有真正从石墨中制造出金刚石，但是也没有弄虚作假。据说, 莫瓦桑坚信常压下可以制成金刚石并让助手反复试验。后来助手实在厌烦了,就事先在炉子里放了一颗金刚石。莫瓦桑不知情,还以为真的试验成功了。直到1955年，人造金刚石才由美国通用公司研制成功。

除了钻石，半导体工业中还经常用到蓝宝石、红宝石（红色和蓝色的刚玉）作为衬底。蓝宝石、红宝石的主要成分是氧化铝(Al2O3）。

纯净的氧化铝无色，蓝宝石、红宝石的颜色是其中掺入的金属使然，比如蓝宝石：氧化铝+铁（Fe）、钛（Ti）；红宝石：氧化铝+铬(Cr)。当然，蓝宝石、红宝石现在都可以人工合成，用作衬底时斑斓的色彩已无必要，所以金属掺杂就免了。