同樣是金剛石結構，為什麼金剛石是非導體，而硅是半導體?

12-31

金剛石帶隙比硅大。

首先，需要澄清的是，雖然理想的金剛石的確是絕緣體，但如果進行摻雜改性的話，它也可以成為半導體，只是由於禁帶較寬，所以其導電性改變的空間有限。

那麼為什麼理想金剛石，也就是立方結構的碳，是絕緣體而同樣晶體結構的硅卻是良好的半導體呢？基本上前兩位說的就是答案：因為金剛石的帶隙比Si大！如下圖所示，金剛石的室溫禁帶寬為5.47 eV，而Si塊體的室溫禁帶寬度僅為1.12 eV。相比之下，石墨則有著典型的導體特徵，沒有明顯的帶隙。如此一來，石墨中的部分電子是自由的，可以參與導電；Si中的電子需要在熱激發或者雜質元素的幫助下獲取自由運動的能力；而對於金剛石，其電子躍遷到導帶（空的）的難度非常大（例如幾百度高溫下），因此表現出絕緣體特性。

圖一：金剛石、塊體硅及石墨的態密度圖。

圖片來源：[1] M.R. Salehpour S. Satpathy, Phys. Rev. B 41, 3048 (1990)

[2] N. Amrane M. Benkraouda, American Journal of Materials Science and
Engineering 1, 12, (2013)

[3] 王麗莉等，計算機與應用化學 27，735，(1010)

因為題主似乎想知道的是為什麼它們各自的帶隙差別如此之大，所以我打算啰嗦一下。

1.對於金剛石和硅來說，它們具有相同的晶體結構（圖二），而且這兩種元素在周期表中屬於同一主族。因此，二者唯一的區別在於原子的大小和質量不同（核與電子結構不同）。前者有6個核外電子，而後者有14個。這些電子從裡向外按一定規律和軌道排列在原子核的外部。而這樣導致的結果就是其原子半徑相差很大（圖三）。

圖二：金剛石、塊體硅及石墨的晶體結構圖。

圖片來源：Richard Harwood』s course about Physical Geology

圖三：碳和硅原子的核外電子結構示意圖。

圖片來源：Wikimedia Commons

當把無數原子放在一起通過鍵合形成單質時，不同原子間的核外電子之間要發生相互作用，這種相互作用涉及量子力學過程，簡單地說，就是這些電子要填充在圖一中所示的、在一定能量範圍內准連續的所謂能帶內。不同的元素以不同的結構結合，就會形成不同的能帶結構。而從凝聚態物理的觀點來看，能帶結構決定了物質的幾乎一切屬性。

當碳和硅都以金剛石結構形成單質時，前者核外電子數少，半徑小，受到原子核的靜電束縛強，使得它們都只能在很窄的能量範圍內出現，因此形成了較窄的能帶結構（對應較寬的禁帶）。其全部電子佔據了費米面以下全部的價帶能級，因此電子無法參與導電（因為它們沒地方可去了，當前條件下所有的能量狀態都被佔滿了）。硅單質也是這樣的情況，唯一的不同是，由於硅原子核外電子數較多，半徑大，外層電子受到原子核的靜電束縛弱，因而能夠在更寬的能量範圍內出現，形成較寬的能帶結構（對應較窄的禁帶）。這樣一來，雖然硅的價帶也是滿的，但由於禁帶很窄，因此費米面附近的電子在一定條件下可以發生躍遷，跑到相鄰的能量更高的另一個能帶上去（導帶）。這樣一來，這些電子就都有了可以運動的空間，就體現出了所謂的半導體特性。

2.那麼對於同為碳元素構成的金剛石和石墨來說，為什麼前者是絕緣體，後者是導體呢？

從圖二可以看出，這兩種物質的最大區別在於晶體結構不同。對於金剛石，它是立方結構，每個碳原子周圍有4個其他的碳原子做鄰居，因此，為了和睦穩定的相處，它需要和四個鄰居分享它的外層電子。而對於石墨，它是非常特殊的層狀結構，就像千層酥。每一層裡面，一個碳原子只需要和周圍的三個鄰居分享外層電子，而與相鄰層中的其他碳原子則關係淡漠，鮮有往來。這樣他的電子就有了「富裕」，可以「自由」的玩耍了。這些相對自由的電子可以再整個能帶中跑來跑去（圖一），使得這個世界再沒了「鴻溝」，成就了良好的導體特性。

先寫到這，文法錯別字什麼的沒時間查了，第一次用心回答，請賞臉。

半導體其實也是絕緣體，當然這裡說的是本徵半導體（無摻雜），金剛石硅和金剛石都是絕緣體，只不過兩者的帶隙寬度不同而已，金剛石硅1.1ev，金剛石5.5ev，一般我們把帶隙寬度比較小的絕緣體叫半導體（一般0.1ev到3.0ev都稱為半導體）

因為硅原子半徑比碳原子大，對核外電子的束縛力相對較弱，少量電子脫離原位，形成空穴，所以有一定導電性。具體的請專業人士解答。

導電性怎麼樣，主要看價電子需要多少能量脫離原子的束縛，也即導帶低和價帶頂的能量差（禁帶寬度）。這個能量越小，導電性越強。

金剛石的這個能量比硅大，也即禁帶寬度更大，所以導電性更差。

在物理上，如樓上所說，碳原子對電子的束縛能力比硅原子強。