02.1-第一节-固体晶体结构
固体物理中的晶体结构
固体物理中的晶体结构晶体是一种特殊的固态物质，具有高度有序的结构和周期性的排列。
晶体结构的研究是固体物理领域的一个重要课题，对于理解物质的特性和性质具有重要意义。
本文将介绍固体物理中的晶体结构，探讨晶体的组成以及晶格的特点。
一、晶体的组成晶体是由一定种类的原子、分子或离子有序排列而成的具有规则几何形状的固体物质。
晶体的组成可以分为两个主要部分：基本单元和空间格点。
基本单元是晶体中能够表示整个晶体的最小重复单位，也称为晶胞。
晶体的性质可以通过分析和了解晶胞的结构和成分来进行研究。
基本单元可以是原子、分子或离子。
空间格点是晶体结构中原子或离子所占据的位置，也可以看作是晶胞的顶点。
晶格可以展现晶体中原子或离子的位置关系，并决定了晶体的几何形状和物理性质。
在晶体结构中，空间格点呈现出周期性排列的特点。
二、晶体的晶格结构晶体的晶格结构是指晶体中空间格点的特点和分布规律。
常见的晶格结构有立方晶格、正交晶格、六方晶格、斜方晶格等。
立方晶格是晶体结构中最为简单和对称的一种晶格结构。
在立方晶格中，空间格点按照等距离分布，原子或离子在空间中呈现出立方形或立方体的排列形式。
立方晶格可以分为简单立方晶格、体心立方晶格和面心立方晶格。
正交晶格是晶体结构中空间格点按照直角坐标系的规律排列。
正交晶格的特点是空间格点按照垂直和平行于坐标轴的方向排列，原子或离子的位置按照直角坐标系展示。
六方晶格是晶体结构中空间格点的一种特殊排列形式。
在六方晶格中，空间格点呈现出六边形对称性，原子或离子按照六边形的排列方式分布。
斜方晶格是晶体结构中空间格点呈斜角形排列的一种晶格结构。
斜方晶格的特点是空间格点按照倾斜的方向排列，原子或离子的位置关系呈现出倾斜的特点。
三、晶体的晶胞结构晶胞是晶体结构中最小的单位，用于表示整个晶体的性质和结构。
晶胞可以分为原胞和超胞。
原胞是晶胞结构中的基本单位，能够完整地表述晶体的结构与性质。
原胞是一个具有周期性的重复单位，可以通过平移操作来重复堆叠构成整个晶体。
材料科学基础-固体的结构
hu+kv+lw=0
此关系称为晶带定理。满足该关系的（hkl)晶面都属于以
[uvw]为晶带轴的晶带。
[uvw]
整理课件
32
第二章 固体结构
利用晶带定理：
①已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，求出其晶带 轴[uvw]。
u : v : w ( k 1 l 2 k 2 l 1 ) : ( l 1 h 2 l 2 h 1 ) : ( h 1 k 2 h 2 k 1 )
整理课件
16
第二章 固体结构
整理课件
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
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20
第二章 固体结构
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
晶面族：原子排列规律、面间距完全相同，仅空间位向 关系不同的一组晶面（等价晶面），以｛h k l｝表示。
如六个柱面分别为： ( 1 0 0 ),(0 1 0 ),(1 1 0 ),(1 0 0 ),(0 1 0 ),( 1 1 0 ) c
(1 1 0)
(100)
a2
a1 [100 ]
[110 ]
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第二章 固体结构
根据六方晶系的对称特点，通常采用a1, a2, a3和c四个晶轴确
定六方晶系的晶面指数和晶向指数。
具有相同空间点阵的不同晶体结构
晶体结构相似而具有空间点阵不同
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13
第二章 固体结构
二、晶向指数和晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes） 1、晶向与晶向指数
固体物理 第一章 晶体结构
2 ( a1 a 2 )
倒格矢：Gh＝h1b1+h2b2+h3b3
， h1、h2、h3都是整数。
晶胞（单胞）与轴矢坐标系
晶胞：既能反映晶格周期性（平移对称性）又能 反映晶体的对称性特征的重复单元，体积又尽可 能小。 晶胞基矢（轴矢）：a、b、c 正格矢 Rl=l1a1+l2a2+l3a3 ， l1、l2、l3为有理数
O
c
b a
晶格周期性：
晶格中的物理量都是晶格的周期函数
Q (r ) Q ( Rl r )
求致密度
求简立方结构的致密度
§1.3 晶列、晶面及其表示
晶 列
晶 面
一、晶列与晶列指数
晶列：三维晶格中的一维晶格 晶向：晶列的取向 沿晶向的位移：Rl=l1a+l2b+l3c l1 :l2 : l3=l : m : n
l、m、n 为互质整数 晶列指数： [l m n]
[011]
D
c b 0 a A
C3 (3)
C4 (4)
C6 (6)
对称轴的图示方法
反演对称操作 以某一点为坐标原点，经过使 r 变为-r 的操作后晶体不变，即晶体具有反演对称性。
旋转-反演对称操作（旋转与反演的复合操作）
n次旋转反演对称轴记为 n
对称性原理：
n 1、、、、 2 3 4 6
1 或i
2
或m
3
= 3+i
4、立方晶体中晶列［hkl］垂直于晶面(hkl);
等效晶面：{hkl}
(001) (010) (100)
等效晶面：{100}
§1.4 晶体的宏观对称性
固体物理晶体结构
固体物理晶体结构晶体结构是固体物理学的一个重要研究方向，它研究的是固体材料内部的原子排列方式和空间组织形态。
晶体结构的研究对于深入理解固体物理和材料科学具有重要意义。
本文将从晶体结构的定义、种类、特点以及应用等方面进行详细讨论。
晶体是由原子、分子或离子组成的具有规则重复排列的固体物质。
晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的空间排列方式。
晶体结构的特点是具有周期性、有序性和三维性。
具体地说，晶体结构的周期性意味着晶体中的原子、离子或分子在空间上有规则的重复排列，即具有相同的周期性结构单元；有序性表示晶体中的原子、离子或分子形成了有规则的结构，各个粒子之间存在着一定的有序关系；三维性表示晶体结构可以延展到整个空间，形成一个连续的三维网状结构。
根据晶体的组成物质和结构特点，晶体结构可以分为原子晶体和离子晶体。
首先，原子晶体是由原子构成的晶体。
原子晶体可以进一步分为金属晶体、共价晶体和分子晶体。
金属晶体是由金属原子通过金属键紧密排列而成，其特点是具有电子云的金属离子之间遥相呼应，排列紧密。
共价晶体是由共价键连接的原子构成，其特点是原子间的共价键强度较大，形成了稳定的晶体结构。
分子晶体是由共用电子形成的原子团簇组成的，其特点是分子间的相互作用力较弱，分子之间通过静电作用和范德华力相互吸引。
原子晶体的典型代表有金属晶体铜、铝等；共价晶体的典型代表有钻石、石英等；分子晶体的典型代表有冰、盐等。
其次，离子晶体是由正负离子通过离子键连接而成的晶体。
离子晶体的特点是正负离子之间通过离子键形成了结晶的有序排列，正负离子按照固定的比例堆积构成了稳定的晶体结构。
离子晶体的典型代表有氯化钠、碳酸钙等。
晶体结构的研究在材料科学和物理学中具有广泛的应用。
首先，晶体结构的研究对于理解材料的性质和行为具有重要意义。
不同晶体结构的材料具有不同的物理性质，例如热导率、电导率、热膨胀系数等。
通过研究晶体结构，可以揭示材料的性质与结构之间的关系，为材料设计和制备提供理论指导。
固体物理第一章晶体结构-晶向 晶面和它们的标志
hv＋kv＋lw=0
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
—— 晶带中任何两晶面指数分别为（h1k1l2）和 （h2k2l2），求两晶面的晶带轴的指数 [uvw]
h1v＋k1v＋l1w=0 h2v＋k2v＋l2w=0
则u：v：w k1l1 ：l1h1 ：h1k1 k2l2 l2h2 h2k2
—— 三晶面指数分别为（h1k1l2）,（h2k2l2）,（h3k3l3）是
否属于同一晶带判据
h1k1l1 h 2k 2l2 h3k3l3
0
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
—— 在三个基矢末端的 格点必分别落在该 族的不同晶面上
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
设
a1, a2 , a3
末端上的格点分别落在离原点的距离
h1d , h2d , h3d 的晶面上
h1, h2 , h3 —— 整数
d —— 晶面间距
—— 最靠近原点的晶面 在坐标轴上的截距
—— 符号相反的晶面指数只是在区别晶体的外表面时才有 意义, 在晶体内部这些面都是等效的
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
a3
a2 a1
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
晶带定律 所有相交于某一直线或平行于此直线的所有晶面
的组合称为晶带。 —— 同一晶带的晶面的面值数和面间距可能不 同，但它们之间互相平行
面称为晶体的晶面
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
同一个格子，两组不同的晶面族
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
固体物理第1课晶体结构 ppt课件
体心立方晶格（bcc）示意图3
R 3a 4
单个原子体积
V 4 R3 3 a3
3பைடு நூலகம்
16
由于晶胞中含两个原子，因此晶胞体积
为a3，两个原子占据体积为 3 a 3 8
面心立方晶格（fcc）示意图1
原子铺排方式：密排面，ABCABC…… 返回
面心立方晶格（fcc）示意图2
晶胞
中含 4个 原子
4. 解理性：当晶体受到敲打、剪切、撞击等外 界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方 位的晶面劈裂开来的性质。劈裂的晶面称为 解理面 （示意图） (云母)。
5. 各向异性：晶体的物理性质随观察方向而变 的现象（示意图）
在不同带轴上，晶体的物理性质不一样。 其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率不再是 常数，需要用张量来表示。
a、c： 113°08′
返回
各项异性和对称性示意图
σx σz σx=σy
返回
均匀性示意图
a1 a a
2 3
a( 2 a
2 a
2
i (i (i
j j j
k) k) k)
返回
原胞的体积V
V a 1 ( a 2 a 3 ) a 3 /2
a是晶胞的边长，又称晶格常数。 可见原胞体积是晶胞体积的一半，一个晶胞
对应两个格点，一个原胞只对应一个格点。
复式晶格中格点不等价的原因：
格点本身代表不同的原子（见图）。 格点附近空间结构不对称（见图） 。
1.3.5 三维布拉菲晶格
❖ 简立方晶格（sc）（示意图）(演示) 原胞 晶胞 Li、Na、K、Rb、Cs、F
❖ 体心立方晶格（bcc）（示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 体积 Li、Na、K、Rb、
02.1第二章 晶体结构及晶体学(1)
第一节 晶体结构排列的物
第一节 晶体结构 二、晶体的特性
自限性 均匀性 各向异性 对称性 稳定性
第一节 晶体结构 三、晶体的结构
基本概念
基元 点阵 晶格参数 晶胞 空间点阵类型
NaCl 晶体结构
•黄球表示钠离子(Na+) •绿球表示氯离子(Cl-) 在氯化钠晶体中，钠离子与氯 离子通过离子键相结合 每个钠离子与和它紧邻的6个氯 离子相连 每个氯离子与和它紧邻的6个钠 离子相连 钠离子和氯离子在三维空间上 交替出现，并延长形成氯化钠晶 体 氯化钠晶体中没有氯化钠分子， NaCl只是代表氯化钠晶体中钠离 子的个数和氯离子的个数为1:1
7．晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接 起来构成空间格子称为晶格。 8．晶胞 构成晶格的最基本单元。 由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶 胞来描述其排列特征。 9．晶格常数 晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ 是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、 b、c称为晶格常数或点阵常数。 其大小用A来表示（1A=10-8cm） 若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单 立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简 单立方晶格。
30
晶向族： —— 加 < >
1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属 同一晶向族
2. 一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向 3. 一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向 [111] [ 1 11] [1 1 1] [11 1 ] = < 111 >
[ 1 1 1] [ 1 1 1 ] [1 1 1 ] [ 1 1 1 ]
请绘出下列晶向： [001] [010] [100] [110] [1 1 0] [10 1 ] [112] 请绘出下列晶面： (001) (010) (100) (110) (1 1 0) (10 1 ) (112)
固体结构--晶体学基础1
晶向的矢量表示：OP = ua+vb+wc
（1） 坐标法标定晶向指数 确定立方晶系(cubic crystal systems)晶
向指数［ｕｖｗ]的步骤如下：
(1) 设定坐标系： (2) 求坐标：过坐标原点，作直线与待求晶向 平行;在该直线上任取一点，并确定该点的坐 标（x，y，z）. (3)化整数：将此值化成最小整数u，v，w
• 晶体与非晶体的区别： １.原子规则排列：晶体中原子（分子或离子）在三维空间
呈周期性重复规则排列，存在长程有序，而非晶体的原子无 规则排列的。
２.是否有固定熔点：晶体具有固定的熔点，非晶体无固定 的熔点，液固转变是在一定温度范围内进行。
3.各向异(同)性：晶体具有各向异性（anisotropy），非晶 体为各向同性。 • 绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体；多 数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。 注意： • 1. 实际金属为多晶体，伪各向同性; • 2. 晶体、非晶体间可相互转化。晶体在一定条件下可以转 化为晶体
第二章 固体结构
[110]
Z
[112]
[111] [110]
(221)
[221]
Y
X[100]
z [001]
第二章 固体结构
z [001]
z [001]
y [010]
y [010]
y [010]
x [100]
1 1/, 1/1, 1/ (010)
x [100]
1 1/, 1/ , 1/1 (001)
金属
Cu Al Ag α-Fe Au
第二章 固体结构
单晶体的异向性
最大弹性模量 (MPa)
190000
固体晶体结构和晶格常数
固体晶体结构和晶格常数固体晶体结构是材料科学中的重要概念。
它指的是由原子、离子或分子组成的晶体物质在空间中的排列方式。
晶格常数则是描述晶体结构的物理量，它代表了晶体中相邻晶格点的间距。
本篇文章将深入探讨固体晶体结构的分类、晶格常数的定义和计算方法，以及晶体结构与性质之间的关系。
一、固体晶体结构的分类固体晶体结构可以分为两大类：晶格（格状结构）和无定形结构。
晶格结构具有高度有序的排列方式，能够形成长程序列的周期性结构；而无定形结构则缺乏长程有序性，原子或离子的排列方式呈现无规则状态。
在晶体结构的分类中，我们常用晶体的晶胞来描述晶格结构。
晶胞是指通过平移操作，可以填充整个晶体的最小重复单位。
晶胞的类型决定了晶体的晶系分类，常见的晶系有立方晶系、四方晶系、正交晶系、六方晶系、单斜晶系和三斜晶系。
每种晶系下又存在不同的晶胞类型，例如立方晶系下有简单立方胞、体心立方胞和面心立方胞。
二、晶格常数的定义和计算方法晶体的晶格常数是描述晶格结构的重要物理量之一。
晶格常数通常用a、b、c等符号表示，代表了晶体晶胞中相邻晶格点之间的距离。
晶格常数的计算需要根据晶体的晶胞类型和晶系分类进行相应的公式推导。
以立方晶系为例，常见的晶胞类型有简单立方胞、体心立方胞和面心立方胞，它们的晶格常数的计算方法如下：1. 简单立方胞：晶格常数a即为晶胞边长。
2. 体心立方胞：晶格常数a = 4r / √3，其中r为原子的半径。
3. 面心立方胞：晶格常数a = 2r√2，其中r为原子的半径。
对于其他晶系的晶胞类型，同样存在相应的计算公式，具体的推导与证明可以参考相关的材料科学教材或专业文献。
三、晶体结构与物质性质的关系固体晶体结构对物质的性质具有重要影响。
不同的晶体结构会导致原子或离子之间的相互作用方式不同，从而决定了物质的物理、化学、电子等性质。
举例来说，面心立方结构常见于贵金属银（Ag）和铜（Cu），这种结构使得银和铜具有优良的导电性能。
固体物理1 晶体的结构图文
所有晶体的结构可以用空间点阵来描述，这种晶格的每个 阵点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空 间周期性重复排列就形成晶体结构。
1.基元、格点和晶格
(a)
(b)
(c)
(1)基元
在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个
基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，
平均每个晶胞包含2个格点。
固体物理学原胞的体积 Ω a1 a2 a3 1 a3 2
复式格 (1)氯化铯结构
Cl
Cs
氯化铯结构是由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的 长度套构而成。 Cl-和Cs+分别组成简立方格子，其布喇菲晶
格为简立方，氯化铯结构属简立方。
每个原胞包含1个格点，每个晶胞包含1个格点。基元由一 个Cl-和一个Cs+组成。
222222????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cnlbnkanhcnlbnkanhkx222222????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cnlbnkanhcnlbnkanhkx2222????????????????????????????????????????????????????????????????????cnlbnkanhbnkanhky2222????????????????????????????????????????????????????????????????????cnlbnkanhcnlanhkz??????????????????????????nlcknkbknhakzyx??????12222????????????????????????????????????????????????????????cnlbnkanhanh??与对应的衍射方向表示成
固体物理晶体结构2
• 金刚石结构
面心立方原胞内还有4 个原子，这4个原子分别 位于空间对角线的1/4处 碳四面体结构
碳原子杂化示意图察看
C 一种原子，二个位置。
金刚石结构是个复式格子，由两个面心立方子晶格 彼此沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成的。
半导体材料：锗Ge, 硅Si. 与金刚石结构相同。
• 闪锌矿结构，硫化锌ZnS
Γ(r)=Γ(r+l1a1+l2a2+l3a3) l1 , l2 , l3 整数 a1，a2 ，a3 重复单元的边长矢量，周期
结晶学
晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶轴方向， 固体物理学中选取的原胞，不是任意重复单元，基矢方向和晶 轴方向还是有一定的相对取向。 结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞
• 所以，倒格矢Kh的长度为：
kh
2 d h1h2 h3
• 晶面族(h1 h2 h3)中离原点的距离为 dh h h 的晶面 方程:
1 2 3
x
kh kh
简立方(SC)
体心立方(BCC)
面心立方(FCC)
三种格子的固体物理学原胞 简立方： 只含有8×1/8=1个原子 原胞的基矢：
a1=ia a2=ja a3=ka
a
体心立方(Body Centered Cubic) 含有8×1/8+1=2个原子 固体物理学原胞只要 求含有1个原子。 a1=–(a/2)i+(a/2)j+(a/2)k =a/2(–i+j+k)
原胞
一维的复式格子 b a
a
A，B两种原子组成一无限的周期性点列。 A 原子组成一个子晶格 原胞
固体物理中的晶体结构1
固体物理中的晶体结构1晶体是固体物理中的一个重要概念，它具有高度有序的结构和周期性。
晶体的结构对于材料的性能和行为起着决定性的作用。
本文将介绍固体物理中晶体结构的相关内容。
一、晶体的定义和分类晶体是由原子、离子或分子按照一定的方式排列而形成的固体。
晶体具有明确的几何形状和周期性结构。
根据晶体的基本结构单元和元素之间的相互排列方式，晶体可以分为单质晶体和化合物晶体两大类。
单质晶体是由同一种元素组成的晶体，如金刚石，石英等。
化合物晶体由多种元素组成，如盐类晶体、金属晶体等。
二、晶体的晶格和晶胞晶体的结构由一个重复单元组成，这个重复单元称为晶胞。
晶胞是由晶格点和晶胞参数组成的。
晶胞参数可以用来描述晶体的几何形状和尺寸。
晶格是晶体中一系列相互平行、等距和相互垂直的直线的集合。
晶格点是晶体中处于对称位置的固定点，可以用来描述晶体中原子、离子或分子的位置。
三、晶体结构的类型根据晶体结构的类型，晶体可以分为离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体等。
离子晶体由正负离子按照一定的比例排列而形成，如NaCl、CaF2等。
共价晶体以共价键连接的原子或分子为基本结构单位，如金刚石、硅等。
金属晶体是由金属离子形成的，如铜、铁等。
分子晶体由分子之间的相互作用形成，如冰、葡萄糖等。
四、晶体结构的描述晶体结构的描述方法有多种，包括布拉维格子、晶体晶系和晶体面指数等。
布拉维格子是晶格的空间重复单元，可以通过布拉维格子的晶胞参数来描述。
晶体晶系是指空间晶格对称性和晶胞形状的分类。
晶体面指数是用来描述晶体晶面方向的一组数值。
五、晶体缺陷晶体中可能存在各种缺陷，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
点缺陷是指晶体中的原子或离子位置的缺陷，如空位、插入原子等。
线缺陷是指在晶体中沿某个晶面或晶轴方向上出现的排列不规则的缺陷。
面缺陷是指晶体中出现的晶面形状不规则的缺陷。
六、晶体结构对物理性质的影响晶体结构对物理性质有着重要的影响。
例如，晶体的电子结构决定了它的导电性能；晶体的晶格结构和缺陷决定了它的机械性能；晶体的光学性质与晶格结构和原子的振动有关。
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第一章：绪论
第二章：微电子技术的物理基础 第三章：微电子技术的器件初步 第四章：器件制备工艺技术 第五章：集成电路设计
第二章 微电子学的物理基础
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 晶体结构 半导体中的电子运动规律 半导体中的载流子 载流子的输运现象 非平衡态半导体 PN结物理基础 半导体接触现象
正交晶系
正方晶系
单斜晶系
三角晶系
六角晶系
三斜晶系
15
1.2-3几种常见的布拉伐格子 立方晶系
简立方格子 体心立方格子 面心立方格子
a
a
a
16
晶格常数
六角晶系：六角格子
a b c 90 120
晶格常数 a，c
17
例题
请说明CsCl晶体的布拉伐格子。
1.2.4 常见半导体的晶体结构
非外延生长
衬底 (substrate)
39
外延的种类
液相外延（LPE） Liquid Phase Epitaxy 分子束外延（MBE） Molecule Beam Epitaxy 化学气相淀积（CVD） Chemical Vapor Deposition MOCVD （金属有机化学气相淀积）
40
22
金刚石结构组成
23
GaAs 晶体结构——闪锌矿结构
Zinc Blende Structure
Ga
As
布拉伐格子: 面心立方格子。 GaAs晶格常数: 5.65Å
24
GaN 晶体结构——纤锌矿结构
Wurtzite Structure
25
纤锌矿结构与六角密堆积结构
六角格子 六角密堆积结构 纤锌矿结构
人类对晶体的认识工具：Ｘ射线
DNA晶体的X射线衍射照片
10
1.2.1 晶体主要特征
原子或分子排列的周期性
排列的对称性
Si的晶体结构
11
1.2-2 晶体内部结构周期性
描述方法： 1.空间晶格（布拉伐格子） 2.单胞与原胞 3.基矢量法
12
1.空间晶格（布拉伐格子）
• 基元：是一个可以按照一定规律沿着空间 三个不同方向重复排列而得到整个晶体的 最小单元。 • 布拉伐格子(Bravais Lattice)：如果每个 基元都用一个点代替的话，这些代表点在 空间分布的周期性就与晶体中原子排列的 周期性完全一致，这些点的整体被称为空 间晶格或布拉伐格子。
13
晶体结构
Vs. 布拉伐格子
=
晶体结构 =
+
布拉伐格子 + 基元
①基元：代表一个原子集团。 ②每个基元中的原子数就等于原子种类数，不可能小于。 ③原子种类：包括化学成分或所处不同环境的原子
14
十四种布拉伐格子
Proved by Bravais in 1840’s
基矢量：a b c
立方晶系
夹角：
掺杂方法： 热扩散 离子注入
36
1.5 半导体材料的生长（1）
在熔融晶体中生长 —— 拉单晶
37
38
1.6 半导体材料的生长（2）
外延生长—— Epitaxy 磊晶 （台湾称谓）
epi：在…之上 （on, upon）
taxis：规则地安置排列 (orderly arrangement) 外延生长
32
分子键
• 分子之间的作用力 • 分子的正负电中心分布不对称所至，形成 偶极子 • 偶极子之间的静电作用形成分子键。 • 作用力很弱，键能很低。
33
1.4 晶体中的缺陷和杂质
缺陷
34
缺陷
• 热运动 • 点缺陷 (空位、间隙原子) • 线缺陷 等等
线缺陷
空位
间隙原子
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杂质
杂质：替位杂质、填隙杂质
Si
Si
Si
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金属键
典型的金属晶体分为： 碱金属 (Li, Na, K,等) 碱土金属 (Be, Mg) 过渡金属 (Fe, Cu, Ni，Ag，Au等) 离子心和共有价电子之间的相互作用形成 金属键 过渡金属原子内层d电子壳层未被填满，可 以构成共价键，这对结合能贡献很大，因 此过渡金属熔点很高。
第一节：晶体结构
内容提要：
1.1固体的类型 1.2晶体内部结构周期性 1.3晶体的形成原因---价键 1.4 晶体中的缺陷和杂质 1.5 半导体材料的生长
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1.1 固体的类型
无定型
多晶
单晶
4
判定标准 ——有序性
无定型 在几个原子或分子范围内有序
晶界
多晶
在多个原子或分子范围内有序 晶粒：尺度~微米的量级
单晶
在整个晶体范围内有序
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1.2 晶体内部结构的周期性
• • • • 1.2.1 晶体主要特征 1.2.2 晶体内部结构周期性的描述 1.2.3 十四种布拉伐格子 1.2.4 常见半导体的晶体结构
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1.2 晶体内部结构的周期性
人类早期对晶体的认识
天然岩盐
天然水晶
方解石
7
8
9
1.2 晶体内部结构的周期性
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1.3 晶体的形成原因
组成晶体的粒子之间存在静电力，键
• • • •
离子键 —— 离子晶体 共价键 —— 共价晶体 金属键 —— 金属晶体 分子键 —— 分子晶体
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离子键
化学元素周期表
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离子键
• 一族(碱金属)元素容易失去电子 成为正离子，七族(卤族)元素容 易失去电子成为负离子。而各自 达到满外壳层结构。 • 正负离子之间的库仑作用(吸引力 和排斥力)形成离子键 • 正粒子被负离子包围，反之亦然。
Cl-
CsCl 晶体结构
• 离子键键能很大，晶体熔点较高。
Cs+
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共价键
• 原子间的相互作用倾向于形成满价壳层
H
H
• 共有电子来自于两氢原子的贡献，形成共价键
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H
H
共价键
• 原子间的相互作用倾向于形成满价壳层 • Si原子有四个价电子，与四个近邻原子各提供的一个电子 组成满价壳层。 Si
Si
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
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金刚石结构
相应的半导体 Si，Ge 每一个Si(或Ge)原子有 四个近邻原子，构成四 个共价键。 布拉伐格子为面心立方 格子。 Si晶格常数为 5.431Å
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金刚石结构
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Si 的四个近邻原子
a/2
正四面体 10928’
a
a 晶格常数 （lattice constant)