2 晶格结构

固体晶格结构
《半导体物理及固体物理基础》
1
固体材料分类
绝缘体
导体
绝缘体
半导体
导体
( cm)
> 108
10-4 ~ 108
< 10-4
2
导体
两种导电率最低的物质是银和铜，导电性最好； 考虑到价格因素，半导体产业中用的最多的金属为铝。
.
3
绝缘体
绝缘体：像玻璃、塑料、橡胶等; 在半岛体产业中用的比较多的为二氧化硅，氮化硅，氧化铝等； 二氧化硅用的最广，因为它非常稳定； 与硅有非常好的接触界面；
45
晶体中缺陷-面缺陷
堆垛层错：在这种缺陷中, 原子层的堆叠次序被打断;
本征堆垛层错.
46
晶体中缺陷-面缺陷
堆垛层错：在这种缺陷中, 原子层的堆叠次序被打断;
非本征堆垛层错;
47
Czochralski(柴可拉斯基)法-直拉法
48
晶格匹配外延
49
晶格失配外延
50
晶格失配外延
51
52
晶轴间的夹角
α≠β≠γ≠90° α=γ=90 ,β≠90° α=β=γ=90° α=β=γ=90°
o
o
六角晶系
三角晶系
a=b≠c
a=b=c
α=β=90 ,γ=120°
α=β=γ≠90°
立方晶系
a=b=c
α=β=γ=90°
15
立方晶系晶体结构
简立方结构
体心立方结构
面心立方结构
16
例1
体心立方单晶材料，晶格常数a 5 A，求原子密度
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共价键
IV族元素硅和锗，每个原子有4个价电子， 需要4个价电子填满价电子层；
39
原子价键
金属键：
I族元素钠，有一个价电子； 两个钠原子离得很近，价电子会像共价键那样互相影响； 第三个钠原子靠近时，价电子也会相互作用成键； 固体钠中，每个钠原子有很多共享电子；
40
原子价键
范德华键：
HF分子是通过离子键构成的； HF分子中正电荷有效中心不同于负电荷有效中心； 电荷分布的不对称型会形成电偶极子； 电偶极子之间会相互作用，最后达到平衡；
o
17
例2
面心立方单晶材料，晶格常数a 4.75 A，求原子密度。
o
18
晶面

晶格中，可以从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族； 一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上的分布 也相同; 如何描述一个平面的方向？
19
不同晶面方向硅的晶格
20
密勒指数(Miller Index)
最弱的化学键； 分子间相互作用若； 形成的固体的熔点相对较低； 室温下呈气态；
41
晶体中缺陷-点缺陷
缺陷尺寸在原子量级;
42
晶体中缺陷-点缺陷
缺陷尺寸在原子量级；
43
晶体中缺陷-线缺陷(位错)
刃型位错: 在晶格里额外插入一个原子平面:
44
晶体中缺陷-面缺陷
晶粒间界：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区
10


点阵与晶格
二维无限格点阵列
11
晶胞
晶胞：可以复制整个晶体的一小部分晶体，并非只有一种结构； 原胞：可以通过重复形成整个晶体的最小晶胞； 晶胞：考虑对称性，更全面地了解晶体性质；
12
晶胞与晶格
B A
晶格中任意一个格点都可以用矢量表示：
r pa qb sc
a、 b、 c是三个晶格矢量 p、q、s是整数
28
晶向
晶向指数计算方法：
它的取法是：先作一条通过晶胞原点且平行于该晶向 方向的直线； 在此直线上任选一点，求出其三个坐标(矢量分量); 将此三个坐标数值化为最小整数比ｕ,ｖ, ｗ；
则[ｕｖｗ]为该晶向指数。
等效方向上的所有方向组用<ｕｖｗ>表示。
29
晶向计算
30
晶向计算
31
晶向计算
6
单晶硅
7
多晶硅
8
非晶硅
9
晶体结构理论
晶体结构=基元+点阵；

基元：构成晶体的原子、分子、离子、原子团、 分子团等； 点阵：用一个几何点表示基元后，晶体所构成的 几何点的阵列； 点阵是无限大,沿三维周期性排列的点子； 晶格：用直线以某种方式把点子连接起来所形成 的格子，晶格中每一个点称为格点；
13
晶系
描写晶胞的六个物理量：三个基矢的长度[晶轴上的周 期](a, b, c)和基矢之间的夹角(α,β,γ),如图所示:
根据a, b, c, α, β, γ的不同，晶格可分为七大晶系。
14
七大晶系
晶系名称
三斜晶系 单斜晶系 正交晶系 四方晶系
晶轴上的周期
a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c a=b≠c
4
半导体
元素半导体：Si，Ge (IV族)
III-V族半导体：GaN GaAs, InP等
化合物半导体 II-VI族半导体：ZnS，ZnO等
IV-IV族半导体：SiC
有机半导体：有机物、聚合物和络合物等
5
固体的形态类型
晶界
晶粒
无定型(非晶)
多晶
单晶
无定型材料：只在几个原子或分子的尺度内有序； 多晶材料：在许多个原子或分子的尺度内有序； 单晶材料：在整个材料范围内都有很高的几何周期性；
采用密勒指数来定义晶体中的不同晶面。
密勒指数可由下列步骤确定: ① 找出晶面在坐标系中三个坐标轴上的截距； ② 取这三个截距值的倒数，并将其化为最小整数比(hkl)； ③ 将此结果以(hkl)表示，即为这个晶面的密勒指数；
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晶面的密勒指数
晶面在三个坐标轴上的截距分别为a,3a和2a; 取这些截距的倒数可得1/1,1/3和1/2; 这三个数的最小整数比为6:2:3(每个分数乘6所得); 因此，可以表示为(623)晶面。
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晶面的密勒指数
晶面在三个坐标轴上的截距分别为： 1,2,2
取这些截距的倒数,分别为1/1,1/2,1/2；
最小整数比为2:1:1； 因此，这个可以表示为(211)晶面；
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晶面的密勒指数
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晶面的密勒指数
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晶面的密勒指数
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晶面原子密度
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晶向
格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系上， 这些直线系称为晶列。 同一个格点可以形成不同方向的晶列，每一个晶列定义了 一个方向，称为晶向。
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晶向计算
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金刚石结构
硅和锗都属于金刚石结构
晶胞中包含一种元素 34
闪锌矿结构
GaAs属于闪锌矿结构
晶胞中包含两种元素
35Leabharlann 原子价键为什么特定的原子倾向于特定的晶格结构？ 热平衡系统的总能量趋于达到某个最小值； 原子形成固体时的相互作用以及达到的最低能量依 赖于原子类型；
通过原子的价电子定性的理解原子之间是如何相互作 用的；
36
离子键：
I族的元素倾向于失去电子，带正电荷； VII族的元素倾向于得到电子，带负电荷； 电荷相反的离子通过库伦作用形成离子键； 晶体中，负离子被正离子包围，正离子被负离子包围； 静电引力较强，很难产生自由运动的电子；
(NaCl)
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共价键
电负性相差不大的原子间通过共用电子 对而形成的化学键 每个氢原子有一个电子， 两原子共用两个电子， 价电子层都是满的；