2 晶格结构
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10
Biblioteka Baidu
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
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)
37
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；
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
32
晶向计算
33
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
35
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；
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
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；
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；
21
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。
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
38
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；
22
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；
23
晶面的密勒指数
24
晶面的密勒指数
25
晶面的密勒指数
26
晶面原子密度
27
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。
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
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
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；
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；
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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
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)
37
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；
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
32
晶向计算
33
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
35
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；
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
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；
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；
21
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。
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
38
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；
22
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；
23
晶面的密勒指数
24
晶面的密勒指数
25
晶面的密勒指数
26
晶面原子密度
27
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。
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
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
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
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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；
6
单晶硅
7
多晶硅
8
非晶硅
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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；