第一章 固体晶格结构

Ra
Lr
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
Uub
Uut
Uuq
Uup
Uuh
Uus
Uuo
*镧系元素 •放射性元素
* •
57
58
59
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68
69
70
La
89
Ce
90
Pr
91
Nd
92
Pm
93
Sm
94
Eu
95
Gd
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Tb
97
Dy
来自百度文库98
Ho
99
Er
100
Tm
101
Yb
102
Ac
Th
Pa
U
1.3.4 金刚石结构
Ge、Si是金刚石构。
2、铅（闪）锌矿结构：由两种不同原子组成的面心立方，沿 空间对线方向平移1/4对角线长度套构而成。
GaAs中镓原子密度为？
GaAs是铅锌矿结构。其中每个镓原子有四个最近邻的砷原子，每个砷原 子有四个近邻的镓原子。
1.4 原子价键
(1)离子键与离子晶体： （NaCl 库仑力）
作
19页 • 1.1 • 1.5(b) • 1.16(c)
业
1.4 原子价键
（3）金属键：Ⅰ族元素对价电子的束缚能力较弱，在结合成晶体时， 原先属于各个原子的价电子不再束缚于某一个原子而为所有原子所共用， 价电子可以在整个晶体运动，称为“电子气”，带负电的电子气和带正 电的原子实之间的为库仑力所形成的结合称为金属键。
（4）范德华键——最弱的化学键
1.5 晶体中的缺陷和杂质
点 阵：格点的整体称为点阵。在点阵的每个阵点上附有一群原子，这样
一个原子群称为基元，基元在空间重复就形成晶体结构。 点阵+基元=晶体结构
1.3.1原胞和晶胞 原 胞：晶格的最小周期单元,只反映晶格周期性,不反映对称性, 一个原胞平 均只包含一 个格点。
晶 胞：晶体结构的基本单元，能够充分反映整个晶体的结构特点，既反映 周期性又反映了各种对称性，整块晶体就是晶胞周期平移而成。
第一章—固体晶格结构
2016年8月
第一章
固体晶格结构
1.1 半导体材料 1.2 固体类型 1.3 空间晶格 1.4 原子价键 1.5 固体中的缺陷和杂质 1.6 半导体材料的生长 1.7 小结
问题：为什么要研究半导体材料？
为什么要研究半导体材料？
1.1 半导体材料
什么是半导体
按不同的标准，有不同的分类方式。
原子的面密度：P9例1.3
晶面的表示例:
(1)平面截距：3，2，1 (2)平面截距的倒数：1/3，1/2，1 (3) 倒数乘以最小公分母：2，3，6 平面用(236)标记，这些整数称为 密勒指数。
1.3.3 晶面和密勒指数
• 简立方晶体的三种晶面
(100)
(110)
(111)
同类晶面：记为{hkl}如{100}表示：
称为掺杂。 掺杂的方法：(1) 扩散(高温扩散
(2)离子注入(50keV
1000度)； 损伤与退火)
退
火：退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加
热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。
1.6 半导体材料的生长
（1）在熔融体中生长——Czochralski 方法（CZ法或直接单晶法）
1.6 半导体材料的生长
基
矢：
在立方方晶系中，通常取三个相互垂直的边作为三个坐标轴——晶轴；
通常取立方体边长a作业长度单位——晶格常数。
P7
例1.1
1.3.3 晶面和密勒指数
晶面：晶格中所有格点可以看作是全部包含在一系列相互平行等
间距的平面系上,这样的平面系叫晶面族。
晶面的表示: (1)通常取某一晶面与三个晶轴垂直的截距的 倒数的互质整数，即： 1/r:1/s:1:t=h:k:l,称h,k, l为晶面指数或 密勒指数，记为(hkl)，称为(hkl)平面； (2)任何平等的平面都是彼此等效的。 (3)若晶面与某晶轴平行，截距∞,对应的 Miller指数为0，负号写在对应指数上方。
原 胞
对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的 最小单元
注：（a）原胞无需是唯一的
（ b）原胞无需是基本的
1.3.2 基本的晶体结构
• 简立方sc 体心立方bcc 面心立方fcc
晶格常数：在立方晶系中，通常取三个互相垂直的坐标轴,称为晶轴，通
常通常取立方体的边长a作为长度单位，称为晶格常数。
1.5.1 固体中的缺陷
晶格振动
点缺陷(空位于填系) 线缺陷
线缺陷
1.5 晶体中的缺陷和杂质
1.5.2 固体中的杂质
晶体中的杂质：晶体中可能出现外来原子，即除半导体材料元素之外的其它
元素。 杂质的存在方式： 替位式（替位杂质） （填隙杂质） 间隙式
1.5 晶体中的缺陷和杂质
掺 杂：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术
（2）外延生长法 外延生长: 在单晶衬底的表面上生长一层薄单晶工艺。
按外延层与衬底材料的不同：同质外延，异质外延 外延生长方法：(a)化学气相深积（CVD） (b)液相外延（LPE） (c)分子束外延（MBE）
1.7 小 结
常用半导体材料 晶格结构、晶胞、原胞 硅的金刚石结构 晶面、晶向的描述（密勒指数） 半导体中的缺陷 原子体密度，原子面密度的计算
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
II-VI族半导体 Zn(Mg,Cd,Hg)O Zn(Mg,Cd,Hg)S
Es 族半导体 Fm Md No III-V Ga(Al,In)As Ga(Al,In)P Ga(Al,In)N
1.1 半导体材料
半导体材料的研究历程： 第一代：硅（Si）、锗(Ge)
第二代：砷化镓（GaAs） 、磷化铟（InP）
周期表中，Ⅰ族元素，负电性最小，容易失去电 子，如Na；Ⅶ族元素，负电性最大，容易得到电 子，如Cl。
Na+与Cl-，依靠库仑力结合为NaCl晶体；称依靠正 负电荷间的库仑力所形成的结合力为离子键。
离子键形成的晶体为离子晶体。
1.4 原子价键
(2)共价键与共价晶体：(H2共用电子对) Si、Ge某元素半导体由同一种原子构成，无负电性差， 而是由一对自旋相反的配位价电子结合，其电子云在电子间 相互重叠具有较高密度，则带正电的原子实和带负电的电子 相互吸引将原子结合形成共价晶体。 共价晶体的特征:(a)方向性； (b)饱和性。
71
Zr
72
Nb
73
Mo
74
Tc
75
Ru
76
Rh
77
Pd
78
Ag
79
Cd
80
In
81
Sn
82
Sb
83
Te
84
I
85
Xe
86
Cs
87
Ba
88
Lu
103
Hf
104
Ta
105
W
106
Re
107
Os
108
Ir
109
Pt
110
Au
111
Hg
112
Tl
113
Pb
114
Bi
115
Po
116
At
117
Rn
118
Fr
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
半导体：半导体的电阻率 （10- 3Ωcm<ρ < 109 Ω cm）介于
导体和绝缘体之间，半导体的性质容易受到外界的光照、 热、磁、电及微量杂质的含量的变化而改变性质。
1.2 固 体 类 型
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 晶 体：具有一定外形和固定熔点，更重要的是晶体内部原子（或离
子）在较大范围（至少微米数量级）是按一定方式有规则排列 而成（称为长程有序）（如Si，Ge，GaAs）。
非晶体：没有规则的外形和固定的熔点，内部结构上不存在长程有
序，但在较小范围内（几个原子间距）仍存在结构上的有序排 列（称为短程有序）。
F
17
Ne
18
Na
19
Mg
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Al
31
Si
32
P
33
S
34
Cl
35
Ar
36
K
37
Ca
38
Sc
39
Ti
40
V
41
Cr
42
Mn
43
Fe
44
Co
45
Ni
46
Cu
47
Zn
48
Ga
49
Ge
50
As
51
Se
52
Br
53
Kr
54
Rb
55
Sr
56
Y * •
晶 体---分为单晶和多晶
单晶：整个晶体主要由原子或离子的一种排列方式贯穿始终,
常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。
多晶：由许多小晶粒杂乱的堆积而成,如各种金属材料和电子陶瓷材
料。（晶界分离）
。
非晶、多晶和单晶示意图
1.3 空 间 晶 格
晶 格：晶体原子的周期性排列称为晶格。 格 点：组成晶体的原子（或离子）的重心位置称为格点。
晶体结构-晶向
(100) (110)
(111)
晶体结构-晶向
晶 向：通过晶体中原子中心的不同方向的原
子列 [hkl]
R
OR=l1a+l2b+l3c
取l1:l2:l3=m:n:p,m,n,p为互质整数 称m、n、p为晶列指数,记作[mnp],表示某 个晶向。 同类晶向记为<mnp> 如<100>表示------等6个同类晶向 <110>表示------等12面对角线晶向 <111>表示------等8个体角线晶向
半导体材料体系
I. 宽禁带半导体概述
半 导 体 体 系
Group Period 1 2 3 4 5 6 7
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
IV族半导体: Ge, GeSi, Si, SiC, C 2
He
4 5 6 7 8 9 10
H
3
Li
11
Be
12
B
13
C
14
N
15
O
16
注：在立方晶系中，晶列指数和晶面指 数相同的晶向和晶面之间是互相垂直的。 如[100] ⊥(100), [111] ⊥(111)
1.3.4 金刚石结构
• 金刚石结构
1.3.4 金刚石结构
1、金刚石结构（金刚石结构晶胞）是由4个共价四面体组成的，上一个正 立方体在其八个顶角上和六个面心上各有一个原子，在立方体的内部有四 个原子，分别位于四条空间对角线上且与最近邻的顶角原子距离为 1/4对 角线长度。 所谓金刚石结构即两个面心立方沿空间对角线方向即<111>方向相互平 移1/4对角线长度套构而成。 原子密度：
第三代：氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石
半导体材料分类
半导体材料分类：
元素半导体，如硅（Si）、锗(Ge)
化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、
磷化镓（GaP）、碳化硅（SiC）、
氮化镓（GaN）磷化铟（InP）
三元素化合物:AlxGa1-xAS
体材料、 薄膜材料、 微结构材料、人工设计材料……