第一章 硅晶体与非晶体

晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
1.硅晶体结构的特点
1.1 晶体的基本性质
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积 简单立方结构
晶体钋Po
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原子球的正方堆积
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简单立方结构单元
体心立方结构
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• •
体心立方的堆积方式
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体心立方堆积
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
•
300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的a=5.6463Å
1.硅晶体结构的特点 1.2 空间点阵 原子密度：原子个数/单位体积
• 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：4 • 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8 • 每个原子所占空间体积为：a3/8 • 硅晶胞的原子密度: 8/a3=5×1022/cm3
(a)刃位错
（ I）
（II）
（III）
(b)螺位错
（ I）
（II）
（III）
3.1晶体缺陷的类型
(3)面缺陷
(a)堆垛层错： 如:ABCABCABCBCABC, 中缺少了一层A面。
(b)小角晶界: 可看作由一排刃形位错构成。
晶粒1
晶界
晶粒2
晶界原子排列示意图
(4)体缺陷
小角晶界的环纹暗场像 小角晶界示意图
大尺寸的亚微观甚至宏观缺陷，如包裹体、裂纹、气孔等。
◆金刚石结构
金刚石晶体结构
•
300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的a=5.6463Å
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
金刚石晶面性质
金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成，故其 {111}晶面是原子密排面。
硅晶体的堆积次序是：AA´BB ´ CC ´ AA ´ BB´ CC ´ · · ·
原胞体积：
1 V a1 (a2 a3 ) a 3 4
原胞包含格点数：1，晶胞包含格点数：4 金属中Cu、Ag、Au、Al、Pb、Ni。
固体物理---晶体结构
第4节 晶格的周期性
◆金刚石结构的原胞与晶胞?
金刚石晶体结构
1.硅晶体结构的特点 1.3 空间点阵
◆闪锌矿结构
硫和锌分别组成面心立方的子晶格。而沿空 间对角线位移1/4的长度套构而成。
' ' ' R l a l a l 原胞基矢坐标系： l 1 1 2 2 3 a3
若互质（或转换成互质），晶列指数
求法：
l1l2l3
设坐标系，求坐标，化整数（互质），列括号。
2 晶格指数
' ' manb pc
'
利用晶胞基矢坐标系，任意格点A的位矢：
m' , n ' , p '
配位数与球半径 之比的关系
配位数 12 r/R 1
8
6 4 3
1～0.73
0.73～0.41 0.41～0.23 0.23～0.16
致密度
晶胞中所有原子的体积与晶胞体积之比。
例：试计算面心立方晶胞的致密度。
原子所占体积 R 3 4 致密度 3 3 晶胞体积 a
4 2 2 3 3 a 4 2 3 4 3 6 a 原子面密度：原子个数/单位面积 硅（110）面上的原子密度最
数的线度范围内。
3.1晶体缺陷的类型
(1)点缺陷
热缺陷
（a）弗仑克尔缺陷
（b）肖特基缺陷
(1)点缺陷
杂质原子
（a）替位式
（b）间隙式
微量杂质缺陷大大改变了晶体的物理性质。
3.1晶体缺陷的类型
能吸收光的点缺陷。
(1)点缺陷
(a) F心 (b) V心 ＋ － ＋ －
色心：
一种非化学计量比引起的空位缺陷。
' ' ' m : n : p m:n: p 为有理数，也可以取三个互质的整数，使
晶列指数：
[m np]
原子线密度：原子个数/单位长度
不同 晶向氧化速率、腐蚀速
率不同 <110>方向上的原子线密度最 大
2 晶格指数

晶面
cos(a1 , n) : cos(a2 , n) : cos(a3 , n) h1 : h2 : h3
第一章 硅的晶体结构
1.硅晶体结构的特点 1.2 晶向、晶面 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中的杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度
1.硅晶体结构的特点 1.1 晶体的基本性质
◆原子排列具有周期性，形成长程有序的三维空间结构 。
钻石上的原子
NaCl晶体结构图
1.硅晶体结构的特点 1.1 晶体的基本性质
4(金刚石型结构)，3(石墨层状结构)，2(链状结构)。
例：氯化铯型结构两种球的半径之比
2R a 时排列最紧密，结构最稳定。 当 3a 2 R r
r
设大小球半径为R和r， 晶格常数为a。

3 1 R 0.732 R 时，配位数为8的氯化铯型结构。

1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
3.1晶体缺陷的类型
电子从基态跃迁到第一激发态所吸收的能量
6 2 2 m a2
式中ω为吸收光子的角频率，吸收光的波长与晶格常数的 平方成正比，即莫罗关系 λ∝a2
可见离子尺寸越小 ，F心吸收光的波长就越短，反之越长。
3.1晶体缺陷的类型 (2) 线缺陷
周期性遭受破坏的区域形成一条线。
阱的宽度取为离子的尺寸，对典型离子晶体设晶格常数为a，
陷阱宽度为a/2。根据量子力学，束缚电子的能量为：
k n n 2 n En 2 2 a 2 2m 2 m( L ) ma 2 m( ) 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2
其中为m电子质量，n为整数，n＝1时为基态，n＝2时为 第一激发态。
4
a
R
2 a 4
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积 晶体内部的空隙
3 a 8
• • • •
硅原子半径： rsi= =1.17Å 4 3 硅原子体积: rS i 3 1 3 单位原子在晶格中占有的体积： a 8 空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶格中占有
的体积 约为34%
空隙为杂质在其中存在 并运动创造了条件。
（1）闪锌矿结构的原胞与晶胞? （2）配位数？
1.硅晶体结构的特点 1.4 晶体对称性
七大晶系 按棱长a、b、c和夹角、、
晶系 特征
三斜 单斜 正交 六角 四方 三角 立方
a≠b≠c，α≠β≠γ a≠b≠c，α=γ=90 °≠β a≠b≠c，α=β= γ= 90 ° a＝b≠c，α=β= 90°，γ=120° a＝b≠c，α=β= γ= 90 ° a＝b＝c，α=β= γ≠90 ° a＝b＝c， α=β= γ= 90 °
L
L
*
X射线
单晶片
照相底片
x射线衍射仪
3 晶体中的缺陷与运动 缺陷的含义：
指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。
3.1晶体缺陷的类型
按缺陷的几何形态： 点缺陷、线缺陷、面缺陷等。 按缺陷形成原因： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。 (1)点缺陷 晶格中的填隙原子、空位、杂质原子等，称为点缺陷， 它们所引起晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常
底心正交
面心正交
1.硅晶体结构的特点 1.4 晶体对称性 14种晶胞
三角晶系
a＝b＝c α=β= γ≠90 °
六角晶系
三角
六角
四方晶系 a＝b≠c
简单四方 体心四方
1.硅晶体结构的特点 1.4 晶体对称性
14种晶胞
立方 Cubic晶系
简单立方
体心立方
面心立方
2 晶格指数
晶列与晶向 对于布拉菲晶格，任意格点A的位矢：
六角密积单元 六角密排晶格 （如Be、Mg、Zn、Cd）
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
密堆积类型
ABAB…..六角密积 ABCABC…..立方密积
通过对面心立方晶格中（111）面原子的观察：
面心立方晶格的（111）面是密排面 面心立方晶格的（111）面之间的堆积是立方密积
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
• 锗晶胞的原子密度: 8/a3=4.425×1022/cm3
•
300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的a=5.6463Å
1.硅晶体结构的特点 1.3 空间点阵
布喇菲的空间点阵学说：
数学抽象
将晶体结构抽象成一组无限多个作周期性排列的几何点。这种从晶
体结构抽象出来的，描述结构基元空间分布周期性的几何点，称为晶体
互质的h1,h2.h3用来表示晶面的法线方向，称为晶面指数。 表示为：（h1h2h3） 实际工作中，常以晶胞基矢a,b,c为坐标轴表示晶面指数。（密勒指数） 确定晶面指数（hkl）的步骤： ① 设坐标系：原点设在待求晶面以外。 ② 求截距：求晶面在三个轴上的截距。 ③ 取倒数。
④ 化互质整数：h、k、l 。
1.硅晶体结构的特点 1.4 晶体对称性 单斜 Monoclinic晶系
14种晶胞
三斜Triclinic晶系
简单单斜
简单三斜 所属点群：C1,Ci
a≠b≠c，α≠β≠γ
底心单斜 a≠b≠c，α=γ=90 °≠β
1.硅晶体结构的特点 1.4 晶体对称性 14种晶胞 正交晶系
a≠b≠c
简单正交 α=β= γ= 90 ° 体心正交
蚀后容易暴露在表面上。
– 3.由于{111}双层密排面之间距离很大，结合力弱,晶格缺 陷易在面间形成和扩展。 – 4.面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成（111） 晶面的趋势。
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
配位数
一个粒子周围最近邻的粒子数。
描述晶体中粒子排列的紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大。 配位数的可能值 12(密堆积)，8(氯化铯型结构)，6(氯化钠型结构)，
在堆积时把一层的球心对准另一层球隙，获得最紧密堆积，可以 形成两种不同最紧密晶格排列。
立方密积
ABC ABC ABC排列
立方密积单元
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
立方密积
立方密积单元
面心立方晶格 （如Cu、Ag、Au、Al）
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
六角密积
AB AB AB排列
离子晶体中负离子空位束缚一个电子的组合。 捕获一个空穴的阳离子空位。 － ＋ － ＋ ＋ － ＋ － －
+e
＋ － ＋
－ ＋ － ＋
· -e ＋
＋ －
－ ＋
*
＋ －
－
(a) F心
＋ － (b) V心
3.1晶体缺陷的类型
典型的色心-F心：离子晶体中负离子空位束缚一个电子的组 合。在此情况下，空位看做是电子的陷阱。为简单起见，势
（3）只包含一个格点；
（4）选取方法不唯一，但大小相同。
1.硅晶体结构的特点 1.3 空间点阵
晶胞（Unit cell）：能够反映晶格的对称性和周期性的结构单元。
基矢： a b c Nhomakorabea V a (b c )
选取晶胞的原则：
c
能充分反映整个空间点成的周期性和对称性； 满足1的基础上，晶胞要具有尽可能多的直角； 满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
⑤ 加括号：（hkl），如果所求晶面在晶轴 上截距为负数则在指数上加一负号。
2 晶格指数
晶向
2 晶格指数
立方晶系中与（100）面同族晶面数为 6
{100}:（100）,（010）,（001）
(1 00),(0 1 0),(001)
2 晶格指数

六角晶系晶面指数
衍射屏
观察屏
晶体的X射线衍射 S
硅晶体的密排面为双层密排面
• 双层密排面特点：
– 密排面面内原子结合力强， 面间结合力弱
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
金刚石晶面性质
– 1.由于{111}双层密排面面内原子结合力强，面间结合力 弱，故晶体易沿{111}解理面劈裂。 – 2.面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐
的空间点阵。几何点为阵点。
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• •
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1.硅晶体结构的特点 1.3 空间点阵
原胞的基矢：
a1 a2 a3
a3
a2 a1
V a1 (a2 a3 )
特点： （1）体积最小的重复单元；
原胞的一种选择方法 （2）格点仅出现在平行六面体顶角上；
◆晶体具有规则的几何形状
晶面夹角守恒
自发形成有规则的多面体外型(自限性),晶体的大小和形状主要受晶 体生长技术、生长条件影响（温度、压强等)。
人工石英晶体
1.硅晶体结构的特点 1.1 晶体的基本性质
◆晶体具有确定的熔点 晶体的熔化热是破坏晶体有序结构的能量,使其由晶态转化为非晶态。
◆物理性质各向异性
b a
特点： 反映晶体对称性；
格点可以出现在体心或面心，含有一个或多个格点； 体积是原胞体积整数倍。
1.硅晶体结构的特点 1.3 空间点阵
立方晶系的面心立方晶格的晶胞与原胞
a 原胞基矢：a1 ( j k ) 2 a a 2 (i k ) 2
a a 3 (i j ) 2