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固体晶格结构固体晶格结构半导体物理及固体物理基础12固体材料分类固体材料分类 绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体 108 10-4 108 10-4 )cm(2绝缘体绝缘体导体导体导体导体3两种导电率最低的物质是银和铜银和铜，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铝。.绝缘体绝缘体4绝缘体：像玻璃、塑料、橡胶绝缘体：像玻璃、塑料、橡胶等等; ;在半岛体产业中用的比较多的为在半岛体产业中用的比较多的为二氧化硅，氮化硅，氧化铝二氧化硅，氮化硅，氧化铝等；等；二氧化硅二氧化硅用的最广，因为它非常稳定；用的最广，因为它非常稳定；与硅有非常好的接触界面；与硅有非常好的接触界面；半导体半导体 5元素半导体：元素半导体：Si，Ge (IV族族) III-V族半导体：族半导体：GaN GaAs, InP等等化合物半导体化合物半导体 II-VI族半导体：族半导体：ZnS，ZnO等等 IV-IV族半导体：族半导体：SiC有机半导体：有机半导体：有机物、聚合物和络合物等有机物、聚合物和络合物等 固体的形态类型固体的形态类型6无定型无定型(非晶非晶)多晶多晶单晶单晶无定型材料：只在几个原子或分子的尺度内有序；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；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；单晶材料：在整个材料范围内都有很高的几何周期性；晶粒晶粒晶界晶界单晶硅单晶硅7多晶硅多晶硅8非晶硅非晶硅9晶体结构理论晶体结构理论n晶体晶体结构结构= =基元基元+ +点阵点阵；n基元：基元：构成晶体的构成晶体的原子原子、分子、离子、分子、离子、原子团原子团、分子团等分子团等；n点阵：点阵：用一个几何点表示基元后，晶体所构成的用一个几何点表示基元后，晶体所构成的几何几何点点的的阵列阵列； 点阵是无限大点阵是无限大, ,沿三维周期性排列的点子沿三维周期性排列的点子；n晶格：晶格：用直线以某种方式把点子连接起来所形成用直线以某种方式把点子连接起来所形成的格子的格子，晶格中每一个点称为格点；，晶格中每一个点称为格点；10点阵点阵与晶格与晶格二维无限格点阵列二维无限格点阵列11晶胞晶胞12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；原胞原胞：可以通过重复形成整个晶体的最小晶胞； 晶胞晶胞：考虑对称性，更全面地了解晶体性质：考虑对称性，更全面地了解晶体性质；晶胞与晶格晶胞与晶格13ABrpaqbsc晶格中任意一个格点都可以用矢量表示：晶格中任意一个格点都可以用矢量表示：pqsabc、 、 是三个晶格矢量、 、 是整数晶系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(,),如图所示:根据a, b, c, , , 的不同，晶格可分为七大晶系。1414七大晶系七大晶系晶系名称 晶轴上的周期 晶轴间的夹角 三斜晶系 abc 90 单斜晶系 abc =90o,90 正交晶系 abc =90 四方晶系 a=bc =90 六角晶系 a=bc =90o,=120 三角晶系 a=b=c =90 立方晶系立方晶系 a=b=c =90a=b=c =90 15立方晶系晶体结构立方晶系晶体结构16简立方结构简立方结构体心立方结构体心立方结构面心立方结构面心立方结构例例1 117oa5A体心立方单晶材料，晶格常数，求原子密度例例2 218oa4.75A面心立方单晶材料，晶格常数，求原子密度。晶面晶面n晶格中，可以从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族晶格中，可以从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族；n一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上的分布一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上的分布也相同也相同; ;n如何如何描述一个平面的方向描述一个平面的方向？19不同晶面方向硅的晶格不同晶面方向硅的晶格20密勒指数密勒指数( (Miller Index) )21采用采用密勒指数密勒指数来定义晶体中的不同晶面。来定义晶体中的不同晶面。密勒指数可由下列步骤确定密勒指数可由下列步骤确定: : 找出晶面在坐标系中三个坐标轴上的截距找出晶面在坐标系中三个坐标轴上的截距； 取这三个截距值的倒数，并将其化为最小整数比取这三个截距值的倒数，并将其化为最小整数比( (hklhkl) )； 将此结果以将此结果以( (hklhkl) )表示，即为这个晶面的密勒指数表示，即为这个晶面的密勒指数；晶面的密勒指数晶面的密勒指数22 晶面在三个坐标轴上的截距分别为晶面在三个坐标轴上的截距分别为a a,3,3a a和和2 2a;a; 取这些截距的倒数可得取这些截距的倒数可得1/1,1/31/1,1/3和和1/2;1/2;因此，可以表示为因此，可以表示为(623)(623)晶面。晶面。 这三个数的最小整数比为这三个数的最小整数比为6:2:3(6:2:3(每个分数乘每个分数乘6 6所得所得););晶面的密勒指数晶面的密勒指数23 晶面在三个坐标轴上的截距分别为：晶面在三个坐标轴上的截距分别为： 1,2,2 1,2,2 取这些截距的倒数取这些截距的倒数, ,分别为分别为1/1,1/2,1/21/1,1/2,1/2； 最小整数比为最小整数比为2:1:12:1:1； 因此，这个可以表示为因此，这个可以表示为(211)(211)晶面；晶面；晶面的密勒指数晶面的密勒指数24晶面的密勒指数晶面的密勒指数25晶面的密勒指数晶面的密勒指数26晶面原子密度晶面原子密度27晶向晶向28 格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系上， 这些直线系称为这些直线系称为晶列晶列。 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，称为一个方向，称为晶向晶向。晶向晶向29晶向指数晶向指数计算方法：计算方法：它的取法是：先作一条它的取法是：先作一条通过晶胞原点通过晶胞原点且且平行于该晶向平行于该晶向方向方向的的直线直线；在此直线上任选一点，在此直线上任选一点，求出其三个坐标求出其三个坐标( (矢量分量矢量分量););将此三个坐标数值化为将此三个坐标数值化为最小整数最小整数比比, , , ； 则则 为该晶向指数为该晶向指数。等效方向上的所有方向组用等效方向上的所有方向组用 表示。表示。晶向计算晶向计算30晶向计算晶向计算31晶向计算晶向计算32晶向计算晶向计算33金刚石结构金刚石结构34 硅和锗都属于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晶胞中包含一种元素闪锌矿结构闪锌矿结构35 GaAs属于闪锌矿结构属于闪锌矿结构 晶胞中包含两种元素晶胞中包含两种元素原子价键原子价键36为什么特定的原子倾向于特定的晶格结构？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；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；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；用的；离子键：离子键：37I I族的元素倾向于失去电子，带正电荷；族的元素倾向于失去电子，带正电荷；VIIVII族的元素倾向于得到电子，带负电荷；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；电荷相反的离子通过库伦作用形成离子键；(NaCl)晶体中，负离子被正离子包围，正离子被负离子包围；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；静电引力较强，很难产生自由运动的电子；共价键共价键38 每个氢原子有一个电子，每个氢原子有一个电子， 两原子共用两个电子，两原子共用两个电子， 价电子层都是满的；价电子层都是满的；电负性相差不大的原子间通过共用电子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对而形成的化学键共价键共价键39 IVIV族元素硅和锗，每个原子有族元素硅和锗，每个原子有4 4个价电子，个价电子， 需要需要4 4个价电子填满价电子层；个价电子填满价电子层；原子价键原子价键40金属键：金属键：I I族元素钠，有一个价电子；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；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；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；固体钠中，每个钠原子有很多共享电子；原子价键原子价键41范德华键：范德华键：HFHF分子是通过离子键构成的；分子是通过离子键构成的； HFHF分子中正电荷有效中心不同于负电荷有效中心；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；电偶极子之间会相互作用，最后达到平衡；最弱的化学键；最弱的化学键； 分子间相互作用若；分子间相互作用若； 形成的固体的熔点相对较低；形成的固体的熔点相对较低； 室温下呈气态；室温下呈气态；晶体中缺陷晶体中缺陷- -点缺陷点缺陷42p缺陷尺寸在原子量级缺陷尺寸在原子量级; ;晶体中缺陷晶体中缺陷- -点缺陷点缺陷43p缺陷尺寸在原子量级；缺陷尺寸在原子量级；晶体中缺陷晶体中缺陷- -线缺陷线缺陷(位错位错)44刃型位错刃型位错: : 在晶格里额外插入一个原子平面在晶格里额外插入一个原子平面: :晶体中缺陷晶体中缺陷- -面缺陷面缺陷45晶粒间界晶粒间界：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区46 本本征堆垛层错征堆垛层错. .堆垛层错堆垛层错：在这种缺陷中在这种缺陷中, , 原子层的堆叠次序被打断原子层的堆叠次序被打断; ;晶体中缺陷晶体中缺陷- -面缺陷面缺陷47 非非本本征堆垛层错征堆垛层错; ; 堆垛层错堆垛层错：在这种缺陷中在这种缺陷中, , 原子层的堆叠次序被打断原子层的堆叠次序被打断; ;晶体中缺陷晶体中缺陷- -面缺陷面缺陷Czochralski(柴可拉斯基柴可拉斯基)法法-直拉法直拉法48晶格匹配外延晶格匹配外延49晶格失配外延晶格失配外延50晶格失配外延晶格失配外延5152