现代半导体物理02.ppt

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1、SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.第二章第二章 半导体材料的成份与结构半导体材料的成份与结构半导体材料是一种导电能力介于导体与绝缘体之间半导体材料是一种导电能力介于导体与绝缘体之间的材料。的材料。导导 体体电阻率电阻率10-3108cm绝缘体绝缘体电阻率电阻率108cm,或或1010cm材料按材料按导电导电能力能力一、一、固体（半导体）材料的分类：固体（半导体）材料的分类：SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.分分 类类能能 带带 特特 点点导导 体体最高占据能带为部分填充，

2、最高占据能带为部分填充，无能隙无能隙存在存在半导体半导体绝对零度时，所有能带全满或全空，存在能隙，但是绝对零度时，所有能带全满或全空，存在能隙，但是能隙较能隙较小小（5.0eV）电阻率很大，即使掺杂后导电能力也不会有很大变化。电阻率很大，即使掺杂后导电能力也不会有很大变化。材料按材料按能带能带特点特点SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.分分 类类成成 份份元素半导体元素半导体由单一元素构成，如锗、硅、硒由单一元素构成，如锗、硅、硒合金半导体合金半导体由两种性能接近的元素构成，如由两种性能接近的元素构成，如GexSi1-x化合物半导体化

3、合物半导体两种或两种以上元素构成的半导体材料，如两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP、GaAs、GaN、SiC等等氧化物半导体氧化物半导体一种特殊的化合物半导体，成份为金属氧化物一种特殊的化合物半导体，成份为金属氧化物有机半导体有机半导体有机高分子材料，如电荷转移络合物、芳香族化合物有机高分子材料，如电荷转移络合物、芳香族化合物半导体材料按半导体材料按成份成份分类分类分分 类类晶晶 体体 结结 构构 单晶半导体单晶半导体整个半导体材料为一个完整的晶体，原子有序排列。整个半导体材料为一个完整的晶体，原子有序排列。多晶半导体多晶半导体半导体材料中分成许多晶粒，每个晶粒均为完整的晶体。半导体

4、材料中分成许多晶粒，每个晶粒均为完整的晶体。非晶半导体非晶半导体半导体材料中的原子无序排列，没有周期性。半导体材料中的原子无序排列，没有周期性。异质结构异质结构两种不同半导体材料构成的半导体结构。两种不同半导体材料构成的半导体结构。量子阱量子阱两层禁带宽度较大的半导体材料中夹一层禁带宽度较小的两层禁带宽度较大的半导体材料中夹一层禁带宽度较小的半导体材料。半导体材料。超晶格半导体超晶格半导体多个量子阱周期性排列构成的结构，具有周期性，阱与阱多个量子阱周期性排列构成的结构，具有周期性，阱与阱之间有相互作用。之间有相互作用。低维半导体材料低维半导体材料一个或一个以上尺度上为纳米量级的半导体结构，如纳

5、米一个或一个以上尺度上为纳米量级的半导体结构，如纳米点、线、管、薄膜等。点、线、管、薄膜等。复合半导体复合半导体由两种性能不同的半导体材料复合形成的半导体材料，包由两种性能不同的半导体材料复合形成的半导体材料，包括无机括无机/无机、无机无机、无机/有机、有机有机、有机/有机复合的半导体材料。有机复合的半导体材料。半导体材料按半导体材料按结构结构分类分类半导体材料按半导体材料按功能功能分类分类分分 类类功功 能能电子材料电子材料用于制造各种分立的电子器件及集成电路等用于制造各种分立的电子器件及集成电路等光电子材料光电子材料用于制造光波导、光放大、光运算、光开关、光转换、用于制造光波导、光放大、光

6、运算、光开关、光转换、光存储、光电转换器件光存储、光电转换器件辐射探测材料辐射探测材料用于探测各种辐射，包括热、光、射线、高能粒子等用于探测各种辐射，包括热、光、射线、高能粒子等发光材料发光材料半导体发光，如发光二极管、激光二极管等半导体发光，如发光二极管、激光二极管等气敏半导体气敏半导体用于检测气体，特别是用于有害气体探测用于检测气体，特别是用于有害气体探测磁敏半导体磁敏半导体霍尔效应、磁阻效应，用于传感器、磁记录等霍尔效应、磁阻效应，用于传感器、磁记录等热电半导体热电半导体热敏元件，辐射计，热热敏元件，辐射计，热-电转换、热电成像电转换、热电成像压敏材料压敏材料用于测量压力、加速度等用于测

7、量压力、加速度等湿敏材料湿敏材料用于湿度测量用于湿度测量SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.理想晶体的原子排列具有理想晶体的原子排列具有周期性周期性，或长程有序。，或长程有序。1.晶格晶格晶体中原子排列的具体形式称为晶格（或格子）。晶体中原子排列的具体形式称为晶格（或格子）。二、晶体结构预备知识二、晶体结构预备知识原子球的正方排列原子球的正方排列体心立方晶格的堆积方式体心立方晶格的堆积方式SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.2.原胞原胞一个晶格的最小的周期性单元。一个晶格的最

8、小的周期性单元。原胞示意图原胞示意图3.晶格晶格基矢基矢原胞的边矢量（单位矢量）。原胞的边矢量（单位矢量）。能通过平移画出整个点阵的最小可能的矢量。能通过平移画出整个点阵的最小可能的矢量。简单立方：简单立方：面心立方：面心立方：SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.在结晶学中，选某一格点为原点在结晶学中，选某一格点为原点O，任一格点，任一格点A的格矢为的格矢为4.格矢格矢（平移矢量）（平移矢量）为对应晶轴上的投影，取整数。为对应晶轴上的投影，取整数。为晶轴上的单位矢量。为晶轴上的单位矢量。5.布拉菲格子布拉菲格子由同种原子构成的点阵。由

9、同种原子构成的点阵。6.复式格子复式格子结点由两种或两种以上原子构成的点阵，各种原子各自结点由两种或两种以上原子构成的点阵，各种原子各自构成相同的布拉菲格子，但相互有一个位移，形成一个复式点阵。构成相同的布拉菲格子，但相互有一个位移，形成一个复式点阵。7.晶列晶列布拉菲格子的格点可以看成分布在一系列相互平行的直线系布拉菲格子的格点可以看成分布在一系列相互平行的直线系上，这些直线系叫晶列。上，这些直线系叫晶列。8.晶向晶向每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为则晶向就用则晶向

10、就用l1,l2,l3来标志，写成来标志，写成l1 l2 l3晶向指数晶向指数晶列晶列晶向晶向9.晶面晶面布拉菲格点还可看成分列在平行等距的平面系上，这样的平布拉菲格点还可看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面。面称为晶面。密勒指数（密勒指数（h1h2h3）：）：|h1|、|h2|、|h3|表示等距的晶面分别表示等距的晶面分别把基矢把基矢a1、a2、a3分割成多少个等份。分割成多少个等份。(110)(111)(100)10.倒格矢倒格矢与真实空间的晶格对应，动量空间也有一套相应的点阵，即与真实空间的晶格对应，动量空间也有一套相应的点阵，即倒易点阵倒易点阵。X射线、电子显微镜等利用衍射得

11、到的是倒格子信息。射线、电子显微镜等利用衍射得到的是倒格子信息。STM（扫描透视显微镜）得到的是真实空间结构。（扫描透视显微镜）得到的是真实空间结构。正空间基矢正空间基矢 与倒空间基矢与倒空间基矢 关系：关系：另外，正空间基矢与倒空间基矢关系：另外，正空间基矢与倒空间基矢关系：倒格矢与晶面间距倒格矢与晶面间距 d纳米纳米ZnO的的XRD及及TEM11.原子的结合原子的结合键合类型键合类型产生原因产生原因离子键离子键电负性电负性相差较大的原子间结合形式，离子间存在库伦相互作用，有相差较大的原子间结合形式，离子间存在库伦相互作用，有较大电荷作用较大电荷作用共价键共价键电负性相同或相差很小的原子间的

12、结合方式，由共有电子对产生的电负性相同或相差很小的原子间的结合方式，由共有电子对产生的交换作用引起的，基本没有电荷转移交换作用引起的，基本没有电荷转移混合键混合键介于上面两种情形的键合形式，有电荷转移，但是转移数量不大介于上面两种情形的键合形式，有电荷转移，但是转移数量不大分子键分子键依靠分子间的吸引力即范德华力形成的键依靠分子间的吸引力即范德华力形成的键氢键氢键氢原子与一个原子结合后，由于其原子核体积很小，可以与另一个氢原子与一个原子结合后，由于其原子核体积很小，可以与另一个电负性较大的原子结合形成氢键电负性较大的原子结合形成氢键金属键金属键共用传导电子，原子核与共有电子之间通过库伦力相互作

13、用共用传导电子，原子核与共有电子之间通过库伦力相互作用电负性：电负性：获取电子的能力。获取电子的能力。轨道杂化：轨道杂化：原子中不同轨道的电子结合成晶体时为降低总能量原子中不同轨道的电子结合成晶体时为降低总能量导致的轨道混杂的现象。本质为导致的轨道混杂的现象。本质为波函数叠加波函数叠加。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.金刚石型结构金刚石型结构金刚石结构金刚石结构p每个原子周围有四个最邻近的每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各

14、贡献一个价电子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。成稳定的共价键结构。p共价键夹角：共价键夹角：10928SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.金刚石结构结晶学原胞金刚石结构结晶学原胞p两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。间对角线长度套构而成。金刚石结构固体物理学原胞金刚石结构固体物理学原胞p中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格）中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格）金刚石

15、结构原子在晶胞内的排列情况金刚石结构原子在晶胞内的排列情况p顶角八个，贡献顶角八个，贡献1个原子；个原子；p面心六个，贡献面心六个，贡献3个原子；个原子；p晶胞内部晶胞内部4个；个；p共计共计8个原子。个原子。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.硅、锗基本物理参数硅、锗基本物理参数晶格常数晶格常数p硅：0.543089nmp锗：0.565754nm原子密度原子密度p硅：5.001022p锗：4.421022共价半径共价半径p硅：0.117nmp锗：0.122nmSHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ON

16、E SOLUTION.p-族化合物半导体材料族化合物半导体材料p结晶学原胞结构特点结晶学原胞结构特点p两类原子各自组成的面心两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移四分之一空方向彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。间对角线长度套构而成。闪锌矿型结构闪锌矿型结构SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.与金刚石结构的区别与金刚石结构的区别p共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。此晶体不同晶面的性质不同。p不同双原子复式

17、晶格。不同双原子复式晶格。常见闪锌矿结构半导体材料常见闪锌矿结构半导体材料-族化合物族化合物部分部分-族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.纤锌矿型结构纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相比与闪锌矿型结构相比相同点相同点：以正四面体结构为基础构成：以正四面体结构为基础构成区别区别：1.具有六方对称性，而非立方对称性具有六方对称性，而非立方对称性2.共价键的离子性更强共价键的离子性更强硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料

18、均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶型和纤锌矿型两种结构结晶某某些些重重要要的的半半导导体体材材料料以以氯氯化化钠钠型型结结构构结结晶晶。如如-族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等。族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等。1.周期性势场的形成周期性势场的形成(1)孤立原子中价电子所在处的势能及总能孤立原子中价电子所在处的势能及总能(按经典理论按经典理论,电子在电子在ab之间之间运动运动)EPrEabEPEPrEbacdABd(2)在在ab区域内运动的电子有一定的概率穿过区域内运动的电子有一定的概率穿过bc运动到运动到cd,这样电子在这样电子在一定程度上是两个原子共有的。一定程度上是两个原子共有的。第三章

19、第三章 晶体中电子的能带晶体中电子的能带一一.能带的形成能带的形成(3)原子相距为原子相距为d组成一维点阵组成一维点阵rE3EPacbdE1E2对能量为对能量为E3 的价电子的价电子,完全可以自由地在晶体中运动。完全可以自由地在晶体中运动。2.电子的共有化电子的共有化 由由于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应，能能量量低低于于势势垒垒的的价价电电子子也也有有较较大大的的概概率率穿穿越越势势垒垒而而摆摆脱脱单单个个原原子子核核的的束束缚缚。而而能能量量高高于于势势垒垒的的价价电电子子本本身身已已是是自自由由电电子子。于于是是，价价电电子子不不再再被被约约束束于于单单个个原原子子，而而为为整整

20、个个晶晶体体中原子所共有。这称为中原子所共有。这称为电子的共有化电子的共有化。它显然是一种量子效应。它显然是一种量子效应。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.3.能带的形成和能带的结构能带的形成和能带的结构能带的形成能带的形成:由于电子的共有化由于电子的共有化,使原来原子中的电子能级分裂而形成使原来原子中的电子能级分裂而形成能带。能带。(实质上是固体中原子相互作用实质上是固体中原子相互作用,相互影响的结果相互影响的结果)(1)氢原子组成氢分子氢原子组成氢分子由于两原子的相互作用由于两原子的相互作用,使得使得1s 能级分裂成稍许不同的两

21、个能级能级分裂成稍许不同的两个能级Er0dEaEbEr0dabN个能级个能级(2)由由N个原子组合成晶体时个原子组合成晶体时,原来相同的能级形成原来相同的能级形成N个能级个能级(能带能带)SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.说明说明:a.新能级的能量范围称为能带；新能级的能量范围称为能带；b.由于由于N极大极大,E又很小又很小,故能带内能级可看成是连续的；故能带内能级可看成是连续的；4.能带与能级的对应关系能带与能级的对应关系(1)能能带带可可以以用用相相应应的的能能级级符符号号表表示示 s,p,d,f,带带(2)禁禁带带:在在相相邻

22、邻两两个个能能带带之之间间不不存存在在电电子子的的稳稳定定态态,这这一一能能带带间间隔隔Eg称称为为禁带禁带,如图。如图。3p1s2s2p3s3d原子能级原子能级晶体能带晶体能带（3）价带与导带）价带与导带价带价带:绝对零度时绝对零度时，全满的能带。，全满的能带。对对半半导导体体而而言言，价价带带中中的的能能级级基基本本上上是是连连续续的的。全全充充满满的的能能带带中中的的电电子子不不能能产产生生宏宏观观电电流流。若若受受到到光光照照，可可吸吸收收足足够够能能量量而而跳跳入入下下一一个个容容许许的的最最高高能能区区，从而使价带变成部分充填，在电场作用下就可以产生宏观电流。从而使价带变成部分充填

23、，在电场作用下就可以产生宏观电流。导带导带:绝对零度时绝对零度时，全空的能带。，全空的能带。导带导带禁带禁带价带价带二二.导体、绝缘体和半导体的能带结构导体、绝缘体和半导体的能带结构 空带空带满带满带（2 2）价带是满带，但满带与空带相重叠。）价带是满带，但满带与空带相重叠。电子很容易从满带跃迁到空带中而导电。电子很容易从满带跃迁到空带中而导电。金属金属 MgMg、Zn Zn、BeBe属此类。属此类。空带空带导带导带（3 3）价带是未满的导带，而它又与相邻）价带是未满的导带，而它又与相邻的空带重叠。的空带重叠。电子很容易跃迁导电。电子很容易跃迁导电。金属金属 NaNa、K K、CuCu、AlA

24、l、Ag Ag 属此类。属此类。导带导带1.导体：导体：（1 1）价带是未填满的导带。）价带是未填满的导带。电子很容易在导带中从低能级向高能级跃迁而电子很容易在导带中从低能级向高能级跃迁而导电。导电。金属金属 Li Li 属此类。属此类。2.绝缘体绝缘体：绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁带宽度带宽度Eg 较大，电子很难跃迁导电。但是，较大，电子很难跃迁导电。但是，如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的击穿击穿。空带空带

25、满带满带空带空带满带满带3.半导体半导体：半导体的能带结构与绝缘体大致相同，价带也是满半导体的能带结构与绝缘体大致相同，价带也是满带，但满带与空带之间的禁带，但满带与空带之间的禁 带宽度带宽度 Eg较小较小。容容易把电子从满带激发到空带中去，从而电子和空穴易把电子从满带激发到空带中去，从而电子和空穴都参与导电。都参与导电。例如例如,硅硅(Si)和和 锗锗(Ge)的禁带宽度，的禁带宽度，在常温在常温下分别为下分别为 1.11 eV 和和 0.47 eV 。绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体三三.空穴空穴价带一般是满的。价带一般是满的。研究价带上电子的途径：电子、空着的状态。研究价带上电子的途径

26、：电子、空着的状态。气气泡泡雨雨滴滴价带空穴价带空穴导带电子导带电子空穴空穴：代表价带顶部附近的电子激：代表价带顶部附近的电子激发到导带后留下的价带发到导带后留下的价带空状态空状态。为了讨论方便而为了讨论方便而假设假设的粒子。的粒子。电电 荷荷：+e运动方向运动方向：与导带电子方向相反：与导带电子方向相反导电机制导电机制半导体：电子半导体：电子+空穴空穴=载流子载流子金金 属：电子属：电子四四.本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体1.1.本征半导体本征半导体：不含任何杂质和缺陷的理想半导体。：不含任何杂质和缺陷的理想半导体。本征载流子本征载流子本征半导体中参与导电的电子和空穴；本征半导

27、体中参与导电的电子和空穴；本征激发本征激发电子由满带直接激发到导带中而在满带中留下空穴。电子由满带直接激发到导带中而在满带中留下空穴。本征导电本征导电只由本征载流子参与的导电。只由本征载流子参与的导电。2.杂质半导体杂质半导体：掺有杂质的半导体称为掺有杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体。（1 1）n n 型半导体（型半导体（电子电子型）：型）：由四价元素（例如硅或锗）半导体由四价元素（例如硅或锗）半导体 掺入五价元素（例如砷）杂质构成。掺入五价元素（例如砷）杂质构成。逾量电子逾量电子 施主杂质（施主杂质（Dopant）施主能级施主能级 电离能电离能 ED Eg导带导带满带满带施主能级施主能级

28、SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.以上杂质能级属于以上杂质能级属于“浅能级浅能级”。N N 电电 四五四五 施主导底施主导底P P 空空 四三四三 受主满顶受主满顶注意注意：P型半导体的多数载流子是空穴，型半导体的多数载流子是空穴，但仍有少数载流子是电子。但仍有少数载流子是电子。注意注意：N N 型半导体多数载流子型半导体多数载流子是电子，但仍有少是电子，但仍有少数载流子是空穴。数载流子是空穴。（2 2）P P 型半导体（型半导体（空穴空穴型）：型）：由四价元素（例如硅或锗）半导体掺入三由四价元素（例如硅或锗）半导体掺入三价元素（例

29、如硼）构成。价元素（例如硼）构成。受主杂质（受主杂质（Acceptor）受主能级受主能级电离能电离能 EA Eg满带导带E受主能级受主能级SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.五五.电子的有效质量电子的有效质量有效质量有效质量体现了体现了晶格场晶格场的影响。的影响。晶体中电子的有效质量并不是电子的静止质量或惯性质量，它是为了讨论晶体中电子的有效质量并不是电子的静止质量或惯性质量，它是为了讨论方便引入的。方便引入的。在能带底附近，电子的有效质量为正值。在能带顶附近，电子的有效质量在能带底附近，电子的有效质量为正值。在能带顶附近，电子的有效

30、质量为负值。而在某些点电子的有效质量为无穷大。为负值。而在某些点电子的有效质量为无穷大。例例:1.乒乓球乒乓球有效质有效质量为负量为负例例:2.晶体中电子有效质量晶体中电子有效质量自由电子质量自由电子质量周期势场、全同周期势场、全同 有了有效质量，晶体中载流子在散射、偏转等问题中可以简化为经典粒子，有了有效质量，晶体中载流子在散射、偏转等问题中可以简化为经典粒子，使问题简化。而直接利用量子力学的波动方程解决将非常困难。使问题简化。而直接利用量子力学的波动方程解决将非常困难。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.有效质量的意义有效质量的意

31、义:它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。部势场的作用。有效质量有效质量mn*可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。子的运动规律。有效质量与能量函数对于有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，能带越窄，二次微的二次微商成反比，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。商越小，有效质量越大。内层电子的能带窄，有效质量大内层电子的能带窄，有效质量大 外层电子的能带宽，有效

32、质量小外层电子的能带宽，有效质量小 外层电子在外力的作用下可以获得较大的加速度。外层电子在外力的作用下可以获得较大的加速度。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.六六.周期场中的电子周期场中的电子晶体中的电子运动服从布洛赫定理布洛赫定理：晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。这个波函数称为布洛赫波函数布洛赫波函数。求解薛定谔方程，得到电子在周期场中运动时其能量不连续，求解薛定谔方程，得到电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的形成一系列允带和禁带。一个允带对应的k值范围称为值范围称为布里布里渊区渊区。SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.SHARED COMMITMENT.SHARED RESOURCES.ONE SOLUTION.金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。