《半导体物理-第1章-半导体晶体结构-赵老师-2012》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理-第1章-半导体晶体结构-赵老师-2012（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第1章半导体晶体结构Chapter1CrystalStructureofSemiconductor 2 本章要点 熟悉晶体空间结构的描述方法及相关的基本概念 掌握晶列指数和晶面指数的概念及标示方法 理解倒格子 布里渊区的概念 理解晶体的分类 晶体结合的内在规律 了解晶体中缺陷的种类 来源及影响 了解合金的概念 种类及合金相图 3 引言 半导体的概念物质按导电能力分为绝缘体 电导率103S cm 1 欧姆 1西门子 晶体结构 能带结构 物质性质半导体特性 对温度 光照 杂质等非常敏感 4 1 1晶体结构的基本概念1 1BasicConceptsofCrystalStructures 5 1
2、1 1空间点阵和晶格 砖块垒墙有多种方式 6 物理与光电工程学院 1 1 1空间点阵和晶格 砖块上的等同点反映了墙的结构 7 物理与光电工程学院 1 1 1空间点阵和晶格 实际晶体都包含一个最小的重复单元 整个晶体可以看作是这个重复单元在空间的平衡堆积形成 这个最小的重复单元称谓基元 基元 基元 实际晶体中 在基元上取一个等同点 这些点在空间中的分布反映了基元在空间的排列结构 这些等同点在空间规则分布称为布喇菲点阵 基元 布喇菲点阵 格子 8 物理与光电工程学院 1 1 1空间点阵和晶格 布拉菲点阵 完全等同的点在空间的周期性排列 这种周期性反映特定的晶体结构 9 物理与光电工程学院 1 1
3、1空间点阵和晶格 晶体 结点 格点 布拉菲点阵 实际晶体 原子 或离子 分子等 在空间的有规则地重复排列 晶体中空间等同点的集合 布拉菲点阵中的等同点 基元 布拉菲点阵 10 晶体结构不同 但布拉菲格点阵相同 1 1 1空间点阵和晶格 11 晶体结构相似 布拉菲格点阵不同 1 1 1空间点阵和晶格 12 1 1 2原胞和晶胞 原胞 构成布拉菲点阵的最小平行六面体 格点只能在顶点 晶胞 反映布拉菲点阵对称性的前提下 构成布拉菲点阵的平行六面体 除顶点上外 内部和表面也可以包含格点 13 1 1 2原胞和晶胞 14 1 1 2原胞和晶胞 晶胞分类 根据晶胞边 角关系决定的对称性 共有7个晶系 14
4、种布喇菲晶格原胞 15 1 1 2原胞和晶胞 16 1 1 2原胞和晶胞 17 1 1 2原胞和晶胞 18 1 1 2原胞和晶胞 举例 为什么没有底心四方 19 1 1 2原胞和晶胞 20 1 1 2原胞和晶胞 21 复习内容 布拉菲点阵 结点 格点 原胞和晶胞 实际 晶体结构 基元 布拉菲点阵七大晶和十四种布拉菲点阵是根据什么划分的 原胞或晶胞包含的结点数的计算 下次课堂提问 22 1 1 3晶列指数和晶面指数 晶列 在布拉菲点阵中通过任意两个结点的连线 晶列族 平行于某一晶列的所有晶列的组合 晶面 布拉菲点阵中通过任意不在同一晶列上的三个结点构成的平面 晶面族 平行于某一晶面的所有晶面的组
5、合 23 1 1 3晶列指数和晶面指数 原胞或晶胞的基矢 原胞或晶胞中共点的三条边对应的矢量 24 1 1 3晶列指数和晶面指数 图晶列OA的位矢 式中 为原胞基矢 l1 l2 l3为简约互质整数 所以 表示晶列OA取向的晶列指数可标示为 1 晶列的表示方法 1 用原胞基矢表示 以某一结点为原点 o 另一结点 A 的位矢可表示为 注 晶列指数包含方向的信息 25 1 1 3晶列指数和晶面指数 2 用晶胞基矢表示 从原点O到结点A的位矢为 式中 a b c为结晶学原胞三个坐标轴基矢 为有理数 可化为三个互质整数m n p 并使 这样 表示晶列OA取向的晶列指数可标示为 下图表示了不同晶列族的晶列
6、指数 26 正交晶系一些重要晶向的晶向指数 1 1 3晶列指数和晶面指数 27 1 1 3晶列指数和晶面指数 2 晶面的表示方法 1 用原胞基矢为坐标轴 最靠近原点的晶面 过A点 在基矢a1上的截矩为 其中n1必定为大于等于1的整数 因为晶面M与晶面N之间的晶面数一定大于等于零 同理 设a1 a2和a3截的夹角小于等于90度 28 1 1 3晶列指数和晶面指数 晶面族中最靠近原点的晶面的截距OA OB和OC的倒数之比为 所以 晶面的取向可一组互质整数比 h1h2h3 表示 称为晶面指数 晶面指数 以原胞基矢长度为单位 某一晶面在基矢轴上的截距倒数的互质整数比 U V 29 1 1 3晶列指数和
7、晶面指数 2 用晶胞基矢为坐标轴 某一晶面在晶胞基矢轴上的三个截距均为有理数 其倒数可以化为互质整数hkl比 用符号 hkl 来表示该晶面的指向 称密勒指数 思考 用晶面指数和密勒指数表示晶体中同一个晶面 两者是否相同 说明 在使用中习惯用晶胞基矢作坐标轴 密勒指数习惯上也称晶面指数 30 1 1 3晶列指数和晶面指数 31 1 1 4倒格子 布里渊区 正格子 即布拉菲点阵 是晶体结构在实空间中的一种数学表现形式 倒格子 一种与布拉菲点阵相对应的另一种点阵 是晶体结构在波矢空间的数学表现形式 32 1 1 4倒格子 布里渊区 正格矢 任一格点的矢量 定义倒格子基矢 定义倒格子矢量 h1 h2
8、h3为任意整数 由Kh决定的格子称为倒格子 33 物理与光电工程学院 1 1 4倒格子 布里渊区 倒格基矢的另一种等价定义 正 倒格子矢量的关系 为整数 自已证明 自已证明 正 倒格子原胞体积互为倒数 倒格子体积 用 可证 34 物理与光电工程学院 1 1 4倒格子 布里渊区 考虑一维格子 其周期为 这等价于 故有 考虑二维正格子 周期分别为 这等价于 则有 35 物理与光电工程学院 1 1 4倒格子 布里渊区 在14种布拉菲点阵中 只有四种点阵的正点阵与倒易点阵不同 体心立方 面心立方面心立方 体心立方体心正交 面心正交面心正交 体心正交 36 1 1 4倒格子 布里渊区 布里渊区 在倒格子
9、中 以某一倒格点为原点 从原点出发作所有倒格点的位置矢量 倒格矢 的垂直平分面 这些平面把倒格子空间分割为许多部分 第一布里渊区是从原点出发不跨过任何垂直平分面的点的集合 据此有第二 第三 第n布里渊区 ReciprocalLattice BrillouinZone 从中心起 所到达的布里渊区需穿过n条线 边界 的话 此布里渊区叫第n 1布里渊区 二维正方格子的布里渊区 37 物理与光电工程学院 1 1 4倒格子 布里渊区 38 物理与光电工程学院 二维正方格子的布里渊区 39 物理与光电工程学院 二维六方晶格的十个布里渊区 40 物理与光电工程学院 面心立方晶格的布里渊区 1 求作面立方晶体
10、的倒格子 倒格子为体心立方 晶胞边长为4 a 可以看出 正格子晶胞的三个基矢与其倒格子晶胞的三个基矢相互平行 41 物理与光电工程学院 2 选体心为原点 则由体心向顶角的8个倒格点 最近邻的倒格点 引倒格矢 作最近的倒格矢的垂直平分面 构成一个八面体 3 由体心向周围6个次近倒格点 体心 引倒格矢 作它们的垂直平分面 将八面体截去6个角 构成6个正方形的面 体心立方的倒格子空间的第一布里渊区 42 物理与光电工程学院 1 1 4倒格子 布里渊区 面心立方的倒格子空间的第一布里渊区 43 物理与光电工程学院 作业 第1次 2011 09 16布置 构成Cu CsCl NaCl三种晶体的基元是什么
11、 它们的布喇菲点阵属于哪一类晶系和哪一种点阵 原胞和晶胞有什么不同 一个体心立方和面心立方晶胞分别包含几个结点 画出面心立方点阵中的 010 120 111 晶面 用晶胞基矢为坐标轴 44 1 2晶体的结合 45 1 2 1晶体的分类 按原子结合力的性质分 1 2 3 4 离子晶体正负离子交替排列在晶格格点上 靠离子键结合成 原子晶体晶格格点上交替排列的是原子 依靠共价键结合而成 金属晶体晶格格点上排列着失去价电子的离子实 依靠金属键结合而成 分子晶体占据晶格中格点位置的是分子 依靠范德瓦耳斯力结合而成 46 1 2 2晶体的结合 设两个原子间距为r 其相互作用能可表示为 式中 a b m n
12、是特征常量 第一项是吸引能 第二项是排斥能 相互作用力可描述为 晶体中质点结合依靠质点间的相互作用 这种相互作用包括远程吸引作用 异性电荷间的库仑引力 和近程排斥作用 同性电荷间库仑斥力和泡里原理斥力 47 1 2 2晶体的结合 当时为引力 当时为斥力 平衡时引力和斥力抵消 即 设时 相互作用力有最大值 则 48 1 2 2晶体的结合 将原子拉开无限远时 相互作用力和作用能随距离的变化过程 49 1 2 2晶体的结合 对三维情况 设N为晶体的总质点数 是第i个和第j个质点的相互作用能 即第i个质点与所有其他质点的相互作用能为 所以 总的作用能为 1 5 对于具有N质点的晶体 不考虑表面效应时
13、每个质点的地位是等同的 上式可简化为 1 6 50 1 2 2晶体的结合 当晶体结合能U r 已知时 便可以算出晶体的某些物理特性 如 晶格常数 当质点结合成稳定的晶体时 结合能为极小值 因此晶格常数 ro 可由下式确定 压缩系数 由压缩系数定义有 其中 V为晶体体积 P为压力 1 19 1 18 51 1 2 2晶体的结合 又P与V的关系为 K为体弹性模量 当T 0K时 晶体的平衡 体积为V0 此时 所以 1 22 1 20 1 21 52 1 3晶体中的热缺陷及位错 53 1 3 1热缺陷 弗仑克尔缺陷 肖脱基缺陷 间隙原子 1 2 3 热缺陷 当温度T不等于0K时 晶体中格点上原子发生热
14、振动有几率离开格点位置而成为间隙原子和空位 即缺陷 热缺陷为点缺陷 包括 54 原子脱离格点后 同时形成空格点和间隙原子 空格点等于间隙原子数 1 3 1热缺陷 1 弗仑克尔缺陷 图1 11空位和间隙原子同时出现时的弗仑克尔缺陷 55 1 3 1热缺陷 2 肖脱基缺陷 晶体内部格点上的原子跑到晶体表面 形成空格点 图1 12只有空位时的肖脱基缺陷 56 1 3 1热缺陷 3 间隙原子 晶体表面原子跑到晶体内部晶格间隙位置 形成间隙原子 57 1 3 2位错 位错 晶体中除了点缺陷外还存在线缺陷 线缺陷也称为位错 它是晶体在某方向受到一定的应力后在某晶面处产生相对滑移 这种已滑移区域和未滑移区域
15、的交界线就是位错 58 1 3 2位错 位错形成 59 1 3 2位错 值得注意 这种滑移不是滑移面上所有原子同时滑移 而是部分原子先滑移后推动同一晶面上其它原子滑移 最后上下晶面发生相对滑移 当滑移中突然停上时 停上位置上形成位错线 如图1 14 图1 14晶体滑移过程 60 物理与光电工程学院 1 4常见半导体的晶体结构 61 金刚石型结构的晶胞 1 4 1金刚石结构与共价键 62 1 4 1金刚石结构与共价键 硅 锗的金刚石型结构 硅 锗 原子的最外层四个价电子与最邻近的其它4个硅 锗 原子的一个价电子形成共价键而结合成晶体 其晶胞为面心立方 63 1 4 1金刚石结构与共价键 正四面体
16、结构 金刚石型结构 64 111 面的堆积 1 4 1金刚石结构与共价键 堆积顺序 ABCABC 物理与光电工程学院 111 面的堆积 1 4 1金刚石结构与共价键 堆积顺序 ABCABC 堆积顺序 ABABAB 66 晶胞在 100 面上的投影 1 4 1金刚石结构与共价键 67 1 4 2闪锌矿结构与混合键 族化合物半导体闪锌矿型晶体结构 与金刚石结构相似 但由两类原子构成 以共价键为主 同时有离子键成份 思考 左图的一个晶胞包含几个格点 几个原子 几个第III族原子 几个第V族原子 68 1 4 3纤锌矿结构 II VI族化合物 电负性差异较大的III V化合物通常属于纤锌矿结构 属六方晶系 AB型共价键晶体 其中A原子作六方密堆积 堆积顺序ABABAB B原子填充在A原子构成的四面体空隙中 A B原子的联系为共价键 配位数均为4 化合物氧化锌 硒化镉 氮化镓和氮化铝等属纤锌矿型结构 Wurtzitestructure 作业1 2010 08 30 氧化锌结构的一个晶胞包含几个格点 几个原子 几个第II族原子 69 物理与光电工程学院 1 4 4其他半导体晶体结构 其他 IV V
