1、1物理與光電工程學(xué)院第第1章章 半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)Chapter 1 Crystal Structure of Semiconductor 2物理與光電工程學(xué)院引引 言言l 半導(dǎo)體的概念半導(dǎo)體的概念 物質(zhì)按導(dǎo)電能力分為物質(zhì)按導(dǎo)電能力分為 絕緣體： 電導(dǎo)率 103 S/cm; ( 1/歐姆=1西門子)l 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) 物質(zhì)性質(zhì)物質(zhì)性質(zhì)l 半導(dǎo)體特性：對(duì)溫度、光照、雜質(zhì)等非常敏感。半導(dǎo)體特性：對(duì)溫度、光照、雜質(zhì)等非常敏感。3物理與光電工程學(xué)院1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1.1 Fundamental Concepts of Crystal Struc

2、tures4物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格磚塊壘墻有多種方式磚塊壘墻有多種方式5物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格磚塊上的等同點(diǎn)反映了墻的結(jié)構(gòu)磚塊上的等同點(diǎn)反映了墻的結(jié)構(gòu)6物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格實(shí)際晶體都包含一個(gè)由原子、離子或分子構(gòu)成的最小實(shí)際晶體都包含一個(gè)由原子、離子或分子構(gòu)成的最小的重復(fù)單元，整個(gè)晶體可看作是這個(gè)重復(fù)單元在空間的重復(fù)單元，整個(gè)晶體可看作是這個(gè)重復(fù)單元在空間的平移堆積形成。這個(gè)最小的重復(fù)單元稱謂基元。的平移堆積形成。這個(gè)最小的重復(fù)單元稱謂基元。基元基元基

3、元基元實(shí)際晶體是基元在空間的堆實(shí)際晶體是基元在空間的堆積。在每個(gè)基元上取一個(gè)等積。在每個(gè)基元上取一個(gè)等同點(diǎn)，這些點(diǎn)在空間形成的同點(diǎn)，這些點(diǎn)在空間形成的規(guī)則的分布稱為這種晶體的規(guī)則的分布稱為這種晶體的布喇菲點(diǎn)陣。布喇菲點(diǎn)陣。布喇菲點(diǎn)陣布喇菲點(diǎn)陣 (空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣) 布拉菲點(diǎn)陣7物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格思考題: 等同點(diǎn)的含義?A結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)（格點(diǎn)）（格點(diǎn)）布拉菲點(diǎn)陣中的等同點(diǎn)。布拉菲點(diǎn)陣中的等同點(diǎn)。8物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格實(shí)際晶體實(shí)際晶體=基元基元+布喇菲點(diǎn)陣布喇菲點(diǎn)陣9物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1

4、.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格舉例: 實(shí)際晶體及其布拉菲點(diǎn)陣不同的晶體不同的晶體可以有相同的可以有相同的布拉菲格點(diǎn)陣布拉菲格點(diǎn)陣10物理與光電工程學(xué)院1.1.1 1.1.1 空間點(diǎn)陣和晶格空間點(diǎn)陣和晶格相似的原子排相似的原子排列方式列方式,不同的不同的布拉菲格點(diǎn)陣布拉菲格點(diǎn)陣11物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞原胞原胞構(gòu)成布拉菲點(diǎn)陣的最小平行六面體，格點(diǎn)只能在頂點(diǎn)。晶胞晶胞反映布拉菲點(diǎn)陣對(duì)稱性的前提下，構(gòu)成布拉菲點(diǎn)陣的平行六面體。除頂點(diǎn)上外，內(nèi)部和表面也可以包含格點(diǎn)12物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞13物理與光電工程學(xué)院1.1.

5、2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞晶胞晶胞分類分類根據(jù)晶胞邊、角關(guān)系，把布拉菲點(diǎn)陣分為7個(gè)晶系，共14種原胞。14物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞,90oa b c ,90oabc (1) 三斜晶系三斜晶系(2) 單斜晶系單斜晶系15物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞,90oabc (3) 正交晶系正交晶系16物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞0012090cba(4) 六方晶系六方晶系17物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞,90oa b c ,90oa b c 舉例: 為什么沒

6、有底心四方?(5) 三方晶系三方晶系(6) 四方晶系四方晶系18物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞,90oabc(7) 立方晶系立方晶系19物理與光電工程學(xué)院復(fù)習(xí)內(nèi)容復(fù)習(xí)內(nèi)容布拉菲點(diǎn)陣，結(jié)點(diǎn)（格點(diǎn)），原胞和晶胞（實(shí)際）晶體結(jié)構(gòu)=基元+布拉菲點(diǎn)陣七大晶和十四種布拉菲點(diǎn)陣是根據(jù)什么劃分的?20物理與光電工程學(xué)院1.1.2 1.1.2 原胞和晶胞原胞和晶胞思考題: 兩種晶體的布拉菲點(diǎn)陣相同，是否意味它們對(duì)應(yīng)的晶胞完全等同?B思考題: 立方晶系只有簡(jiǎn)單立方、體心立方和面心立方三種布拉菲點(diǎn)陣，為什么沒有底心立方的布拉菲點(diǎn)陣?C21物理與光電工程學(xué)院例例 題題氯化鈉晶體對(duì)應(yīng)的一

7、個(gè)原胞或晶胞包含多少個(gè)結(jié)點(diǎn)？多少個(gè)離子？晶胞：四個(gè)結(jié)點(diǎn)，八個(gè)離子原胞：一個(gè)結(jié)點(diǎn)，兩個(gè)離子22物理與光電工程學(xué)院作業(yè)作業(yè) 1 120140923201409231/2:1/2:1. 單層石墨的原子排列如圖所示。請(qǐng)問：（1）各原子位置是否等同？（2）畫出其對(duì)應(yīng)的布拉菲點(diǎn)陣、原胞和六邊形晶胞。（3）每個(gè)原胞和晶胞包含多少個(gè)格點(diǎn)？包含多少個(gè)碳原子？23物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列晶列布拉菲點(diǎn)陣中通過任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的連線布拉菲點(diǎn)陣中通過任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的連線晶列族晶列族平行于某一晶列的所有晶列的組合平行于某一晶列的所有晶列的組合晶面晶面布拉菲點(diǎn)陣中通過任意

8、不在同一直線上的三個(gè)布拉菲點(diǎn)陣中通過任意不在同一直線上的三個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的平面結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的平面晶面族晶面族平行于某一晶面的所有晶面的組合平行于某一晶面的所有晶面的組合24物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)對(duì)同一個(gè)布拉菲點(diǎn)陣，晶列族和晶面族選取方法有無窮多種25物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)原胞或晶胞的基矢原胞或晶胞的基矢:原胞或晶胞中共點(diǎn)的三條邊對(duì)應(yīng)的矢量.cbaaaa,:,:321晶胞原胞如何描述晶列和晶面？如何描述晶列和晶面？321AaaaR3a2a1a式中： ， ， 為原胞基矢。1）晶列的表示方法）晶列

9、的表示方法原胞的一個(gè)頂點(diǎn)的位矢：（1）用原胞基矢表示：26物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)332211alalalRl思考：l1, l2, l3 為是什么數(shù)？任一結(jié)點(diǎn)的位矢可表示為：D27物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)一組簡(jiǎn)約整數(shù) 表示晶列的取向，稱其為晶列指數(shù)。321ll l晶列指數(shù)晶列指數(shù)E思考題:下列兩式代表的格點(diǎn)有什么關(guān)系？332211alalalRl332211anlanlanlRl其中，n為整數(shù)28物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)從原點(diǎn)O到結(jié)點(diǎn)

10、A的位矢為 是什么數(shù)？cpbnamR,m,np表示晶列OA取向的晶列指數(shù)可標(biāo)示為mnppnmpnm：（2）用晶胞基矢表示：， ， 為有理數(shù)有理數(shù)，可化為三個(gè)互質(zhì)整數(shù)m，n，p： mnpF 正交晶系一些重要晶向的晶列指數(shù)1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)29物理與光電工程學(xué)院注意：晶列指數(shù)可以表示方向。30物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)2）晶面的表示方法）晶面的表示方法（1）用原胞基矢為坐標(biāo)軸：最靠近原點(diǎn)的晶面（過A點(diǎn)）在基矢a1上的截矩為：11naOA其中n1必定為大于等于1的整數(shù)，因?yàn)榫鍹與晶面N之間的晶面數(shù)一定大于

11、等于零。OMNPAa1a2B同理：22naOB33naOC31物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶面族中最靠近原點(diǎn)的晶面的截距OA，OB和OC的倒數(shù)之比為：321321:111hhhnnnOCOBOA：其中， h1，h2，h3是一組互質(zhì)整數(shù)，用(h1h2h3)表示的取向，稱為晶面指數(shù)。晶面指數(shù)：晶面指數(shù)： 以原胞基矢長(zhǎng)度為單位以原胞基矢長(zhǎng)度為單位, 某一晶面在基矢軸上的截距倒數(shù)某一晶面在基矢軸上的截距倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。的互質(zhì)整數(shù)比。32物理與光電工程學(xué)院1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)（2）用晶胞基矢為坐標(biāo)軸：）用晶胞基矢

12、為坐標(biāo)軸：某一晶面在晶胞基矢軸上的三個(gè)截距均為有理數(shù), 其倒數(shù)可以化為互質(zhì)整數(shù)h k l比, 用符號(hào)(h k l) 來表示該晶面的指向，也稱晶面指數(shù)。思考: 用晶面指數(shù)和密勒指數(shù)表示晶體中同一個(gè)晶面, 兩者是否相同?說明：除非特別指明，通常用晶胞作為坐標(biāo)系表示說明：除非特別指明，通常用晶胞作為坐標(biāo)系表示晶列指數(shù)和晶面指數(shù)。晶列指數(shù)和晶面指數(shù)。1.1.3 1.1.3 晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列指數(shù)和晶面指數(shù)33物理與光電工程學(xué)院注：(321)所指的晶面有誤.34物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)正格子正格子即布拉菲點(diǎn)陣即布拉菲點(diǎn)陣, 是晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)是晶體結(jié)構(gòu)在

13、實(shí)空間中的一種數(shù)空間中的一種數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式。學(xué)表現(xiàn)形式。倒格子倒格子一種與布拉菲點(diǎn)陣一種與布拉菲點(diǎn)陣相相的另一種點(diǎn)的另一種點(diǎn)陣陣, 是晶體結(jié)構(gòu)在是晶體結(jié)構(gòu)在波矢空間的數(shù)學(xué)表波矢空間的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式。現(xiàn)形式。35物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)正格矢（任一格點(diǎn)的矢量）：alalalRl332211定義倒格子基矢： 定義倒格子矢量:bhbhbhKh332211 (h1,h2,h3為任意整數(shù)) 由Kh決定的格子稱為倒格子。aaa、321基矢：正格子 原胞為整數(shù))(321lll，bbb、321)(2321321aaaaab)(2321132aaaaab)(2321

14、213aaaaab36物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)倒格基矢的另一種等價(jià)定義：正、倒格子矢量的關(guān)系：2.RKlh( 為整數(shù)) （自已證明）ijjiba2.10ji ji 3 ,2, 1,ji（自已證明）正、倒格子原胞體積互為倒數(shù)：倒格子體積: 用: 可證: 37物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū) 考慮二維正格子, 周期分別為 ，這等價(jià)于 ，則有 。 考慮一維格子, 其周期為 , 這等價(jià)于 ； ， 故有： ； 38物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)在在1414種布拉菲點(diǎn)陣中

15、，只有四種點(diǎn)陣的正點(diǎn)陣與倒易點(diǎn)陣不同：種布拉菲點(diǎn)陣中，只有四種點(diǎn)陣的正點(diǎn)陣與倒易點(diǎn)陣不同：體心立方體心立方面心立方面心立方面心立方面心立方體心立方體心立方體心正交體心正交面心正交面心正交面心正交面心正交體心正交體心正交正格子和倒格子對(duì)應(yīng)的基矢如a1與b1、a2與b2、a3與b3是否相互平行?G39物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)布里淵區(qū)布里淵區(qū)在倒格子中，以某一倒格點(diǎn)為在倒格子中，以某一倒格點(diǎn)為原點(diǎn)，從原點(diǎn)出發(fā)作所有倒格原點(diǎn)，從原點(diǎn)出發(fā)作所有倒格點(diǎn)的位置矢量點(diǎn)的位置矢量 (倒格矢倒格矢)的垂直的垂直平分面，這些平面把倒格子空平分面，這些平面把倒格子空間

16、分割為許多部分，第一布里間分割為許多部分，第一布里淵區(qū)是從原點(diǎn)出發(fā)不跨過任何淵區(qū)是從原點(diǎn)出發(fā)不跨過任何垂直平分面的點(diǎn)的集合。據(jù)此垂直平分面的點(diǎn)的集合。據(jù)此有第二、第三、第有第二、第三、第n布里淵區(qū)。布里淵區(qū)。(Reciprocal Lattice, Brillouin Zone)從中心起從中心起, , 所到達(dá)的布里淵區(qū)所到達(dá)的布里淵區(qū)需穿過需穿過n n 條線（邊界）的話條線（邊界）的話, , 此布里淵區(qū)叫第此布里淵區(qū)叫第n+1n+1布里淵區(qū)布里淵區(qū)二維正方格子的布里淵區(qū)二維正方格子的布里淵區(qū)40物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)ij第一布第一布里淵區(qū)里淵

17、區(qū)第三布第三布里淵區(qū)里淵區(qū)第二布第二布里淵區(qū)里淵區(qū)a2a241物理與光電工程學(xué)院二維正方格子的布里淵區(qū)二維正方格子的布里淵區(qū)42物理與光電工程學(xué)院二維六方晶格的十個(gè)布里淵區(qū) 43物理與光電工程學(xué)院1 1）求作面立方晶體的倒格子）求作面立方晶體的倒格子)(2);(2);(2321ikaakjaajiaa)(2)(2)(2)(2)(2)(2321213321132321321kjiaaaaaabkjiaaaaaabkjiaaaaaab 倒格子為體心立方倒格子為體心立方,晶胞邊長(zhǎng)為晶胞邊長(zhǎng)為4 /a可以看出：正格子晶胞的三個(gè)基矢與其倒 格子晶胞的三個(gè)基矢不平行。44物理與光電工程學(xué)院2 2）選體心為

18、原點(diǎn)，則由體心向頂角的）選體心為原點(diǎn)，則由體心向頂角的8 8個(gè)倒格點(diǎn)個(gè)倒格點(diǎn)( (最近鄰的倒格最近鄰的倒格點(diǎn)點(diǎn)) )引倒格矢，作最近的倒格矢的垂直平分面，構(gòu)成一個(gè)八面引倒格矢，作最近的倒格矢的垂直平分面，構(gòu)成一個(gè)八面體。體。3 3）由體心向周圍）由體心向周圍6 6個(gè)次近倒格點(diǎn)個(gè)次近倒格點(diǎn)( (體心體心) )引倒格矢，作它們的垂直引倒格矢，作它們的垂直平分面，將八面體截去平分面，將八面體截去6 6個(gè)角，構(gòu)成個(gè)角，構(gòu)成6 6個(gè)正方形的面。個(gè)正方形的面。體心立方的倒格子空間的第一布里淵區(qū)45物理與光電工程學(xué)院1.1.4 1.1.4 倒格子、布里淵區(qū)倒格子、布里淵區(qū)面心立方的倒格子空間的第一布里淵區(qū)4

19、6物理與光電工程學(xué)院2.2.畫出面心立方點(diǎn)陣中的（畫出面心立方點(diǎn)陣中的（010010），（），（120120），），（111111）晶面。（用晶胞基矢為坐標(biāo)軸）晶面。（用晶胞基矢為坐標(biāo)軸）作業(yè)作業(yè) 1 120140923201409232/2:2/2:47物理與光電工程學(xué)院1.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合*48物理與光電工程學(xué)院1.2.1 1.2.1 晶體的分類晶體的分類按原子結(jié)合力按原子結(jié)合力的性質(zhì)分的性質(zhì)分1234離子晶體離子晶體正負(fù)離子交替排列在晶格格點(diǎn)上，靠離子鍵結(jié)合成。原子晶體原子晶體晶格格點(diǎn)上交替排列的是原子， 依靠共價(jià)鍵結(jié)合而成。金屬晶體金屬晶體晶格格點(diǎn)上排列著失去價(jià)電子的離子實(shí)，依

20、靠金屬鍵結(jié)合而成。分子晶體分子晶體占據(jù)晶格中格點(diǎn)位置的是分子，依靠范德瓦耳斯力結(jié)合而成。49物理與光電工程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合設(shè)兩個(gè)原子間距為r，其相互作用能可表示為：式中：a，b，m，n是特征常量，第一項(xiàng)是吸引能，第二項(xiàng)是排斥能。相互作用力可描述為： nmrrruba rrfddur晶體中質(zhì)點(diǎn)結(jié)合依靠質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，這種相互作用包括遠(yuǎn)程吸晶體中質(zhì)點(diǎn)結(jié)合依靠質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，這種相互作用包括遠(yuǎn)程吸引作用引作用(異性電荷間的庫侖引力異性電荷間的庫侖引力)和近程排斥作用和近程排斥作用(同性電荷間庫侖斥同性電荷間庫侖斥力和泡里原理斥力力和泡里原理斥力)。50物理與光電工

21、程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合當(dāng)當(dāng) 時(shí)為引力；當(dāng)時(shí)為引力；當(dāng) 時(shí)為斥力。時(shí)為斥力。平衡平衡 時(shí)引力和斥力抵消，即：時(shí)引力和斥力抵消，即： 0ddur0rr0rrf 0r f設(shè) 時(shí)，相互作用力有最大值，則 0r f0rrmrr 0duddrmmrr22rrrrrf51物理與光電工程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合將原子拉開無限遠(yuǎn)時(shí)，相互作用力和作用能隨距離的變化過程。將原子拉開無限遠(yuǎn)時(shí)，相互作用力和作用能隨距離的變化過程。52物理與光電工程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合對(duì)三維情況，設(shè)N為晶體的總質(zhì)點(diǎn)數(shù)， 是第 i 個(gè)和第j 個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相互作用能

22、，即第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)與所有其他質(zhì)點(diǎn)的相互作用能為： 所以，總的作用能為： Njijr1iuu NiNjijNijir111iu21u21U（1-5）)(ruuijij對(duì)于具有N質(zhì)點(diǎn)的晶體，不考慮表面效應(yīng)時(shí)(每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的地位是等同的)，上式可簡(jiǎn)化為： Njijr1iuN21Nu21U（1-6）53物理與光電工程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合 當(dāng)晶體結(jié)合能當(dāng)晶體結(jié)合能U(r)已知時(shí)，便可以算出晶體的某些物理特性。如已知時(shí)，便可以算出晶體的某些物理特性。如: 晶格常數(shù)晶格常數(shù) 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)結(jié)合成穩(wěn)定的晶體時(shí)，結(jié)合能為極小值， 因此晶格常數(shù) ( ro ) 可由下式確定。 0ddU0rrrr 壓縮系

23、數(shù)壓縮系數(shù)由壓縮系數(shù)定義有：TPVV1k其中：V為晶體體積，P為壓力。（1-19）（1-18）54物理與光電工程學(xué)院1.2.2 1.2.2 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合又P與V的關(guān)系為：VUP22k1KVUV0220KVVVUVK為體彈性模量。當(dāng)T0K時(shí)，晶體的平衡，體積為V0，此時(shí)所以：(1-22)(1-20)(1-21)55物理與光電工程學(xué)院1.3 晶體中的缺陷晶體中的缺陷56物理與光電工程學(xué)院1.3.1 1.3.1 熱缺陷熱缺陷弗侖克爾缺陷肖脫基缺陷間隙原子123熱缺陷熱缺陷：當(dāng)溫度T不等于0K時(shí)，晶體中格點(diǎn)上原子發(fā)生熱振動(dòng)有幾率離開格點(diǎn)位置而成為間隙原子和空位，即缺陷。熱缺陷為點(diǎn)缺陷，包括：點(diǎn)

24、缺陷：晶體中某一點(diǎn)附近的有限尺寸內(nèi)的原子排列出現(xiàn)無序，包括：空位、雜質(zhì)原子和間隙原子原子脫離格點(diǎn)后，同時(shí)形成空格點(diǎn)和間隙原子，空格點(diǎn)等于間隙原子數(shù)。57物理與光電工程學(xué)院1.3.1 1.3.1 熱缺陷熱缺陷1.弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷圖1-11 空位和間隙原子同時(shí)出現(xiàn)時(shí)的弗侖克爾缺陷58物理與光電工程學(xué)院1.3.1 1.3.1 熱缺陷熱缺陷2.肖脫基缺陷肖脫基缺陷晶體內(nèi)部格點(diǎn)上的原子跑到晶體表面，形成空格點(diǎn)。圖1-12 只有空位時(shí)的肖脫基缺陷59物理與光電工程學(xué)院1.3.1 1.3.1 熱缺陷熱缺陷3.間隙原子間隙原子晶體表面原子跑到晶體內(nèi)部晶格間隙位置，形成間隙原子60物理與光電工程學(xué)院1.

25、3.2 1.3.2 位錯(cuò)（線缺陷）位錯(cuò)（線缺陷）位錯(cuò)位錯(cuò)晶體在某方向受到一定的應(yīng)力后，在某晶面處產(chǎn)生相對(duì)滑移，這種已滑移區(qū)域和未滑移區(qū)域的交界線就是位錯(cuò).61物理與光電工程學(xué)院1.3.2 1.3.2 位錯(cuò)位錯(cuò)位錯(cuò)形成位錯(cuò)形成滑移面ABEF：原子滑動(dòng)的平面位錯(cuò)線（dislocationalline）EF：晶體內(nèi)滑移面上已滑動(dòng)區(qū)的邊界線滑移矢量b: 反映滑移方向62物理與光電工程學(xué)院1.3.2 1.3.2 位錯(cuò)位錯(cuò)注意注意位錯(cuò)并不是由滑移面上所有原子同時(shí)滑移產(chǎn)生的，而是部分原子先滑移后推動(dòng)同一晶面上其它原子滑移。當(dāng)滑移中止時(shí)，停上位置上形成位錯(cuò)線。如圖1-14。圖1-14 晶體滑移過程63物理與光

26、電工程學(xué)院1.4 常見半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)常見半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)64物理與光電工程學(xué)院金剛石的原子分布金剛石的原子分布1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石中各原子等同？H65物理與光電工程學(xué)院1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵硅、鍺的金剛石型結(jié)構(gòu)硅、鍺的金剛石型結(jié)構(gòu)硅(鍺)原子的最外層四個(gè)價(jià)電子與最鄰近的其它4個(gè)硅(鍺)原子的一個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵而結(jié)合成晶體。 其晶胞為面心立方。66物理與光電工程學(xué)院1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵正四面體結(jié)構(gòu)正四面體結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)67物理與光電工程學(xué)院原子在（原子在（

27、111）面的堆積）面的堆積1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵 堆積順序：ABCABC物理與光電工程學(xué)院（111）面的堆積）面的堆積1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵 堆積順序：ABCABC 堆積順序：ABABAB六方密堆積（六方晶系）69物理與光電工程學(xué)院晶胞在晶胞在(100)面上的投影面上的投影1.4.1 1.4.1 金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵70物理與光電工程學(xué)院1.4.2 1.4.2 閃鋅礦結(jié)構(gòu)與混合鍵閃鋅礦結(jié)構(gòu)與混合鍵族化合物半導(dǎo)體閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu): 與金剛石結(jié)構(gòu)相似, 但由兩類原子構(gòu)成. 以共價(jià)鍵為主，同時(shí)有離子鍵成份.圖

28、中的晶胞包含幾個(gè)格點(diǎn)?幾個(gè)原子?幾個(gè)第III族原子?幾個(gè)第V族原子?I71物理與光電工程學(xué)院1.4.3 1.4.3 纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)II-VI族化合物、電負(fù)性差異較大的III-V化合物通常屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu) 屬六方晶系，AB型共價(jià)鍵晶體，其中A原子作六方密堆積（堆積順序ABABAB.)，B原子填充在A原子構(gòu)成的四面體空隙中。A、B原子的聯(lián)系為共價(jià)鍵，配位數(shù)均為4。化合物氧化鋅、硒化鎘、氮化鎵和氮化鋁等屬纖鋅礦型結(jié)構(gòu)。（Wurtzite structure）72物理與光電工程學(xué)院* *1.4.3 1.4.3 纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu) （Wurtzite structure）73物理與光電工程學(xué)院1.

29、4.4 1.4.4 其他半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)其他半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) 其他：IV-VI族化合物如硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛為氯化鈉型晶體結(jié)構(gòu)74物理與光電工程學(xué)院1.4.5 1.4.5 常見晶體的分類常見晶體的分類 離子晶體：共價(jià)晶體:分子晶體:金屬晶體:75物理與光電工程學(xué)院1.5 合金合金*組成合金的各元素在液態(tài)下互溶后，再固態(tài)下彼此不發(fā)生任何作用(晶粒共混)。76物理與光電工程學(xué)院1.4.1 1.4.1 合金的分類合金的分類合金合金熔合兩種以上的元素(以金屬元素為主)而得到的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。可制作p-n結(jié)，歐姆接觸等。1.機(jī)械混合物機(jī)械混合物2.固溶體固溶體以一種元素的晶格為基礎(chǔ)，合金元素溶入此晶格

30、中并隨機(jī)占領(lǐng)格點(diǎn)位置或間隙位置的固態(tài)溶體。3.金屬間化合物金屬間化合物組成合金的金屬之間構(gòu)成的化合物，其組分有確定值。77物理與光電工程學(xué)院1.4.2 1.4.2 合金相圖合金相圖相圖相圖(相平衡圖相平衡圖)合金的凝固點(diǎn)和溶解點(diǎn)會(huì)因其中組分的不同而不同，描寫合金“相”變或結(jié)晶過程時(shí)合金狀態(tài)隨溫度和組分變化關(guān)系的圖解。形成方法形成方法升溫溶解成液態(tài)，再冷卻結(jié)晶。78物理與光電工程學(xué)院1.4.2 1.4.2 合金相圖合金相圖液相點(diǎn)液相點(diǎn)剛開始出現(xiàn)結(jié)晶時(shí)的溫度點(diǎn)。固相點(diǎn)固相點(diǎn)其結(jié)晶終止時(shí)的溫度點(diǎn)。液相線液相線液相點(diǎn)隨組分變化的軌跡。固相線固相線固相點(diǎn)隨組分變化的軌跡。79物理與光電工程學(xué)院1.4.2 1.4.2 合金相圖合金相圖圖1-22 溶解度無限固溶體的相圖（1）溶解度無限固溶體的相圖）溶解度無限固溶體的相圖-組成無限固溶體的金屬組成無限固溶體的金屬A和金屬和金屬B，在液態(tài)和固態(tài)及任意組分下，彼此均可無限制地互相溶解，在液態(tài)和固態(tài)