1、半導體物理王引書2014.9半導體的發展歷程半導體的發展歷程半導體物理學研究內容半導體物理學研究內容 半導體物理是研究半導體的各種物理性質半導體物理是研究半導體的各種物理性質 及其內在規律的一門學科，是凝聚態物理領及其內在規律的一門學科，是凝聚態物理領域中的一個活躍分支域中的一個活躍分支, ,也是半導體科學技術也是半導體科學技術（光電、微電子器件）發展的重要物理基礎（光電、微電子器件）發展的重要物理基礎. . 載體是半導體材料。載體是半導體材料。半導體材料的分類半導體材料的分類按照結構：晶態半導體、非晶態半導體按照結構：晶態半導體、非晶態半導體按照材料的組成：無機半導體、有機半導體按照材料的組

2、成：無機半導體、有機半導體按照尺度：按照尺度： 體相體相( (通常所指通常所指) )半導體、低維半導體、低維半導體半導體按照能帶的寬窄：寬帶半導體、窄帶半導體按照能帶的寬窄：寬帶半導體、窄帶半導體按照電子的能帶結構：直接禁帶半導體、間按照電子的能帶結構：直接禁帶半導體、間接禁帶半導體接禁帶半導體.半導體的發展歷程半導體的發展歷程半導體的發展概況半導體的發展概況 上世紀上世紀40-5040-50年代：半導體物理從固體物理中年代：半導體物理從固體物理中獨立，形成一門獨立的學科。獨立，形成一門獨立的學科。 l19471947年年1212月月2323日第一塊晶體管在貝爾實驗室日第一塊晶體管在貝爾實驗室

3、誕生誕生,引發了電子技術的重大變引發了電子技術的重大變l1958-591958-59年：德克薩斯儀器公司（年：德克薩斯儀器公司（TITI）公司與）公司與仙童公司（仙童公司（ Fairchild semiconductor ）研究人員間隔數月分別研究人員間隔數月分別發明了集成電路發明了集成電路, ,開開創了世界微電子學的歷史創了世界微電子學的歷史 材料只要以材料只要以GeGe為主，為主，Si Si的研制處于初期的研制處于初期John Bardeen(左)、William Shockley (坐) Walter Brattain共同發明了晶體管1956年諾貝爾物理學獎 1955 年年 Willia

4、m Shockley離開貝爾實驗室離開貝爾實驗室回回圣克圣克拉拉創建拉拉創建“肖克利半導體實驗室肖克利半導體實驗室” . “硅谷的摩西硅谷的摩西”羅伯特羅伯特諾依斯（諾依斯（Robert NoyceRobert Noyce）戈登戈登摩爾（摩爾（Gordon MooreGordon Moore）朱利亞斯朱利亞斯布蘭克布蘭克Julius BlankJulius Blank）尤金尤金克萊爾（克萊爾（Eugene KleinerEugene Kleiner）金金赫爾尼（赫爾尼（Jean HoerniJean Hoerni）杰杰拉斯特（拉斯特（Jay LastJay Last）謝爾頓謝爾頓羅伯茨羅伯茨(

5、Sheldon Roberts) (Sheldon Roberts) 和維克多和維克多格里尼克格里尼克(Victor (Victor Grinich) Grinich) 八叛逆八叛逆l 八人接受位于紐約的仙童攝影器材公司的資助，于八人接受位于紐約的仙童攝影器材公司的資助，于19571957年，創辦了仙童半導體公司。半導體人才的搖年，創辦了仙童半導體公司。半導體人才的搖籃籃. .l 1968, Robert Noyce 1968, Robert Noyce 和和 Gordon Moore Gordon Moore 脫離仙童，脫離仙童，成立了今天計算機行業的老大成立了今天計算機行業的老大英特爾公司

6、英特爾公司 (Intel).l 19591959年年2 2月，德克薩斯儀器公司月，德克薩斯儀器公司（TITI）工程師基爾比（）工程師基爾比（ Jack S. Jack S. Kilby Kilby ）申請第一個集成電路發）申請第一個集成電路發明專利明專利集成電路之父集成電路之父. . l 除了集成電路，他還在其它兩項除了集成電路，他還在其它兩項發明中發揮了關鍵作用，一個是發明中發揮了關鍵作用，一個是手持電子計算器，另一個是熱敏手持電子計算器，另一個是熱敏打印機。基爾比一共持有打印機。基爾比一共持有6060項電項電子發明專利。子發明專利。 l 憑借在發明集成電路方面所取憑借在發明集成電路方面所取

7、得的成就，得的成就，20002000年他與若爾年他與若爾斯斯阿爾費羅夫、赫伯特阿爾費羅夫、赫伯特克勒克勒默獲得諾貝爾物理學獎。默獲得諾貝爾物理學獎。半導體的發展概況半導體的發展概況 上世紀上世紀60-7060-70年代：年代：l第一個第一個MOSFETMOSFET問世問世: : 1960 Bell Lab.1960 Bell Lab. 的的D.KahngD.Kahng和和Martin AtallaMartin Atalla首次實作成功研制了首次實作成功研制了MOSFETMOSFET。目。目前廣泛用于大型集成電路中（在模擬電路與數字電前廣泛用于大型集成電路中（在模擬電路與數字電路中的微處理器、微

8、控制器等）路中的微處理器、微控制器等）. .l19631963年年: CMOS: CMOS電路問世電路問世. . 1963 1963年年Fairchild SemiconductorFairchild Semiconductor 的的Frank Frank Wanlass Wanlass發明了發明了CMOSCMOS電路。電路。 1968 1968年美國無線電公司年美國無線電公司(RCA)(RCA)成功研發出第一成功研發出第一 個個CMOSCMOS集成電路集成電路(Integrated Circuit(Integrated Circuit） l19691969年，單晶體管的存儲器問世年，單晶體管

9、的存儲器問世 IBM IBM的迪納的迪納 (R. H. Dennard) (R. H. Dennard) 發明了只需一個晶體發明了只需一個晶體管和一個電容器，就可以儲存一個位元的記憶單元管和一個電容器，就可以儲存一個位元的記憶單元l19711971：世界上第一個微處理器：世界上第一個微處理器40044004誕生誕生 美國英特爾公司美國英特爾公司 (Intel) (Intel) 推出的微處理器，包括推出的微處理器，包括一個四位元的平行加法器、十六個四位元的暫存器、一個四位元的平行加法器、十六個四位元的暫存器、一個儲存器一個儲存器 (accumulator) (accumulator) 與一個下推

10、堆疊與一個下推堆疊 (push-(push-down stack)down stack)，共計約二千三百個晶體管，共計約二千三百個晶體管 器件材料和工藝逐漸由器件材料和工藝逐漸由GeGe基專向基專向SiSi基基我國半導體的發展概況我國半導體的發展概況1956: 1956: 半導體被國家列為重點學科。半導體被國家列為重點學科。 由北大、復旦、南大，吉大聯合由北大、復旦、南大，吉大聯合 聘請黃昆，謝希德、林蘭英、王守武等為首成聘請黃昆，謝希德、林蘭英、王守武等為首成立半導體物理專業立半導體物理專業我國半導體的發展概況我國半導體的發展概況19571957年，北京電子管廠通過還原氧化鍺，拉出年，北京電

11、子管廠通過還原氧化鍺，拉出了鍺單晶。中國科學院應用物理研究所和二機了鍺單晶。中國科學院應用物理研究所和二機部十局第十一所開發鍺晶體管。當年，中國相部十局第十一所開發鍺晶體管。當年，中國相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管（即晶體繼研制出鍺點接觸二極管和三極管（即晶體管）。管）。19601960年中科院在北京建立半導體研究所，同年年中科院在北京建立半導體研究所，同年在河北建立工業性專業化研究所在河北建立工業性專業化研究所第十三所第十三所目前：半導體領域取得了長足的進展：目前：半導體領域取得了長足的進展：集成電路的尺寸達到集成電路的尺寸達到28 nm 28 nm 一下一下40-5040-50年代材料年

12、代材料GeGe、Si Si為代表的材料、器件和工藝為代表的材料、器件和工藝60-7060-70年代，年代，III-III-化合物半導體，化合物半導體，GaAsGaAs70-8070-80年代：量子阱超晶格等年代：量子阱超晶格等9090年代：帶半導體寬帶年代：帶半導體寬帶GaN , SiCGaN , SiC2121世紀：納米時代（量子時代）量子控制世紀：納米時代（量子時代）量子控制物理上研究對象物理上研究對象從從體材料到納米材料從從體材料到納米材料晶體晶體非晶體非晶體從體內從體內表面表面界面界面從天然材料從天然材料人工材料人工材料器件從單個元件器件從單個元件集成集成納米器件納米器件目前：廣泛的交

13、叉領域目前：廣泛的交叉領域l 對于低維材料，通常按晶體的各個方向尺寸與電對于低維材料，通常按晶體的各個方向尺寸與電子德布羅意波長的比較，將低維晶體通常分為：子德布羅意波長的比較，將低維晶體通常分為： 量子阱量子阱 納米片納米片/帶帶 量子線量子線 納米線納米線/納米棒納米棒 量子點量子點 納米顆粒納米顆粒1969年江崎和朱兆祥提出如將年江崎和朱兆祥提出如將材料的成分或摻雜情況做周期性材料的成分或摻雜情況做周期性的變化，形成超晶格的變化，形成超晶格量子尺寸效應The catalyst dots are defined by lithography or nanoimprinting,and th

14、e nanotubes are then grown by PECVD. 可制作 納米發電機 Semiconductor Nanowires: From Self-Organization toPatterned GrowthHong Jin Fan, Peter Werner, and Margit Zacharias復合結構復合結構 單層石墨烯反常量子霍爾效應單質半導體：單質半導體：Ge, Si, 金剛石金剛石Growth of Semiconductor Growth of Semiconductor 生長方法生長方法u單晶的制備單晶的制備大尺寸大尺寸 uLPE LPE （Liquid-

15、Phase EpitaxyLiquid-Phase Epitaxy）uMBE (Molecular Beam Epitaxy)MBE (Molecular Beam Epitaxy)精確控制精確控制uVPE (Vapor-Phase Epitaxy)VPE (Vapor-Phase Epitaxy)uCVD (Chemical Phase Deposition)CVD (Chemical Phase Deposition)uMOCVD (Metal-Organic CVD)MOCVD (Metal-Organic CVD)u LPCVD (Low Pressure CVD) LPCVD (Lo

16、w Pressure CVD)uPRCVD (Plasma Enhanced Epitaxy)PRCVD (Plasma Enhanced Epitaxy)半導體物理的背景知識半導體物理的背景知識l量子力學量子力學l固體物理固體物理l統計物理統計物理本課程的內容和目標本課程的內容和目標課本課本1-81-8章中章中7-87-8視你們時間安排和需求視你們時間安排和需求來定來定掌握半導體的基本結構、缺陷的描述掌握半導體的基本結構、缺陷的描述及與其性能的關系及與其性能的關系半導體中載流子的分布、輸運半導體中載流子的分布、輸運 、產生、產生和復合的機理和復合的機理簡單的單個器件的結構，特性及與材簡單的單

17、個器件的結構，特性及與材料的關系料的關系 第一章 晶體結構和結合性質晶體：周期性排列的原子（分子、離子）組成的物質1.1 1.1 晶體結構晶體結構1.11 1.11 晶格的周期性晶格的周期性自然界中的晶體結構千變萬化，但有些可能具有相同自然界中的晶體結構千變萬化，但有些可能具有相同的周期，周期性相同，會有許多共性，所以晶體可以的周期，周期性相同，會有許多共性，所以晶體可以按周期性分類按周期性分類基本概念：晶格基本概念：晶格, , 晶胞晶胞, , 原胞原胞 ； 簡單晶格簡單晶格, ,復式晶格；平移對稱性；復式晶格；平移對稱性； 晶向晶向, ,晶面及其標定晶面及其標定晶格：晶體周期排列的方式晶格：

18、晶體周期排列的方式 描述晶體周期性的排列描述晶體周期性的排列 周期排列的單元周期排列的單元 平行六面體（平行六面體（3 3維）維） 平行四邊形（平行四邊形（2 2維）維） 實際晶體結構實際晶體結構 晶格晶格ClCsCu重復的選取存在任意性，一般有兩種，原則：重復的選取存在任意性，一般有兩種，原則：最小的重復單元最小的重復單元 原胞原胞最大限度地反映晶體對稱性的最小單最大限度地反映晶體對稱性的最小單 元元 單胞（晶體學晶胞）單胞（晶體學晶胞）簡單晶格：只有一種等價原子的晶格簡單晶格：只有一種等價原子的晶格, , 原胞含原胞含1 1個個原子。原子。復式晶格：兩種或兩種以上不等價原子組成的晶復式晶格

19、：兩種或兩種以上不等價原子組成的晶格格, ,原胞含兩個或兩個以上原子。原胞含兩個或兩個以上原子。等價含義等價含義: :(a)(a)化學性質相同化學性質相同, ,即同一元素、同一價態即同一元素、同一價態 (b)(b)幾何環境相同幾何環境相同, ,即與周圍原子幾何位置的相對關系即與周圍原子幾何位置的相對關系一致一致 復式格子特點：復式格子特點：其每一種原子構成一簡單晶格其每一種原子構成一簡單晶格; ; 不同等價原子構成的不同等價原子構成的簡單晶格形狀、大小完全一致簡單晶格形狀、大小完全一致; ; 不同等價原子間的晶不同等價原子間的晶格相互有格相互有 一平移一平移原胞就是對應簡單晶格的原胞原胞就是對

20、應簡單晶格的原胞每個原胞含的原子數是每種等每個原胞含的原子數是每種等 價原子各一個價原子各一個a1a22 2維蜂房結構維蜂房結構采用簡單格子和復式格子描采用簡單格子和復式格子描 述晶格的周期性不方便述晶格的周期性不方便引進布拉菲格子來描述引進布拉菲格子來描述晶體晶體 的周期性的周期性 布拉菲格子的每一個格點代表一個原胞布拉菲格子的每一個格點代表一個原胞 晶體結構晶體結構 = =布拉菲布拉菲格子格子 + + 基元基元 基元：組成晶體的原子、離子、分子或原子團基元：組成晶體的原子、離子、分子或原子團自然界的晶體多種多樣自然界的晶體多種多樣，按晶體排列的方式分類只按晶體排列的方式分類只有十四種有十四

21、種BraviasBravias格子。格子。點點陣陣基基元元晶體結構 1414種種BraviasBravias格子格子. .按照對稱性高低依次按照對稱性高低依次: : 單斜單斜 三斜三斜 正交正交 四方四方 六角六角 三角三角 立方立方. . 三斜單斜正交四方六角三角正方布啦菲格子：選用一個平行六面體（平行四布啦菲格子：選用一個平行六面體（平行四邊形）來描述晶體的周期性邊形）來描述晶體的周期性原胞和單胞（晶體學晶胞）原胞和單胞（晶體學晶胞）基矢基矢 ：原胞平行六面體的三個邊矢量，：原胞平行六面體的三個邊矢量， 原胞平行四邊形的兩個邊矢量。原胞平行四邊形的兩個邊矢量。點陣的平移矢量點陣的平移矢量

22、：BraviasBravias格子格點位置：格子格點位置：平移對稱性：整個晶體按平移對稱性：整個晶體按 平移，晶格自重合平移，晶格自重合晶體結構對稱性晶體結構對稱性 : : 一般物理量具有平移對稱性一般物理量具有平移對稱性332211alalalR321aaa,332211alalalRR晶向、晶面和它們的標志（各向異性）晶向、晶面和它們的標志（各向異性） 研究或描述晶體的性質或內部發生的某過程時，常研究或描述晶體的性質或內部發生的某過程時，常常要指明晶體中的某個方向或某個方位的晶面。因常要指明晶體中的某個方向或某個方位的晶面。因而需要建立一套標志方向的參量。而需要建立一套標志方向的參量。 （

23、1 1）晶列）晶列（2 2）晶向及其標志。）晶向及其標志。晶列的方向稱晶列的方向。晶列的方向稱晶列的方向。沿晶列方向連接晶列上相鄰的沿晶列方向連接晶列上相鄰的 格點，其位矢為：格點，其位矢為： 用用l l1 1,l ,l2 2 ,l ,l3 3標記晶向，記為標記晶向，記為l l1 1l l2 2l l3 3 ， 稱晶向指數。稱晶向指數。332211alalalr用單胞基矢用單胞基矢 , ,沿晶列方向從連接晶列上相鄰的格點的位沿晶列方向從連接晶列上相鄰的格點的位矢為：矢為： ( (有理數定律有理數定律) ) 如果如果l l1 1,l,l2 2 ,l,l3 3為為互質整數，用互質整數，用ll1 1

24、l l2 2l l3 3 標記晶向標記晶向 如果如果l l1 1,l,l2 2 ,l,l3 3不不互質，化為互質整數，使互質，化為互質整數，使 m:n:p= lm:n:p= l1 1,l,l2 2 ,l,l3 3, , 用用m n pm n p表示晶向，也稱晶向指數表示晶向，也稱晶向指數. .出現負數，頂上加一橫表示出現負數，頂上加一橫表示, ,如：如： 等效晶向等效晶向 clblalr321cba,100abc001001 010100111110 111 （3 3）晶面及密勒指數）晶面及密勒指數通過Bravias格子的任意三個不共線格點可以作一個平面，稱晶面晶面具有特殊的重要性，晶面具有特

25、殊的重要性，X-rayX-ray衍射研究晶體結構，衍射衍射研究晶體結構，衍射斑點和一定的晶面族對應。明確標定不同晶面簇顯得很重斑點和一定的晶面族對應。明確標定不同晶面簇顯得很重要。要。指明晶面的方向，給出晶面在三個坐標軸上的截距或晶面指明晶面的方向，給出晶面在三個坐標軸上的截距或晶面法線方向。法線方向。（4 4）晶面指數和密勒指數）晶面指數和密勒指數 若一族晶面族，離原點最近晶面在三若一族晶面族，離原點最近晶面在三個基矢軸上的截距為：個基矢軸上的截距為：sasa1 1,ra,ra2 2, ta, ta3 3用用(h(h1 1h h2 2h h3 3) )標記晶面。稱晶面指數。標記晶面。稱晶面指

26、數。 * * 實際中常用單胞的基矢實際中常用單胞的基矢 為坐標為坐標軸來表示晶面指數。軸來表示晶面指數。 晶面在三個基矢軸上的截距為：晶面在三個基矢軸上的截距為：r r1 1a,sa,s1 1b,tb,t1 1c c 用用(hkl)(hkl)表示，稱密勒指數。表示，稱密勒指數。 * * 指數為指數為出現負數，頂上加一橫表示出現負數，頂上加一橫表示. .cba,sa1ta3ra2o321:1:1:1hhhtrslkhtsr:1:1:1111* * 由于對稱性，在物理上完全等價的晶面族也可以統由于對稱性，在物理上完全等價的晶面族也可以統一表示為一表示為 hkl hkl 如立方體中有如立方體中有6

27、6個個等價等價(100)(100)、 6 6個等價個等價(110(110） 8 8個等價個等價(111)(111)面。面。同一晶系中同一晶系中, ,都按最簡單結構表示晶面都按最簡單結構表示晶面, ,如面心立方有如面心立方有心的面與簡單立方中的心的面與簡單立方中的(100)(100)一樣，但有時考慮表面時一樣，但有時考慮表面時, ,特指（特指（200200）面）面. .1.12 1.12 典型半導體晶體結構典型半導體晶體結構 (1) (1) 金剛石結構金剛石結構半導體半導體GeGe、SiSi等等金剛石(2) (2) 閃鋅礦結構閃鋅礦結構III-VIII-V族半導體族半導體GaAs ,InSb,G

28、aPGaAs ,InSb,GaP II-VI II-VI族族( (立方立方ZnS), CuCl.ZnS), CuCl.(3) NaCl (3) NaCl 結構結構半導體半導體PbS,PbSe,PbTePbS,PbSe,PbTe(4(4) ) 纖鋅礦結構纖鋅礦結構II-VIII-VI半導體大多具有該結構半導體大多具有該結構CdS, ZnS. MgTe, ZnTeCdS, ZnS. MgTe, ZnTe1.2 1.2 半導體的結合性質半導體的結合性質 原子化學鍵有原子化學鍵有3 3種種: : 離子鍵、共價鍵和金屬鍵離子鍵、共價鍵和金屬鍵 相應的晶體稱離子晶體、共價晶體、金屬晶體相應的晶體稱離子晶體

29、、共價晶體、金屬晶體 還有一種晶體不是化學鍵結合：靠范得瓦爾斯還有一種晶體不是化學鍵結合：靠范得瓦爾斯結合結合 在半導體中，結合主要以共價鍵和離子鍵結合在半導體中，結合主要以共價鍵和離子鍵結合 晶體結合形式，結合結構和晶體的性質決定于各晶體結合形式，結合結構和晶體的性質決定于各元素性質元素性質 晶體的許多性質往往和結合性質有明顯聯系晶體的許多性質往往和結合性質有明顯聯系 1.2.1 共價結合和離子結合共價結合：共價結合： 典型的是典型的是IVIV元素元素C C、SiSi、GeGe、SnSn以共價鍵結合以共價鍵結合共價結合的共價結合的 特點：飽和性和方向性特點：飽和性和方向性飽和性：由于原子同其

30、它原子形飽和性：由于原子同其它原子形成共價鍵時，形成共價鍵的數目有一個成共價鍵時，形成共價鍵的數目有一個最大值，取決于未配對的電子數目。最大值，取決于未配對的電子數目。 飽和性規律：同種原子形成共價鍵，鍵數取決于未配對飽和性規律：同種原子形成共價鍵，鍵數取決于未配對電子數。滿殼層電子數為電子數。滿殼層電子數為8 8，成鍵數目，成鍵數目=8-N=8-N，N N為原子外層為原子外層電子數電子數. . 不同原子形成共價鍵時，鍵數取決于兩原子外層電子的平不同原子形成共價鍵時，鍵數取決于兩原子外層電子的平均數，如均數，如GaAs, GaGaAs, Ga原子外層原子外層3 3個價電子，個價電子，AsAs外

31、層外層5 5個價電子，個價電子，成鍵數為成鍵數為4.4.共價晶體的物性：共價晶體的物性：共價鍵是結合比較強的鍵，形成的晶體硬度高、熔點高、共價鍵是結合比較強的鍵，形成的晶體硬度高、熔點高、導電性差，不是半導體就是絕緣體。導電性差，不是半導體就是絕緣體。離子性結合離子性結合 周期表中周期表中 IVIIIVII族（堿金屬族（堿金屬鹵族）和鹵族）和 IIVIIIVI元素主要元素主要以這種方式結合以這種方式結合. . 結構特點結構特點 從力的特點可以推斷：其近鄰一定是異性離子，如從力的特點可以推斷：其近鄰一定是異性離子，如NaClNaCl，CsClCsCl，因此不能出現密堆積，因此不能出現密堆積(12

32、(12個近鄰個近鄰).).最近鄰個數為最近鄰個數為8 8，6 6 配位數：最近鄰的個數配位數：最近鄰的個數 密排面：原子密度最大的晶面密排面：原子密度最大的晶面 物性特點物性特點 結合形成的晶體穩定、硬度比較大、熔點比較高、熱膨脹結合形成的晶體穩定、硬度比較大、熔點比較高、熱膨脹系數小、導電性差。系數小、導電性差。 負電性與結合性質負電性與結合性質 原子（分子）結合成固體，其結合力：電相互作用。原子（分子）結合成固體，其結合力：電相互作用。 原子之間結合規律由原子束縛外層電子的能力確定決定原子之間結合規律由原子束縛外層電子的能力確定決定兩個原子：兩個原子： 一個失去電子，一個得到電子，形成離子

33、鍵一個失去電子，一個得到電子，形成離子鍵. . 如如I-III-II族族的的NaClNaCl兩個原子：都得到電子，形成共價鍵兩個原子：都得到電子，形成共價鍵. . 如如IV-IVIV-IV族的族的Si, GeSi, Ge兩個原子：都失去電子，形成金屬鍵兩個原子：都失去電子，形成金屬鍵. . 如如I I族的族的Li, Na, KLi, Na, K如何描述電子原子得失電子的能力如何描述電子原子得失電子的能力？ 原子束縛電子的能力由原子的負電性描述原子束縛電子的能力由原子的負電性描述. . 由電離能和親和能確定由電離能和親和能確定. . 定義：定義： 原子負電性原子負電性=0.18(=0.18(電離

34、能電離能+ +親和能親和能)eV (0.18)eV (0.18使使LiLi負電性負電性=1eV)=1eV) 電離能：一個原子失去一個電子形成正離子所需的能量，一般電離能：一個原子失去一個電子形成正離子所需的能量，一般指第一電離能。指第一電離能。 親和能親和能: : 一個中性原子得到一個電子形成負離子的所放出的能量一個中性原子得到一個電子形成負離子的所放出的能量 原子負電性的變化規律：原子負電性的變化規律： 同一周期，從左向右，負電性增大同一周期，從左向右，負電性增大 同一族，從上到下，負電性減小同一族，從上到下，負電性減小v從原子負電性可以看出原子之間的結合規律從原子負電性可以看出原子之間的結

35、合規律 同種元素：同種元素： 負電性小，原子易失去電子，結合形成金屬鍵；負電性小，原子易失去電子，結合形成金屬鍵； 負電性大，電子不易失去，形成共價鍵負電性大，電子不易失去，形成共價鍵不同元素：不同元素： 負電性差大，以離子鍵結合負電性差大，以離子鍵結合 負電性差小，負電性都強，以共價鍵結合負電性差小，負電性都強，以共價鍵結合 負電性都弱，以金屬鍵結合負電性都弱，以金屬鍵結合, , 如如AlFeAlFe1.2.2 1.2.2 共價四面體結構共價四面體結構 金剛石結構，金剛石結構，閃鋅礦和纖鋅礦結構中原子之間以共價鍵閃鋅礦和纖鋅礦結構中原子之間以共價鍵結合，形成四面體結構。其共價鍵是結合，形成四

36、面體結構。其共價鍵是spsp3 3雜化鍵：電子波函雜化鍵：電子波函數：數： 價電子云集中在四面體頂角價電子云集中在四面體頂角共價半徑：共價半徑：ABAB配位數相同的共價晶體，其鍵長：配位數相同的共價晶體，其鍵長：L LABAB=r=rA A+r+rB B (r(rA A,r,rB B為原子的半徑為原子的半徑) )(212221pzpypxsh)(212222pzpypxsh)(212223pzpypxsh)(212224pzpypxsh1.2.3 1.2.3 混合鍵混合鍵共價鍵于離子鍵的過度問題共價鍵于離子鍵的過度問題 當兩種不同原子形成共價鍵時，當兩種不同原子形成共價鍵時，電子為兩原子共有電

37、子為兩原子共有, ,但偏向一方，但偏向一方，鍵具有一定的離子性鍵具有一定的離子性 離子性存在：負電性差大的元離子性存在：負電性差大的元素形成的素形成的A A8-N8-NB BN N的四面體結構的的四面體結構的化合物化合物纖鋅礦結構；纖鋅礦結構； 負電性差小的負電性差小的閃鋅礦結構閃鋅礦結構 閃閃 纖纖如何描述過渡態？如何描述過渡態？實際中常用電離度表示共價鍵中離子鍵的成分。實際中常用電離度表示共價鍵中離子鍵的成分。PaulingPauling根據原子的負電性了電離度的標度方法根據原子的負電性了電離度的標度方法, , 定義鍵的離定義鍵的離子性子性fifi： f fi i : 0-1 : 0-1之

38、間之間其其x xA A、x xB B分別為分別為A A、B B原子的負電性原子的負電性 PhillipsPhillips考慮了內層電子的影響，考慮了內層電子的影響， 定義的電離度為：定義的電離度為： E Eg g成鍵態與反成鍵態之間的能量間隙成鍵態與反成鍵態之間的能量間隙E Eh h共價結合的成分共價結合的成分E Eh h的貢獻的貢獻C C離子結合成分的貢獻離子結合成分的貢獻f fi i 與與PaulingPauling定義結果有相同的變化趨勢定義結果有相同的變化趨勢. . 421/)(BAxxief222CEEhg222CECfhi按照按照PhillipsPhillips的定義，對的定義，對

39、6060多種多種A A8-N8-N B BN N型化合物的統計結果表型化合物的統計結果表明：明： 當當 f fi i 0.785 0.785，晶體取，晶體取6 6配位的配位的NaClNaCl結構結構 f fi i 0.785 0.785，晶體取，晶體取4 4配位的纖鋅礦或閃鋅礦結構配位的纖鋅礦或閃鋅礦結構1.3 1.3 晶格缺陷晶格缺陷 實際單晶中仍存在各種缺陷，實際單晶中仍存在各種缺陷， 按缺陷的線度分：按缺陷的線度分：點缺陷：熱缺陷，外來原子，復合點缺陷點缺陷：熱缺陷，外來原子，復合點缺陷 線缺陷：位錯線，位錯環線缺陷：位錯線，位錯環 面缺陷：晶界，層錯面缺陷：晶界，層錯Imperfect

40、ions in SolidsImperfections in Solids Lattice thermal vibrationLattice thermal vibration Point DefectsPoint Defects Vacancy defect: An atom may be missingfrom a particular Vacancy defect: An atom may be missingfrom a particular lattice site.lattice site. Interstitial defect: An atom may be locatedIn

41、terstitial defect: An atom may be located between lattice between lattice sites.sites. Vacancy + Interstitial = Fenkel DefectVacancy + Interstitial = Fenkel Defect Line Defects (dislocation): An entire row of atoms is missing Line Defects (dislocation): An entire row of atoms is missing from its nor

42、mal lattice sitesfrom its normal lattice sites Facet defectFacet defectImperfections in SolidsImperfections in SolidsinterstitialsVacancies1.3.1 1.3.1 原子晶體中的點缺陷原子晶體中的點缺陷 晶體中熱缺陷晶體中熱缺陷間隙原子和空位間隙原子和空位- -由熱運動產生，無法消由熱運動產生，無法消除除. .其產生方式多樣，一定溫度達到統計平衡其產生方式多樣，一定溫度達到統計平衡. . 在在SiSi、GeGe中，空位的影響小中，空位的影響小, , 但為替位雜

43、質的擴散提供了但為替位雜質的擴散提供了途徑途徑, ,此外，空位具體會形成此外，空位具體會形成“微缺陷微缺陷”（VoidVoid）晶體中空位晶體中空位- -間隙原子的積：間隙原子的積：kTWIIIeNn/ kTWIVIFeNNnn只與溫度有關只與溫度有關質量作用定理：反應物濃度的乘積與生成物濃度的乘積之比為與溫度有關的常數把空位和間隙原子看成反應物，晶格原子和間隙位置看成生成物，則根據質量作用定律： 晶格原子和間隙位置在反應中可以認為不變：則： WF為反應釋放能 )()(TKTfNNnnIVI)()(TKTfNNnnIVIkTWIVIFeNNnnkTWFCeTK)(化合物中的熱缺陷：化合物中的熱

44、缺陷：ABAB化合物：化合物：A A空位空位 A A間隙原子間隙原子 A A原子原子 占占B B原原子位置子位置B B空位空位 B B間隙原子間隙原子 B B原子原子 占占A A原原子位置子位置反位缺陷1.3.3 位錯與層錯位錯與層錯 位錯位錯: 刃位錯刃位錯 螺位錯螺位錯 混合位錯混合位錯 位錯可用一矢量位錯可用一矢量b來描述，稱為滑移矢量來描述，稱為滑移矢量(或或Burgers矢量矢量)。位錯線不可能終止于晶體內部，它們位錯線不可能終止于晶體內部，它們或者在晶體表面露頭，或在形成環或者在晶體表面露頭，或在形成環. 刃螺混合60度 位錯（混合位錯）對材料性能的影響位錯（混合位錯）對材料性能的影響(a) (a) 給出電子或接受電子給出電子或接受電子（III-VIII-V中中IIIIII原子懸掛鍵原子懸掛鍵 形成飽和鍵形成飽和鍵,V,V提供電子提供電子(b) (b) 吸收或產生空位和間隙原子，發生攀移吸收或產生空位和間隙原子，發生攀移(c) (c) 位錯周圍存在畸變：雜質聚集位錯周圍存在畸變：雜質聚集位錯密度：單位體積位錯線長度或單位面積露頭個數位錯密度：單位體積位錯線