河北工业大学电子类专业课固体物理课件1-1

1、固体物理学固体物理学教材：教材： 固体物理学固体物理学，黄昆，韩汝崎编，高等教育出版社黄昆，韩汝崎编，高等教育出版社参考书：参考书： 固体物理学固体物理学（上），方俊鑫，陆栋编，上海科学技术出版社（上），方俊鑫，陆栋编，上海科学技术出版社 固体物理学固体物理学，陆栋，蒋平，徐至中编著，上海科学技术出版社，陆栋，蒋平，徐至中编著，上海科学技术出版社 固体物理教程固体物理教程，王矜奉编著，山东大学出版社，王矜奉编著，山东大学出版社注意事项注意事项1.记好笔记；记好笔记；2.按时交作业（每周二上课交，过时不收）。按时交作业（每周二上课交，过时不收）。3.掌握固体物理的基本概念、思维方法和学习掌握固体

2、物理的基本概念、思维方法和学习方法；针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，方法；针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素，建立模型。突出主要因素，建立模型。 例如：晶体例如：晶体周期性周期性 实验验证实验验证 金属金属电子公有化电子公有化单电子近似单电子近似 能带论。能带论。 本课程的主要目的本课程的主要目的l从内部结构上了解、解释半导体、集成电路的基础材料（硅、锗、砷化镓、磷化铟等晶体）的一些力学、热学及电学性能。l为后续的课程如半导体物理、晶体管原理、集成电路设计、传感器原理等打下基础。与本课程相关的前期基础与本课程相关的前期基础l高等数学l大学（普通）物理l复变函数l线性代数l量子力学力学

3、热学原子物理学电学研究对象：研究对象： 固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。结构结构性质性质用途用途固体的分类固体的分类l晶体：按一定的周期排列，长程有序，有固定的熔点。 例如：天然的岩盐、水晶、人工的半导体材料硅、锗、砷化镓等l非晶体：没有明确的周期性，短程有序，没有固定的熔点。 例如：玻璃、塑料、橡胶等l准晶体：具有长程的取向序，而不存在长程的平移周期性。1984 年在实验中发现了一类和晶体、非晶体都不相同的固体，在这类固体中发现了已经证明在晶体中不可能存在的五重对称轴

4、五重对称轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的固体，称为准晶体。晶态与非晶态微观结构的对比第一章第一章 晶体结构晶体结构晶体的宏观特性1. 均一性从宏观理化性质的角度来讲 (周期性从原子排列的角度来讲）；2.对称性；3.各向异性和解理性。例如，云母、硅片的解理性；4. 自范(限)和晶面角守恒自范性：晶体能自发地形成封闭的几 何多面体。晶面角守恒定律：同一品种的晶体，任意两个对应晶面的夹角不变。5. 稳定性。6. 有固定的熔点。NaCl晶体的若干外形晶体的若干外形石英晶体外形石英晶体外形晶体本身的大小和形晶体本身的大小和形状受生长外界条件影状受生长外界条件影响。响。11晶格实例晶格实例l晶格：晶体

5、中原子排列的具体形式，是用立体图形来表示的一种空间点阵。点代表原子、分子或原子团的重心。一、空间点阵（布拉菲格子）一、空间点阵（布拉菲格子） 基元基元组成晶体的最小结构单元。一个原子、一个分子或一个原子团。 把基元抽象成为一点（点代表原子或原子团的重心），则晶体抽象成为空间点阵。 晶体结构基元基元空间点阵注：晶体中的原子排列方式相同，只是原子不同或原子间距不同，称为具有相同的晶体结构。如硅、锗等。中心干冰晶体结构分析图干冰晶体结构分析图CO2 分子布拉菲格子布拉菲格子：把空间点阵用三组不共面的平行线连起来，形成的空间网格。此时，又把阵点称为格点格点。布拉菲格子（布拉菲格子（B B格子）空间点阵

6、格子）空间点阵说说 明明1.基元中A、B可以是不同的原子，或相同的原子，但周围“ 环境”不同。2.每个基元用一个格点来表示。此格点选在基元的什么地方、代表几个原子并未限制。3.每个基元内所含的原子数晶体中原子的种类数。（同一种元素的原子在其中的位置不同也为不同种原子）4.布拉菲格子（B格子）的基本特征：各格点的情况（基元内涵和周围“环境”）完全相同。5.晶体结构的一种描述：带基元的B格子。 另一种描述：简单格子：晶体由一种原子组成。 一个基元仅有一个原子，即一个原子由一个格点表示。复式格子：晶体由几种原子组成，但各种原子在晶体中的排列方式都是相同的（均为B格子的排列），可以说每一种原子都形成一

7、套布拉菲子格子，整个晶体可以看成是若干排列完全相同的子格子套构而成。复式格子晶体结构复式格子晶体结构复式格子复式格子BB格子格子例：晶体结构 A B 一种描述： 基元 B格子另一种描述： A子格子 B子格子二、二、 常见晶格实例常见晶格实例l致密度致密度（又称空间利用率，堆积比空间利用率，堆积比）：晶体中原子所占体积与晶体总体积之比。l配位数配位数：晶体中一个原子最近邻的原子数。（注意：不是格点数）l原子密度：原子密度：单位体积中的原子数。1.简立方简立方sc（simple cubic）（实际晶体中并不存在此简单格子，但可在此基础上分析复杂的晶体结构）l原胞（晶胞）包含格点（原子）原胞（晶胞）

8、包含格点（原子）数数=1；2.体心立方体心立方bcc (body-centered cubic)金属Li,Na,K,Cs,Fe等。l配位数为配位数为8；l晶胞包含格点（原子）数晶胞包含格点（原子）数2。0.31r03.面心立方面心立方fcc (face-centered cubic)金属Cu,Ag,Au,Al等l 配位数配位数12l 晶胞包含格点（原子）晶胞包含格点（原子）数数4 l 最近邻原子间距？最近邻原子间距？4.六角密积（堆）六角密积（堆）hcp（hekagonas closed packed）Be,Mg,Zn等l 配位数配位数12l 晶胞包含格点数晶胞包含格点数3 l 基元内原子数基

9、元内原子数=2l 晶胞包含原子数晶胞包含原子数65.金刚石结构金刚石结构(diamond structure) Si,Gel两个两个fcc子格子沿对角线相对子格子沿对角线相对位移位移1/4体对角线长度套构而体对角线长度套构而成。成。l B格子与子格子相同格子与子格子相同fcc l 晶胞包含格点数晶胞包含格点数4l 基元内原子数基元内原子数2 （同种（同种元素）元素）l 晶胞包含原子数晶胞包含原子数2x4=8l 配位数配位数46.氯化钠结构氯化钠结构 NaF,NaBr,NaI,KF等等l Na,Cl分别分别为为fcc子格子，沿子格子，沿立方边位移立方边位移a/2套套构而成。构而成。l B格子格子

10、= fccl 配位数配位数=67.氯化铯结构氯化铯结构 CsBr,CsI等等l与体心立方相似，但是由两与体心立方相似，但是由两种离子构成，体心上是一种，种离子构成，体心上是一种，顶角上是另一种。顶角上是另一种。 l Cs，Cl离子分别为简立离子分别为简立方（方（SC）子格子。）子格子。l B格子格子SCl 基元内原子数基元内原子数2 l晶胞包含原子数晶胞包含原子数2l 配位数配位数88.闪锌矿结构闪锌矿结构 ZnS,GaAs,InP,GaP等等与金刚石结构相似，只是处于立方体对与金刚石结构相似，只是处于立方体对角线上的原子与面心立方上的原子为不角线上的原子与面心立方上的原子为不同种元素。同种元

11、素。练习练习1：根据离子晶体的晶胞结构，判断下根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）表示阳离子）AB化学式：化学式：A2BAB化学式：化学式：练习练习2：根据离子晶体的晶胞结构，判断下根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）表示阳离子）ABB化学式：化学式：A练习练习3：根据离子晶体的晶胞结构，判断下根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）表示阳离子）CABC3练习练习4：在干冰晶体中，平均每个晶胞（如图）占有CO2分子的个数为_4_，每个CO2分子

12、周围有_12_个与之紧邻且等距的CO2分子.练习练习5：右图是石英右图是石英晶体平面示意图（它晶体平面示意图（它实际上是立体的网状实际上是立体的网状结构）结构）,其中硅、氧其中硅、氧原子数之比为原子数之比为_.1:2练习练习6：晶体的层状结构，层内晶体的层状结构，层内为平面正六边形结构（如图），为平面正六边形结构（如图），试回答下列问题：试回答下列问题：（1）图中平均每个正六边形占）图中平均每个正六边形占有有C原子数为原子数为_个、占有的碳个、占有的碳碳键数为碳键数为_个。个。（2）层内）层内7个六元环完全占有个六元环完全占有的的C原子数为原子数为_个，碳原子个，碳原子数目与碳碳化学键数目之比

13、为数目与碳碳化学键数目之比为_.14142:32:32 23 3练习练习7：在离子晶体中，阴、阳离在离子晶体中，阴、阳离子按一定规律在空间排列，如图子按一定规律在空间排列，如图是是NaCl的晶体结构，已知的晶体结构，已知Na+与与Cl的最近距离为的最近距离为a cm。（1）在）在NaCl晶体中，每个晶体中，每个Na+ 同时吸引同时吸引 个个Cl，每个每个Na+ 周围与之最接近且距离相等的周围与之最接近且距离相等的Na+ 共有共有 个，个，Na+ 数目和数目和Cl-数目之比为数目之比为 ；（2）NaCl晶体的晶体的密度 .（已知（已知NaCl的摩尔质量为的摩尔质量为58.5 g/mol）。）。6121 1ANa325 .58（1）晶体中每个）晶体中每个Y同时吸引着同时吸引着 4 个个X，每个每个X同时吸引着同时吸引着 8 个个Y，该晶体的化学式为，该晶体的化学式为 Y2X或或XY2 。（2）晶体中在每个）晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的周围与它最接近且距离相等的X共共有有 12 个。个。（3）晶体中距离最近的）晶体中距离最近的2个个X与一个与一个Y形成的夹角形成的夹角（XYX）为（填角的度数）为（填角的度数） 10928 。（4