第一章晶体结构与结合性质[1]-2014-9(1)

1、半导体物理王引书2014.9半导体的发展历程半导体的发展历程半导体物理学研究内容半导体物理学研究内容 半导体物理是研究半导体的各种物理性质半导体物理是研究半导体的各种物理性质 及其内在规律的一门学科，是凝聚态物理领及其内在规律的一门学科，是凝聚态物理领域中的一个活跃分支域中的一个活跃分支, ,也是半导体科学技术也是半导体科学技术（光电、微电子器件）发展的重要物理基础（光电、微电子器件）发展的重要物理基础. . 载体是半导体材料。载体是半导体材料。半导体材料的分类半导体材料的分类按照结构：晶态半导体、非晶态半导体按照结构：晶态半导体、非晶态半导体按照材料的组成：无机半导体、有机半导体按照材料的组

2、成：无机半导体、有机半导体按照尺度：按照尺度： 体相体相( (通常所指通常所指) )半导体、低维半导体、低维半导体半导体按照能带的宽窄：宽带半导体、窄带半导体按照能带的宽窄：宽带半导体、窄带半导体按照电子的能带结构：直接禁带半导体、间按照电子的能带结构：直接禁带半导体、间接禁带半导体接禁带半导体.半导体的发展历程半导体的发展历程半导体的发展概况半导体的发展概况 上世纪上世纪40-5040-50年代：半导体物理从固体物理中年代：半导体物理从固体物理中独立，形成一门独立的学科。独立，形成一门独立的学科。 l19471947年年1212月月2323日第一块晶体管在贝尔实验室日第一块晶体管在贝尔实验室

3、诞生诞生,引发了电子技术的重大变引发了电子技术的重大变l1958-591958-59年：德克萨斯仪器公司（年：德克萨斯仪器公司（TITI）公司与）公司与仙童公司（仙童公司（ Fairchild semiconductor ）研究人员间隔数月分别研究人员间隔数月分别发明了集成电路发明了集成电路, ,开开创了世界微电子学的历史创了世界微电子学的历史 材料只要以材料只要以GeGe为主，为主，Si Si的研制处于初期的研制处于初期John Bardeen(左)、William Shockley (坐) Walter Brattain共同发明了晶体管1956年诺贝尔物理学奖 1955 年年 Willia

4、m Shockley离开贝尔实验室离开贝尔实验室回回圣克圣克拉拉创建拉拉创建“肖克利半导体实验室肖克利半导体实验室” . “硅谷的摩西硅谷的摩西”罗伯特罗伯特诺依斯（诺依斯（Robert NoyceRobert Noyce）戈登戈登摩尔（摩尔（Gordon MooreGordon Moore）朱利亚斯朱利亚斯布兰克布兰克Julius BlankJulius Blank）尤金尤金克莱尔（克莱尔（Eugene KleinerEugene Kleiner）金金赫尔尼（赫尔尼（Jean HoerniJean Hoerni）杰杰拉斯特（拉斯特（Jay LastJay Last）谢尔顿谢尔顿罗伯茨罗伯茨(

5、Sheldon Roberts) (Sheldon Roberts) 和维克多和维克多格里尼克格里尼克(Victor (Victor Grinich) Grinich) 八叛逆八叛逆l 八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的资助，于八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的资助，于19571957年，创办了仙童半导体公司。半导体人才的摇年，创办了仙童半导体公司。半导体人才的摇篮篮. .l 1968, Robert Noyce 1968, Robert Noyce 和和 Gordon Moore Gordon Moore 脱离仙童，脱离仙童，成立了今天计算机行业的老大成立了今天计算机行业的老大英特尔公司

6、英特尔公司 (Intel).l 19591959年年2 2月，德克萨斯仪器公司月，德克萨斯仪器公司（TITI）工程师基尔比（）工程师基尔比（ Jack S. Jack S. Kilby Kilby ）申请第一个集成电路发）申请第一个集成电路发明专利明专利集成电路之父集成电路之父. . l 除了集成电路，他还在其它两项除了集成电路，他还在其它两项发明中发挥了关键作用，一个是发明中发挥了关键作用，一个是手持电子计算器，另一个是热敏手持电子计算器，另一个是热敏打印机。基尔比一共持有打印机。基尔比一共持有6060项电项电子发明专利。子发明专利。 l 凭借在发明集成电路方面所取凭借在发明集成电路方面所取

7、得的成就，得的成就，20002000年他与若尔年他与若尔斯斯阿尔费罗夫、赫伯特阿尔费罗夫、赫伯特克勒克勒默获得诺贝尔物理学奖。默获得诺贝尔物理学奖。半导体的发展概况半导体的发展概况 上世纪上世纪60-7060-70年代：年代：l第一个第一个MOSFETMOSFET问世问世: : 1960 Bell Lab.1960 Bell Lab. 的的D.KahngD.Kahng和和Martin AtallaMartin Atalla首次实作成功研制了首次实作成功研制了MOSFETMOSFET。目。目前广泛用于大型集成电路中（在模拟电路与数字电前广泛用于大型集成电路中（在模拟电路与数字电路中的微处理器、微

8、控制器等）路中的微处理器、微控制器等）. .l19631963年年: CMOS: CMOS电路问世电路问世. . 1963 1963年年Fairchild SemiconductorFairchild Semiconductor 的的Frank Frank Wanlass Wanlass发明了发明了CMOSCMOS电路。电路。 1968 1968年美国无线电公司年美国无线电公司(RCA)(RCA)成功研发出第一成功研发出第一 个个CMOSCMOS集成电路集成电路(Integrated Circuit(Integrated Circuit） l19691969年，单晶体管的存储器问世年，单晶体管

9、的存储器问世 IBM IBM的迪纳的迪纳 (R. H. Dennard) (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体发明了只需一个晶体管和一个电容器，就可以储存一个位元的记忆单元管和一个电容器，就可以储存一个位元的记忆单元l19711971：世界上第一个微处理器：世界上第一个微处理器40044004诞生诞生 美国英特尔公司美国英特尔公司 (Intel) (Intel) 推出的微处理器，包括推出的微处理器，包括一个四位元的平行加法器、十六个四位元的暂存器、一个四位元的平行加法器、十六个四位元的暂存器、一个储存器一个储存器 (accumulator) (accumulator) 与一个下推

10、堆叠与一个下推堆叠 (push-(push-down stack)down stack)，共计约二千三百个晶体管，共计约二千三百个晶体管 器件材料和工艺逐渐由器件材料和工艺逐渐由GeGe基专向基专向SiSi基基我国半导体的发展概况我国半导体的发展概况1956: 1956: 半导体被国家列为重点学科。半导体被国家列为重点学科。 由北大、复旦、南大，吉大联合由北大、复旦、南大，吉大联合 聘请黄昆，谢希德、林兰英、王守武等为首成聘请黄昆，谢希德、林兰英、王守武等为首成立半导体物理专业立半导体物理专业我国半导体的发展概况我国半导体的发展概况19571957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出年，北京电

11、子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。管）。19601960年中科院在北京建立半导体研究所，同年年中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所在河北建立工业性专业化研究所第十三所第十三所目前：半导体领域取得了长足的进展：目前：半导体领域取得了长足的进展：集成电路的尺寸达到集成电路的尺寸达到28 nm 28 nm 一下一下40-5040-50年代材料年

12、代材料GeGe、Si Si为代表的材料、器件和工艺为代表的材料、器件和工艺60-7060-70年代，年代，III-III-化合物半导体，化合物半导体，GaAsGaAs70-8070-80年代：量子阱超晶格等年代：量子阱超晶格等9090年代：带半导体宽带年代：带半导体宽带GaN , SiCGaN , SiC2121世纪：纳米时代（量子时代）量子控制世纪：纳米时代（量子时代）量子控制物理上研究对象物理上研究对象从从体材料到纳米材料从从体材料到纳米材料晶体晶体非晶体非晶体从体内从体内表面表面界面界面从天然材料从天然材料人工材料人工材料器件从单个元件器件从单个元件集成集成纳米器件纳米器件目前：广泛的交

13、叉领域目前：广泛的交叉领域l 对于低维材料，通常按晶体的各个方向尺寸与电对于低维材料，通常按晶体的各个方向尺寸与电子德布罗意波长的比较，将低维晶体通常分为：子德布罗意波长的比较，将低维晶体通常分为： 量子阱量子阱 纳米片纳米片/带带 量子线量子线 纳米线纳米线/纳米棒纳米棒 量子点量子点 纳米颗粒纳米颗粒1969年江崎和朱兆祥提出如将年江崎和朱兆祥提出如将材料的成分或掺杂情况做周期性材料的成分或掺杂情况做周期性的变化，形成超晶格的变化，形成超晶格量子尺寸效应The catalyst dots are defined by lithography or nanoimprinting,and th

14、e nanotubes are then grown by PECVD. 可制作 纳米发电机 Semiconductor Nanowires: From Self-Organization toPatterned GrowthHong Jin Fan, Peter Werner, and Margit Zacharias复合结构复合结构 单层石墨烯反常量子霍尔效应单质半导体：单质半导体：Ge, Si, 金刚石金刚石Growth of Semiconductor Growth of Semiconductor 生长方法生长方法u单晶的制备单晶的制备大尺寸大尺寸 uLPE LPE （Liquid-

15、Phase EpitaxyLiquid-Phase Epitaxy）uMBE (Molecular Beam Epitaxy)MBE (Molecular Beam Epitaxy)精确控制精确控制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)半导体物理的背景知识半导体物理的背景知识l量子力学量子力学l固体物理固体物理l统计物理统计物理本课程的内容和目标本课程的内容和目标课本课本1-81-8章中章中7-87-8视你们时间安排和需求视你们时间安排和需求来定来定掌握半导体的基本结构、缺陷的描述掌握半导体的基本结构、缺陷的描述及与其性能的关系及与其性能的关系半导体中载流子的分布、输运半导体中载流子的分布、输运 、产生、产生和复合的机理和复合的机理简单的单个器件的结构，特性及与材简单的单

17、个器件的结构，特性及与材料的关系料的关系 第一章 晶体结构和结合性质晶体：周期性排列的原子（分子、离子）组成的物质1.1 1.1 晶体结构晶体结构1.11 1.11 晶格的周期性晶格的周期性自然界中的晶体结构千变万化，但有些可能具有相同自然界中的晶体结构千变万化，但有些可能具有相同的周期，周期性相同，会有许多共性，所以晶体可以的周期，周期性相同，会有许多共性，所以晶体可以按周期性分类按周期性分类基本概念：晶格基本概念：晶格, , 晶胞晶胞, , 原胞原胞 ； 简单晶格简单晶格, ,复式晶格；平移对称性；复式晶格；平移对称性； 晶向晶向, ,晶面及其标定晶面及其标定晶格：晶体周期排列的方式晶格：

18、晶体周期排列的方式 描述晶体周期性的排列描述晶体周期性的排列 周期排列的单元周期排列的单元 平行六面体（平行六面体（3 3维）维） 平行四边形（平行四边形（2 2维）维） 实际晶体结构实际晶体结构 晶格晶格ClCsCu重复的选取存在任意性，一般有两种，原则：重复的选取存在任意性，一般有两种，原则：最小的重复单元最小的重复单元 原胞原胞最大限度地反映晶体对称性的最小单最大限度地反映晶体对称性的最小单 元元 单胞（晶体学晶胞）单胞（晶体学晶胞）简单晶格：只有一种等价原子的晶格简单晶格：只有一种等价原子的晶格, , 原胞含原胞含1 1个个原子。原子。复式晶格：两种或两种以上不等价原子组成的晶复式晶格

19、：两种或两种以上不等价原子组成的晶格格, ,原胞含两个或两个以上原子。原胞含两个或两个以上原子。等价含义等价含义: :(a)(a)化学性质相同化学性质相同, ,即同一元素、同一价态即同一元素、同一价态 (b)(b)几何环境相同几何环境相同, ,即与周围原子几何位置的相对关系即与周围原子几何位置的相对关系一致一致 复式格子特点：复式格子特点：其每一种原子构成一简单晶格其每一种原子构成一简单晶格; ; 不同等价原子构成的不同等价原子构成的简单晶格形状、大小完全一致简单晶格形状、大小完全一致; ; 不同等价原子间的晶不同等价原子间的晶格相互有格相互有 一平移一平移原胞就是对应简单晶格的原胞原胞就是对

20、应简单晶格的原胞每个原胞含的原子数是每种等每个原胞含的原子数是每种等 价原子各一个价原子各一个a1a22 2维蜂房结构维蜂房结构采用简单格子和复式格子描采用简单格子和复式格子描 述晶格的周期性不方便述晶格的周期性不方便引进布拉菲格子来描述引进布拉菲格子来描述晶体晶体 的周期性的周期性 布拉菲格子的每一个格点代表一个原胞布拉菲格子的每一个格点代表一个原胞 晶体结构晶体结构 = =布拉菲布拉菲格子格子 + + 基元基元 基元：组成晶体的原子、离子、分子或原子团基元：组成晶体的原子、离子、分子或原子团自然界的晶体多种多样自然界的晶体多种多样，按晶体排列的方式分类只按晶体排列的方式分类只有十四种有十四

21、种BraviasBravias格子。格子。点点阵阵基基元元晶体结构 1414种种BraviasBravias格子格子. .按照对称性高低依次按照对称性高低依次: : 单斜单斜 三斜三斜 正交正交 四方四方 六角六角 三角三角 立方立方. . 三斜单斜正交四方六角三角正方布啦菲格子：选用一个平行六面体（平行四布啦菲格子：选用一个平行六面体（平行四边形）来描述晶体的周期性边形）来描述晶体的周期性原胞和单胞（晶体学晶胞）原胞和单胞（晶体学晶胞）基矢基矢 ：原胞平行六面体的三个边矢量，：原胞平行六面体的三个边矢量， 原胞平行四边形的两个边矢量。原胞平行四边形的两个边矢量。点阵的平移矢量点阵的平移矢量

22、：BraviasBravias格子格点位置：格子格点位置：平移对称性：整个晶体按平移对称性：整个晶体按 平移，晶格自重合平移，晶格自重合晶体结构对称性晶体结构对称性 : : 一般物理量具有平移对称性一般物理量具有平移对称性332211alalalR321aaa,332211alalalRR晶向、晶面和它们的标志（各向异性）晶向、晶面和它们的标志（各向异性） 研究或描述晶体的性质或内部发生的某过程时，常研究或描述晶体的性质或内部发生的某过程时，常常要指明晶体中的某个方向或某个方位的晶面。因常要指明晶体中的某个方向或某个方位的晶面。因而需要建立一套标志方向的参量。而需要建立一套标志方向的参量。 （

23、1 1）晶列）晶列（2 2）晶向及其标志。）晶向及其标志。晶列的方向称晶列的方向。晶列的方向称晶列的方向。沿晶列方向连接晶列上相邻的沿晶列方向连接晶列上相邻的 格点，其位矢为：格点，其位矢为： 用用l l1 1,l ,l2 2 ,l ,l3 3标记晶向，记为标记晶向，记为l l1 1l l2 2l l3 3 ， 称晶向指数。称晶向指数。332211alalalr用单胞基矢用单胞基矢 , ,沿晶列方向从连接晶列上相邻的格点的位沿晶列方向从连接晶列上相邻的格点的位矢为：矢为： ( (有理数定律有理数定律) ) 如果如果l l1 1,l,l2 2 ,l,l3 3为为互质整数，用互质整数，用ll1 1

24、l l2 2l l3 3 标记晶向标记晶向 如果如果l l1 1,l,l2 2 ,l,l3 3不不互质，化为互质整数，使互质，化为互质整数，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，也称晶向指数表示晶向，也称晶向指数. .出现负数，顶上加一横表示出现负数，顶上加一横表示, ,如：如： 等效晶向等效晶向 clblalr321cba,100abc001001 010100111110 111 （3 3）晶面及密勒指数）晶面及密勒指数通过Bravias格子的任意三个不共线格点可以作一个平面，称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衍射研究晶体结构，衍射衍射研究晶体结构，衍射斑点和一定的晶面族对应。明确标定不同晶面簇显得很重斑点和一定的晶面族对应。明确标定不同晶面簇显得很重要。要。指明晶面的方向，给出晶面在三个坐标轴上的截距或晶面指明晶面的方向，给出晶面在三个坐标轴上的截距或晶面法线方向。法线方向。（4 4）晶面指数和密勒指数）晶面指数和密勒指数 若一族晶面族，离原点最近晶面在三若一族晶面族，离原点最近晶面在三个基矢轴上的截距为：个基矢轴上的截距为：sasa1 1,ra,ra2 2, ta, ta3 3用用(h(h1 1h h2 2h h3 3) )标记晶面。称晶面指数。标记晶面。称晶面指

26、数。 * * 实际中常用单胞的基矢实际中常用单胞的基矢 为坐标为坐标轴来表示晶面指数。轴来表示晶面指数。 晶面在三个基矢轴上的截距为：晶面在三个基矢轴上的截距为：r r1 1a,sa,s1 1b,tb,t1 1c c 用用(hkl)(hkl)表示，称密勒指数。表示，称密勒指数。 * * 指数为指数为出现负数，顶上加一横表示出现负数，顶上加一横表示. .cba,sa1ta3ra2o321:1:1:1hhhtrslkhtsr:1:1:1111* * 由于对称性，在物理上完全等价的晶面族也可以统由于对称性，在物理上完全等价的晶面族也可以统一表示为一表示为 hkl hkl 如立方体中有如立方体中有6

27、6个个等价等价(100)(100)、 6 6个等价个等价(110(110） 8 8个等价个等价(111)(111)面。面。同一晶系中同一晶系中, ,都按最简单结构表示晶面都按最简单结构表示晶面, ,如面心立方有如面心立方有心的面与简单立方中的心的面与简单立方中的(100)(100)一样，但有时考虑表面时一样，但有时考虑表面时, ,特指（特指（200200）面）面. .1.12 1.12 典型半导体晶体结构典型半导体晶体结构 (1) (1) 金刚石结构金刚石结构半导体半导体GeGe、SiSi等等金刚石(2) (2) 闪锌矿结构闪锌矿结构III-VIII-V族半导体族半导体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 结构结构半导体半导体PbS,PbSe,PbTePbS,PbSe,PbTe(4(4) ) 纤锌矿结构纤锌矿结构II-VIII-VI半导体大多具有该结构半导体大多具有该结构CdS, ZnS. MgTe, ZnTeCdS, ZnS. MgTe, ZnTe1.2 1.2 半导体的结合性质半导体的结合性质 原子化学键有原子化学键有3 3种种: : 离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键 相应的晶体称离子晶体、共价晶体、金属晶体相应的晶体称离子晶体

29、、共价晶体、金属晶体 还有一种晶体不是化学键结合：靠范得瓦尔斯还有一种晶体不是化学键结合：靠范得瓦尔斯结合结合 在半导体中，结合主要以共价键和离子键结合在半导体中，结合主要以共价键和离子键结合 晶体结合形式，结合结构和晶体的性质决定于各晶体结合形式，结合结构和晶体的性质决定于各元素性质元素性质 晶体的许多性质往往和结合性质有明显联系晶体的许多性质往往和结合性质有明显联系 1.2.1 共价结合和离子结合共价结合：共价结合： 典型的是典型的是IVIV元素元素C C、SiSi、GeGe、SnSn以共价键结合以共价键结合共价结合的共价结合的 特点：饱和性和方向性特点：饱和性和方向性饱和性：由于原子同其

30、它原子形饱和性：由于原子同其它原子形成共价键时，形成共价键的数目有一个成共价键时，形成共价键的数目有一个最大值，取决于未配对的电子数目。最大值，取决于未配对的电子数目。 饱和性规律：同种原子形成共价键，键数取决于未配对饱和性规律：同种原子形成共价键，键数取决于未配对电子数。满壳层电子数为电子数。满壳层电子数为8 8，成键数目，成键数目=8-N=8-N，N N为原子外层为原子外层电子数电子数. . 不同原子形成共价键时，键数取决于两原子外层电子的平不同原子形成共价键时，键数取决于两原子外层电子的平均数，如均数，如GaAs, GaGaAs, Ga原子外层原子外层3 3个价电子，个价电子，AsAs外

31、层外层5 5个价电子，个价电子，成键数为成键数为4.4.共价晶体的物性：共价晶体的物性：共价键是结合比较强的键，形成的晶体硬度高、熔点高、共价键是结合比较强的键，形成的晶体硬度高、熔点高、导电性差，不是半导体就是绝缘体。导电性差，不是半导体就是绝缘体。离子性结合离子性结合 周期表中周期表中 IVIIIVII族（碱金属族（碱金属卤族）和卤族）和 IIVIIIVI元素主要元素主要以这种方式结合以这种方式结合. . 结构特点结构特点 从力的特点可以推断：其近邻一定是异性离子，如从力的特点可以推断：其近邻一定是异性离子，如NaClNaCl，CsClCsCl，因此不能出现密堆积，因此不能出现密堆积(12

32、(12个近邻个近邻).).最近邻个数为最近邻个数为8 8，6 6 配位数：最近邻的个数配位数：最近邻的个数 密排面：原子密度最大的晶面密排面：原子密度最大的晶面 物性特点物性特点 结合形成的晶体稳定、硬度比较大、熔点比较高、热膨胀结合形成的晶体稳定、硬度比较大、熔点比较高、热膨胀系数小、导电性差。系数小、导电性差。 负电性与结合性质负电性与结合性质 原子（分子）结合成固体，其结合力：电相互作用。原子（分子）结合成固体，其结合力：电相互作用。 原子之间结合规律由原子束缚外层电子的能力确定决定原子之间结合规律由原子束缚外层电子的能力确定决定两个原子：两个原子： 一个失去电子，一个得到电子，形成离子

33、键一个失去电子，一个得到电子，形成离子键. . 如如I-III-II族族的的NaClNaCl两个原子：都得到电子，形成共价键两个原子：都得到电子，形成共价键. . 如如IV-IVIV-IV族的族的Si, GeSi, Ge两个原子：都失去电子，形成金属键两个原子：都失去电子，形成金属键. . 如如I I族的族的Li, Na, KLi, Na, K如何描述电子原子得失电子的能力如何描述电子原子得失电子的能力？ 原子束缚电子的能力由原子的负电性描述原子束缚电子的能力由原子的负电性描述. . 由电离能和亲和能确定由电离能和亲和能确定. . 定义：定义： 原子负电性原子负电性=0.18(=0.18(电离

34、能电离能+ +亲和能亲和能)eV (0.18)eV (0.18使使LiLi负电性负电性=1eV)=1eV) 电离能：一个原子失去一个电子形成正离子所需的能量，一般电离能：一个原子失去一个电子形成正离子所需的能量，一般指第一电离能。指第一电离能。 亲和能亲和能: : 一个中性原子得到一个电子形成负离子的所放出的能量一个中性原子得到一个电子形成负离子的所放出的能量 原子负电性的变化规律：原子负电性的变化规律： 同一周期，从左向右，负电性增大同一周期，从左向右，负电性增大 同一族，从上到下，负电性减小同一族，从上到下，负电性减小v从原子负电性可以看出原子之间的结合规律从原子负电性可以看出原子之间的结

35、合规律 同种元素：同种元素： 负电性小，原子易失去电子，结合形成金属键；负电性小，原子易失去电子，结合形成金属键； 负电性大，电子不易失去，形成共价键负电性大，电子不易失去，形成共价键不同元素：不同元素： 负电性差大，以离子键结合负电性差大，以离子键结合 负电性差小，负电性都强，以共价键结合负电性差小，负电性都强，以共价键结合 负电性都弱，以金属键结合负电性都弱，以金属键结合, , 如如AlFeAlFe1.2.2 1.2.2 共价四面体结构共价四面体结构 金刚石结构，金刚石结构，闪锌矿和纤锌矿结构中原子之间以共价键闪锌矿和纤锌矿结构中原子之间以共价键结合，形成四面体结构。其共价键是结合，形成四

36、面体结构。其共价键是spsp3 3杂化键：电子波函杂化键：电子波函数：数： 价电子云集中在四面体顶角价电子云集中在四面体顶角共价半径：共价半径：ABAB配位数相同的共价晶体，其键长：配位数相同的共价晶体，其键长：L LABAB=r=rA A+r+rB B (r(rA A,r,rB B为原子的半径为原子的半径) )(212221pzpypxsh)(212222pzpypxsh)(212223pzpypxsh)(212224pzpypxsh1.2.3 1.2.3 混合键混合键共价键于离子键的过度问题共价键于离子键的过度问题 当两种不同原子形成共价键时，当两种不同原子形成共价键时，电子为两原子共有电

37、子为两原子共有, ,但偏向一方，但偏向一方，键具有一定的离子性键具有一定的离子性 离子性存在：负电性差大的元离子性存在：负电性差大的元素形成的素形成的A A8-N8-NB BN N的四面体结构的的四面体结构的化合物化合物纤锌矿结构；纤锌矿结构； 负电性差小的负电性差小的闪锌矿结构闪锌矿结构 闪闪 纤纤如何描述过渡态？如何描述过渡态？实际中常用电离度表示共价键中离子键的成分。实际中常用电离度表示共价键中离子键的成分。PaulingPauling根据原子的负电性了电离度的标度方法根据原子的负电性了电离度的标度方法, , 定义键的离定义键的离子性子性fifi： f fi i : 0-1 : 0-1之

38、间之间其其x xA A、x xB B分别为分别为A A、B B原子的负电性原子的负电性 PhillipsPhillips考虑了内层电子的影响，考虑了内层电子的影响， 定义的电离度为：定义的电离度为： E Eg g成键态与反成键态之间的能量间隙成键态与反成键态之间的能量间隙E Eh h共价结合的成分共价结合的成分E Eh h的贡献的贡献C C离子结合成分的贡献离子结合成分的贡献f fi i 与与PaulingPauling定义结果有相同的变化趋势定义结果有相同的变化趋势. . 421/)(BAxxief222CEEhg222CECfhi按照按照PhillipsPhillips的定义，对的定义，对

39、6060多种多种A A8-N8-N B BN N型化合物的统计结果表型化合物的统计结果表明：明： 当当 f fi i 0.785 0.785，晶体取，晶体取6 6配位的配位的NaClNaCl结构结构 f fi i 0.785 0.785，晶体取，晶体取4 4配位的纤锌矿或闪锌矿结构配位的纤锌矿或闪锌矿结构1.3 1.3 晶格缺陷晶格缺陷 实际单晶中仍存在各种缺陷，实际单晶中仍存在各种缺陷， 按缺陷的线度分：按缺陷的线度分：点缺陷：热缺陷，外来原子，复合点缺陷点缺陷：热缺陷，外来原子，复合点缺陷 线缺陷：位错线，位错环线缺陷：位错线，位错环 面缺陷：晶界，层错面缺陷：晶界，层错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 原子晶体中的点缺陷原子晶体中的点缺陷 晶体中热缺陷晶体中热缺陷间隙原子和空位间隙原子和空位- -由热运动产生，无法消由热运动产生，无法消除除. .其产生方式多样，一定温度达到统计平衡其产生方式多样，一定温度达到统计平衡. . 在在SiSi、GeGe中，空位的影响小中，空位的影响小, , 但为替位杂

43、质的扩散提供了但为替位杂质的扩散提供了途径途径, ,此外，空位具体会形成此外，空位具体会形成“微缺陷微缺陷”（VoidVoid）晶体中空位晶体中空位- -间隙原子的积：间隙原子的积：kTWIIIeNn/ kTWIVIFeNNnn只与温度有关只与温度有关质量作用定理：反应物浓度的乘积与生成物浓度的乘积之比为与温度有关的常数把空位和间隙原子看成反应物，晶格原子和间隙位置看成生成物，则根据质量作用定律： 晶格原子和间隙位置在反应中可以认为不变：则： WF为反应释放能 )()(TKTfNNnnIVI)()(TKTfNNnnIVIkTWIVIFeNNnnkTWFCeTK)(化合物中的热缺陷：化合物中的热

44、缺陷：ABAB化合物：化合物：A A空位空位 A A间隙原子间隙原子 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间隙原子间隙原子 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 位错与层错位错与层错 位错位错: 刃位错刃位错 螺位错螺位错 混合位错混合位错 位错可用一矢量位错可用一矢量b来描述，称为滑移矢量来描述，称为滑移矢量(或或Burgers矢量矢量)。位错线不可能终止于晶体内部，它们位错线不可能终止于晶体内部，它们或者在晶体表面露头，或在形成环或者在晶体表面露头，或在形成环. 刃螺混合60度 位错（混合位错）对材料性能的影响位错（混合位错）对材料性能的影响(a) (a) 给出电子或接受电子给出电子或接受电子（III-VIII-V中中IIIIII原子悬挂键原子悬挂键 形成饱和键形成饱和键,V,V提供电子提供电子(b) (b) 吸收或产生空位和间隙原子，发生攀移吸收或产生空位和间隙原子，发生攀移(c) (c) 位错周围存在畸变：杂质聚集位错周围存在畸变：杂质聚集位错密度：单位体积位错线长度或单位面积露头个数位错密度：单位体积位错线