第一章固体晶格结构

第一章—固体晶格结构2016年8月第一章固体晶格结构半导体材料1.1固体类型1.2空间晶格1.3原子价键1.4固体中的缺陷和杂质1.5半导体材料的生长1.6小结1.7问题：为什么要研究半导体材料？

为什么要研究半导体材料？1.1半导体材料半导体：半导体的电阻率（10-3Ωcm<ρ<

109Ωcm）介于导体和绝缘体之间，半导体的性质容易受到外界的光照、热、磁、电及微量杂质的含量的变化而改变性质。材料导体半导体绝缘体电阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109什么是半导体按不同的标准，有不同的分类方式。按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体III-V族半导体Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)NIV族半导体:Ge,GeSi,Si,SiC,CII-VI族半导体Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S半导体体系I.宽禁带半导体概述半导体材料体系第一代：硅（Si）、锗(Ge)第二代：砷化镓（GaAs）

、磷化铟（InP）第三代：氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石1.1半导体材料半导体材料的研究历程：元素半导体，如硅（Si）、锗(Ge)

化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、碳化硅（SiC）、

氮化镓（GaN）磷化铟（InP）

三元素化合物:AlxGa1-xAS半导体材料分类：半导体材料分类体材料、薄膜材料、微结构材料、人工设计材料……1.2固体类型晶体：具有一定外形和固定熔点，更重要的是晶体内部原子（或离子）在较大范围（至少微米数量级）是按一定方式有规则排列而成（称为长程有序）（如Si，Ge，GaAs）。非晶体：没有规则的外形和固定的熔点，内部结构上不存在长程有序，但在较小范围内（几个原子间距）仍存在结构上的有序排列（称为短程有序）。长期以来将固体分为：晶体和非晶体。单晶：整个晶体主要由原子或离子的一种排列方式贯穿始终,

常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶。多晶：由许多小晶粒杂乱的堆积而成,如各种金属材料和电子陶瓷材料。（晶界分离）。晶体---分为单晶和多晶非晶、多晶和单晶示意图1.3空间晶格晶格：晶体原子的周期性排列称为晶格。格点：组成晶体的原子（或离子）的重心位置称为格点。点阵：格点的整体称为点阵。在点阵的每个阵点上附有一群原子，这样一个原子群称为基元，基元在空间重复就形成晶体结构。点阵+基元=晶体结构1.3.1原胞和晶胞原胞：晶格的最小周期单元,只反映晶格周期性,不反映对称性,一个原胞平均只包含一个格点。晶胞：晶体结构的基本单元，能够充分反映整个晶体的结构特点，既反映周期性又反映了各种对称性，整块晶体就是晶胞周期平移而成。原胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）原胞无需是唯一的

（b）原胞无需是基本的1.3.2基本的晶体结构晶格常数：在立方晶系中，通常取三个互相垂直的坐标轴,称为晶轴，通常通常取立方体的边长a作为长度单位，称为晶格常数。P7例1.1在立方方晶系中，通常取三个相互垂直的边作为三个坐标轴——晶轴；通常取立方体边长a作业长度单位——晶格常数。基矢：简立方sc体心立方bcc面心立方fcc1.3.3晶面和密勒指数晶面：晶格中所有格点可以看作是全部包含在一系列相互平行等间距的平面系上,这样的平面系叫晶面族。(1)通常取某一晶面与三个晶轴垂直的截距的倒数的互质整数，即：1/r:1/s:1:t=h:k:l,称h,k,l为晶面指数或密勒指数，记为(hkl)，称为(hkl)平面；(2)任何平等的平面都是彼此等效的。(3)若晶面与某晶轴平行，截距∞,对应的Miller指数为0，负号写在对应指数上方。原子的面密度：P9例1.3晶面的表示:(3)倒数乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)标记，这些整数称为密勒指数。(1)平面截距：3，2，1(2)平面截距的倒数：1/3，1/2，1晶面的表示例:同类晶面：记为{hkl}如{100}表示：1.3.3晶面和密勒指数简立方晶体的三种晶面

(100)(110)(111)

晶体徒结构-晶向(100)(110)(111)注：科在立询方晶菌系中惠，晶部列指棚数和结晶面饮指数委相同置的晶震向和辞晶面删之间北是互鲜相垂杂直的卸。如[1洪00爪]库⊥(喜10疑0)差,册[1烤11建]彩⊥(吗11该1)晶握向筐：通过婆晶体仰中原史子中猛心的斑不同夕方向次的原子列[h闻kl怒]OR=l1a+l2b+l3c取l1:l2:l3=m乡丰:n盈:p话,m微,n径,p为互榜质整他数称m、n、p为晶列娇指数,记作[m呜np沿],表示宿某个锄晶向顶。同类幻玉晶向记为<m紧np差>如<1遍00漫>表示--真--榜--等6个同社类晶浮向<1溉10垒>表示--仓--柄--等12面对娃角线告晶向<1里11双>表示--今--晒--等8个体庄角线钥晶向R晶体飘结构-晶向1.居3.盼4金刚私石结绣构金刚厚石结裙构1.屡3.芹4金刚茶石结睬构1、金冒刚石细结构（金咽刚石汉结构山晶胞脉）是托由4个共魔价四遥面体衰组成伤的，严上一污个正构立方点体在溪其八能个顶北角上究和六辟个面阵心上央各有切一个嫁原子赴，在侦立方链体的规内部湿有四湾个原肿子，抚分别限位于老四条跃空间哗对角枪线上鹊且与槽最近便邻的正顶角素原子翅距离点为1/调4对角忘线长皇度。所谓却金刚呆石结盗构即极两个斯面心细立方街沿空绪间对洗角线忘方向共即<1衬11顽>方向芽相互欠平移1/搜4对角敌线长灵度套江构而置成。原子淹密度脂：2、铅贞（闪望）锌速矿结患构：由两种不同壳原子总组成脖的面鉴心立流方，谅沿空舍间对俘线方意向平矮移1/令4对角拜线长旋度套制构而羊成。Ge、Si是金忧刚石是构。Ga裳As是铅户锌矿旧结构趟。其劲中每欧个镓虽原子增有四乏个最顶近邻蹦的砷穗原子雄，每屯个砷生原子只有四招个近绘邻的移镓原小子。Ga循As中镓滥原子标密度知为？1.输3.蜓4金刚进石结翁构1.壶4原子华价键(1汁)离子全键与洒离子涉晶体街：（Na牢Cl库仑绳力）周期睁表中枣，Ⅰ族元鹿素，陆负电路性最原小，扶容易宰失去弟电子期，如Na；Ⅶ族元置素，舰负电构性最帮大，遵容易僚得到惧电子哨，如Cl。Na+与Cl-，依吨靠库仑熊力结合盛为Na抖Cl晶体蹈；称专依靠登正负倒电荷凑间的从库仑惑力所序形成挡的结饥合力健为离子艺键。离子乓键形至成的净晶体蓄为离子牙晶体。(2拥)共价势键与胳共价会晶体塞：(H2共用位电子味对)Si、Ge某元庆素半慎导体陡由同蚁一种皱原子匪构成咬，无纲负电狭性差栋，而奶是由称一对哑自旋狐相反乓的配知位价司电子庙结合灰，其次电子责云在保电子们间相韵互重倾叠具复有较屡高密俩度，多则带怜正电普的原症子实四和带撒负电奏的电交子相鸡互吸引引将仙原子换结合宽形成左共价挤晶体。共价士晶体杠的特餐征:(a牙)方向妈性；(b劲)饱和京性。1.屋4原子旦价键（3优）金组属键：Ⅰ族元喉素对柄价电保子的允束缚个能力创较弱伞，在指结合灿成晶边体时低，原阶先属迷于各遇个原级子的替价电对子不兽再束浮缚于守某一小个原呢子而喜为所夏有原崇子所践共用丈，价电技子可舟以在竖整个州晶体贞运动巨，称贡为“梢电子敌气”渡，带负郊电的郊电子韵气和内带正做电的疮原子植实之寄间的天为库仑坊力所形似成的检结合病称为嫂金属淋键。（4）范柜德华挨键——最弱径的化问学键1.蜡4原子绒价键1.突5晶体绿中的猾缺陷和和杂敢质1.疼5.庸1固体然中的堪缺陷晶格光振动点缺颜陷(空位脑于填绍系)线缺血陷线缺楚陷1.欺5.摄2固体梨中的炒杂质晶体哭中的袖杂质缠：晶体侧中可疯能出耳现外茶来原柔子，厕即除查半导备体材壤料元弦素之倾外的歪其它元素锣。杂质擦的存驰在方兼式：替位股式（糕替位阶杂质陵）失间隙隶式（蚀填隙访杂质舍）1.五5晶体编中的劲缺陷酸和杂息质掺蜻杂副：为了覆改变卸导电铺性而盖向半触导体候材料瓣中加应入杂增质的端技术称为蹈掺杂醉。掺杂释的方滤法：(1尾)扩散(高温访扩散10铸00度)；(2鬼)离子命注入(50青ke拉V损伤少与退皇火)退浓火：退火辆是一运种金炮属热剖处理锋工艺染，指择的是炸将金市属缓斩慢加热到舌一定兽温度鄙，保痛持足陶够时角间，摧然后哀以适历宜速各