半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

1、 第二章：第二章： 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)21 半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 2. 2 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)*半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體簡介固體材料可分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、固體材料可分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、 半導(dǎo)體、絕緣體半導(dǎo)體、絕緣體從導(dǎo)電性（電阻）：從導(dǎo)電性（電阻）：電阻率電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且具有介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且具有負的電阻溫度系數(shù)負的電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體半導(dǎo)體21 半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)電阻率電阻率 導(dǎo)體：導(dǎo)體： 10-3cm 例如：例如：Cu10-6cm 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：10-2cm109cm Ge=0.2cm 絕緣體：絕緣體：109cmTR半導(dǎo)體金屬絕緣體電阻

2、溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的分類按功能和應(yīng)用分按功能和應(yīng)用分微電子半導(dǎo)體微電子半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體 按組成分：按組成分：無機半導(dǎo)體：元素、化合物無機半導(dǎo)體：元素、化合物有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分:晶體：單晶體、多晶體晶體：單晶體、多晶體非晶、無定形非晶、無定形 *無機半導(dǎo)體晶體材料無機半導(dǎo)體晶體材料無機半導(dǎo)體晶體材料無機半導(dǎo)體晶體材料元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體GeSeSiCBTePSbAs元素半導(dǎo)體SISn熔點太高、熔點太高、不易制成不易制成單晶單晶不穩(wěn)定、

3、不穩(wěn)定、易揮發(fā)易揮發(fā)低溫某低溫某種固相種固相稀稀少少(1)元素半導(dǎo)體晶體元素半導(dǎo)體晶體化合物化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體-族族-族族金金屬氧化物屬氧化物-族族-族族-族族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2*化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體 過渡金屬氧化物半導(dǎo)體：過渡金屬氧化物半導(dǎo)體：有有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等。等。尖晶石型化合物（磁性半導(dǎo)體）：尖晶石型化合物（磁性半導(dǎo)體）

4、：主要有主要有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。等。稀土氧、硫、硒、碲化合物：稀土氧、硫、硒、碲化合物：有有EuO、EuS、EuSe、EuTe 等。等。 (1)非晶非晶Si、非晶、非晶Ge以及非晶以及非晶Te、Se元素半元素半 導(dǎo)體導(dǎo)體 (2)化合物有化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、 Se2As3、As2SeTe非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體*.非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體 酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子，他們都具有大子，他們都具有大鍵結(jié)構(gòu)。鍵結(jié)構(gòu)。 *有機半導(dǎo)體

5、有機半導(dǎo)體高分子聚合物高分子聚合物有機分子晶體有機分子晶體有機分子絡(luò)合物有機分子絡(luò)合物晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)則排列，主要體現(xiàn)是原子排列具有原子規(guī)則排列，主要體現(xiàn)是原子排列具有周期周期性性，或者稱長程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料為晶體。，或者稱長程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料為晶體。晶體中原子、分子規(guī)則排列的結(jié)果使晶體具有規(guī)則的幾何晶體中原子、分子規(guī)則排列的結(jié)果使晶體具有規(guī)則的幾何外形，外形，X射線衍射已證實這一結(jié)論射線衍射已證實這一結(jié)論。 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)固體的結(jié)構(gòu)分為：固體的結(jié)構(gòu)分為： 非晶體結(jié)構(gòu)非晶體結(jié)構(gòu) 多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)2.1.1 空間點陣空間點陣2.1.2 密勒指數(shù)密勒指數(shù)2.1.3 倒

6、格子倒格子非晶體結(jié)構(gòu)：非晶體結(jié)構(gòu)：不具有長程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料不具有長程有序。有此排列結(jié)構(gòu)的材料為非晶體。為非晶體。了解固體結(jié)構(gòu)的意義：了解固體結(jié)構(gòu)的意義： 固體中原子排列形式是研究固固體中原子排列形式是研究固體材料宏觀性質(zhì)和各種微觀過程的基礎(chǔ)。體材料宏觀性質(zhì)和各種微觀過程的基礎(chǔ)。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)概括為是由一些相同點子在空間晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)概括為是由一些相同點子在空間有規(guī)則作周期性無限分布，這些點子的總體稱有規(guī)則作周期性無限分布，這些點子的總體稱為點陣。為點陣。2.1.1 空空 間間 點點 陣陣一、布喇菲的空間點陣學(xué)說一、布喇菲的空間點陣學(xué)說（該學(xué)說正確地反映了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)長程有序特征，后來（該

7、學(xué)說正確地反映了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)長程有序特征，后來被空間群理論充實發(fā)展為空間點陣學(xué)說，形成近代關(guān)于晶被空間群理論充實發(fā)展為空間點陣學(xué)說，形成近代關(guān)于晶體幾何結(jié)構(gòu)的完備理論。）體幾何結(jié)構(gòu)的完備理論。）關(guān)于結(jié)點的說明：關(guān)于結(jié)點的說明： 當晶體是由完全相同的一種原子組成，結(jié)點可以是原子本身位置。當晶體是由完全相同的一種原子組成，結(jié)點可以是原子本身位置。 當晶體中含有數(shù)種原子，這數(shù)種原子構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單元（基元），當晶體中含有數(shù)種原子，這數(shù)種原子構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單元（基元），結(jié)點可以代表基元重心，原因是所有基元的重心都是結(jié)構(gòu)中相同結(jié)點可以代表基元重心，原因是所有基元的重心都是結(jié)構(gòu)中相同位置，也可以代表基元中任意

8、點子位置，也可以代表基元中任意點子 結(jié)點示例圖結(jié)點示例圖1 . 點子點子空間點陣學(xué)說中所稱的空間點陣學(xué)說中所稱的點子點子，代表著結(jié)構(gòu)中相同的位，代表著結(jié)構(gòu)中相同的位置，也為置，也為結(jié)點結(jié)點，也可以代表原子周圍相應(yīng)點的位置。，也可以代表原子周圍相應(yīng)點的位置。晶體由基元沿空間三個不同方向，各按一定的距離周期性地平移而構(gòu)成，基元每一平移距離稱為周期。在一定方向有著一定周期，不同方向上周期一 般不相同。基元平移結(jié)果：點陣中每個結(jié)點周圍情況都一樣。2 . 點陣學(xué)說概括了晶體結(jié)構(gòu)的周期性點陣學(xué)說概括了晶體結(jié)構(gòu)的周期性3 . 晶格的形成晶格的形成通過點陣中的結(jié)點，可以作許多平行的直線族通過點陣中的結(jié)點，可以

9、作許多平行的直線族和平行的晶面族，點陣成為一些網(wǎng)格和平行的晶面族，點陣成為一些網(wǎng)格-晶格。晶格。 平行六面體平行六面體原胞概念的引出：原胞概念的引出： 由于晶格晶格周期性，可取一個以結(jié)點結(jié)點為頂點，邊長等于該方向上的周期周期的平行六面體作為重復(fù)單元，來概括晶格的特征。即每個方向不能是一個結(jié)點（或原子）本身，而是一即每個方向不能是一個結(jié)點（或原子）本身，而是一個結(jié)點個結(jié)點（或原子）加上周期長度為原子）加上周期長度為a的區(qū)域，其中的區(qū)域，其中a叫叫做基矢做基矢 。這樣的重復(fù)單元重復(fù)單元稱為原胞原胞。 原胞（重復(fù)單元）的選取規(guī)則原胞（重復(fù)單元）的選取規(guī)則 反映周期性特征：反映周期性特征：只需概括空間

10、三個方向上的周期大只需概括空間三個方向上的周期大小，原胞可以取最小重復(fù)單元（物理學(xué)原胞），結(jié)點只小，原胞可以取最小重復(fù)單元（物理學(xué)原胞），結(jié)點只在頂角上。在頂角上。反映對稱性特征：反映對稱性特征：晶體都具有自己特殊對稱性。晶體都具有自己特殊對稱性。結(jié)晶學(xué)上所取原胞體積不一定最小，結(jié)點不一定只在頂結(jié)晶學(xué)上所取原胞體積不一定最小，結(jié)點不一定只在頂角上，可以在體心或面心上（晶體學(xué)原胞）；角上，可以在體心或面心上（晶體學(xué)原胞）；原胞邊長總是一個周期，并各沿三個晶軸方向；原胞邊長總是一個周期，并各沿三個晶軸方向；原胞體積為物理學(xué)原胞體積的整數(shù)倍數(shù)。原胞體積為物理學(xué)原胞體積的整數(shù)倍數(shù)。 布喇菲點陣的特點：

11、布喇菲點陣的特點： 每點周圍情況都一樣。是由一個結(jié)點沿三維空間周每點周圍情況都一樣。是由一個結(jié)點沿三維空間周期性平移形成，為了直觀，可以取一些特殊的重復(fù)期性平移形成，為了直觀，可以取一些特殊的重復(fù)單元（結(jié)晶學(xué)原胞）。單元（結(jié)晶學(xué)原胞）。 完全由相同的一種原子組成，則這種原子組成的完全由相同的一種原子組成，則這種原子組成的網(wǎng)格為布喇菲格子，和結(jié)點所組成的網(wǎng)格相同。網(wǎng)格為布喇菲格子，和結(jié)點所組成的網(wǎng)格相同。 晶體的基元中包含兩種或兩種以上原子，每個基晶體的基元中包含兩種或兩種以上原子，每個基元中，相應(yīng)的同種原子各構(gòu)成和結(jié)點相同網(wǎng)格元中，相應(yīng)的同種原子各構(gòu)成和結(jié)點相同網(wǎng)格-子晶格（或亞晶格）。子晶格

12、（或亞晶格）。 復(fù)式格子（或晶體格子）是由所有相同結(jié)構(gòu)子晶復(fù)式格子（或晶體格子）是由所有相同結(jié)構(gòu)子晶格相互位移套構(gòu)形成。格相互位移套構(gòu)形成。4 .結(jié)點的總結(jié)結(jié)點的總結(jié)-布喇菲點陣或布喇菲格子布喇菲點陣或布喇菲格子晶體格子（簡稱晶格）晶體格子（簡稱晶格）：晶體中原子排列的具體形：晶體中原子排列的具體形式。式。原子規(guī)則堆積的意義：把晶格設(shè)想成為原子規(guī)則堆原子規(guī)則堆積的意義：把晶格設(shè)想成為原子規(guī)則堆積，有助于理解晶格組成，晶體結(jié)構(gòu)及與其有關(guān)的積，有助于理解晶格組成，晶體結(jié)構(gòu)及與其有關(guān)的性能等。性能等。二二 、 晶晶 格格 的的 實實 例例1. 簡單立方晶格簡單立方晶格2. 體心立方晶格體心立方晶格3

13、. 原子球最緊密排列的兩種方式原子球最緊密排列的兩種方式特點特點：層內(nèi)為正方排列，是原子球規(guī)則排列的最簡單形式；層內(nèi)為正方排列，是原子球規(guī)則排列的最簡單形式；原子層疊起來，各層球完全對應(yīng)，形成簡單立方晶格；原子層疊起來，各層球完全對應(yīng)，形成簡單立方晶格；這種晶格在實際晶體中不存在，但是一些更復(fù)雜的晶格這種晶格在實際晶體中不存在，但是一些更復(fù)雜的晶格可以在簡單立方晶格基礎(chǔ)上加以分析?？梢栽诤唵瘟⒎骄Ц窕A(chǔ)上加以分析。 原子球的正方排列原子球的正方排列簡單立方晶格典型單元簡單立方晶格典型單元1. 簡單立方晶格簡單立方晶格簡單立方晶格的原子球心形成一個三維立方格子結(jié)簡單立方晶格的原子球心形成一個三維

14、立方格子結(jié)構(gòu)，整個晶格可以看作是這樣一個典型單元沿著三構(gòu)，整個晶格可以看作是這樣一個典型單元沿著三個方向重復(fù)排列構(gòu)成的結(jié)果。個方向重復(fù)排列構(gòu)成的結(jié)果。 簡單立方晶格單元沿著三個方向重復(fù)排列構(gòu)成的圖形簡單立方晶格單元沿著三個方向重復(fù)排列構(gòu)成的圖形2. 體心立方晶格體心立方晶格 體心立方晶格的典型單元體心立方晶格的典型單元排列規(guī)則排列規(guī)則：層與層堆積方式是上面一層原子球心對層與層堆積方式是上面一層原子球心對準下面一層球隙，下層球心的排列位置用準下面一層球隙，下層球心的排列位置用A標記，標記，上面一層球心的排列位置用上面一層球心的排列位置用B標記，體心立方晶格標記，體心立方晶格中正方排列原子層之間的

15、堆積方式可以表示為中正方排列原子層之間的堆積方式可以表示為 ： AB AB AB AB體心立方晶格的堆積方式體心立方晶格的堆積方式3.原子球最緊密排列的兩種方式原子球最緊密排列的兩種方式密排面密排面：原子球在該平面內(nèi)以最緊密方式排列。：原子球在該平面內(nèi)以最緊密方式排列。堆積方式：在堆積時把一層的球心對準另一層球隙，堆積方式：在堆積時把一層的球心對準另一層球隙，獲得最緊密堆積，可以形成兩種不同最緊密晶格排列。獲得最緊密堆積，可以形成兩種不同最緊密晶格排列。前一種為六角密排晶格，（如前一種為六角密排晶格，（如Be、Mg、Zn、Cd），），后一種晶格為立方密排晶格，或面心立方晶格（如后一種晶格為立方

16、密排晶格，或面心立方晶格（如Cu、Ag、Au、Al） 面心立方晶格面心立方晶格 （立方密排晶格）（立方密排晶格） 面心（面心（111）以立方密堆方式排列以立方密堆方式排列 面心立方晶體（立方密排晶格）面心立方晶體（立方密排晶格）六方密堆晶格的原胞六方密堆晶格的原胞、布喇菲格子與復(fù)式格子、布喇菲格子與復(fù)式格子把基元只有一個原子的晶格，叫做布喇菲格子；把基元只有一個原子的晶格，叫做布喇菲格子；把基元包含兩個或兩個以上原子的，叫做復(fù)式格子。把基元包含兩個或兩個以上原子的，叫做復(fù)式格子。注：注：如果晶體由一種原子構(gòu)成，但在晶體中原子周圍的如果晶體由一種原子構(gòu)成，但在晶體中原子周圍的情況并不相同（例如用

17、情況并不相同（例如用X射線方法，鑒別出原子周射線方法，鑒別出原子周圍電子云的分布不一樣），則這樣的晶格雖由一種圍電子云的分布不一樣），則這樣的晶格雖由一種原子組成，但不是布喇菲格子，而是復(fù)式格子。原子組成，但不是布喇菲格子，而是復(fù)式格子。1 . 氯化鈉結(jié)構(gòu)氯化鈉結(jié)構(gòu) 表示鈉表示鈉 表示氯表示氯鈉離子與氯離子鈉離子與氯離子分別構(gòu)成面心立分別構(gòu)成面心立方格子，氯化鈉方格子，氯化鈉結(jié)構(gòu)是由這兩種結(jié)構(gòu)是由這兩種格子相互平移一格子相互平移一定距離套購而成。定距離套購而成。 2 . 氯化銫結(jié)構(gòu)氯化銫結(jié)構(gòu) 表示表示Cs 。 表示表示Cl3 . 鈣鈦礦型鈣鈦礦型 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 表示表示Ba 表示O 表示表示Ti結(jié)

18、晶學(xué)原胞結(jié)晶學(xué)原胞基元中任意點子或結(jié)點作周期性重復(fù)的晶體結(jié)構(gòu)基元中任意點子或結(jié)點作周期性重復(fù)的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)式原胞復(fù)式原胞重復(fù)的重復(fù)的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)四、四、2.1.2 密密 勒勒 指指 數(shù)數(shù)一、晶列一、晶列 1. 晶列晶列通過任意兩個格點連一直線，則這一直線包含無限通過任意兩個格點連一直線，則這一直線包含無限個相同格點，這樣的直線稱為晶列，也是晶體外表個相同格點，這樣的直線稱為晶列，也是晶體外表上所見的晶棱。其上的格點分布具有一定的周期上所見的晶棱。其上的格點分布具有一定的周期-任意兩相鄰格點的間距。任意兩相鄰格點的間距。 1. 晶列的特點晶列的特點 （1）一族平行晶列把所有點）一族平行晶列把所

19、有點 包括無遺。包括無遺。 （2）在一平面中，同族的相鄰晶列之間的距離相等。）在一平面中，同族的相鄰晶列之間的距離相等。 （3）通過一格點可以有無限）通過一格點可以有無限 多個晶列，其中每一晶列都有一多個晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列與之對應(yīng)。族平行的晶列與之對應(yīng)。 （4 ）有無限多族平行晶列。）有無限多族平行晶列。 - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 晶面的特點：晶面的特點：（1）通過任一格點，可以作全同的晶面與一晶面平行，構(gòu)成）通過任一格點，可以作全同的晶面與一晶面平行，構(gòu)成一族平行晶面一族平行晶面.（2）所有的格點都在一族平行的晶面上而無遺漏；）所有的格點都在一族平行的晶面上而

20、無遺漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格點分布情況相同；）一族晶面平行且等距，各晶面上格點分布情況相同；（4）晶格中有無限多族的平行晶面。）晶格中有無限多族的平行晶面。二、晶面二、晶面三、晶向三、晶向 一族晶列的特點是晶列的取向，該取向為晶向；一族晶列的特點是晶列的取向，該取向為晶向； 同樣一族晶面的特點也由取向決定，因此無論對于晶同樣一族晶面的特點也由取向決定，因此無論對于晶列或晶面，只需標志其取向。列或晶面，只需標志其取向。 任一格點任一格點 A的位矢的位矢Rl為為 Rl =l1a1+l2a2+l3a3式中式中l(wèi)1、l2、l3是整數(shù)。若互質(zhì)，直接用他們來表征晶是整數(shù)。若互質(zhì)，直接用他們

21、來表征晶列列OA的方向（晶向），這三個互質(zhì)整數(shù)為晶列的指數(shù)，的方向（晶向），這三個互質(zhì)整數(shù)為晶列的指數(shù)，記以記以 l1，l2，l31 . 晶列指數(shù)晶列指數(shù) （晶列方向的表示方法）（晶列方向的表示方法）ORlAa1a2a3立方單包的三條邊的指數(shù)分別為100，010，001表示晶面的方法，即方位：表示晶面的方法，即方位： 在一個坐標系中用該平在一個坐標系中用該平面的法線方向的余弦；或表示出這平面在座標軸上的面的法線方向的余弦；或表示出這平面在座標軸上的截距。截距。a1a2a3設(shè)這一族晶面的面間距為設(shè)這一族晶面的面間距為d，它，它的法線方向的單位矢量為的法線方向的單位矢量為n，則這族晶面中，離開原點

22、的距離則這族晶面中，離開原點的距離等于等于 d的晶面的方程式為：的晶面的方程式為： R n= d為整數(shù)；為整數(shù)；R是晶面上的任意點的是晶面上的任意點的位矢。位矢。R2. 密勒指數(shù)（密勒指數(shù)（ 晶面方向的表示方法）晶面方向的表示方法）設(shè)此晶面與三個座標軸的交點的位矢分別為設(shè)此晶面與三個座標軸的交點的位矢分別為ra1 、sa2、ta3,代入上式，則有代入上式，則有 ra1cos(a1,n)= d sa2cos(a2,n)= d ta3cos(a3,n)= da1 、 a2、a3取單位長度，則得取單位長度，則得cos(a1,n)： cos(a2,n) ：cos(a3,n)=1r：1s：1t結(jié)論：晶面

23、的法線方向結(jié)論：晶面的法線方向n與三個坐標軸（基矢）的夾角與三個坐標軸（基矢）的夾角的余弦之比等于晶面在三個軸上的截距的倒數(shù)之比。的余弦之比等于晶面在三個軸上的截距的倒數(shù)之比。 已知一族晶面必包含所有的格點已知一族晶面必包含所有的格點 ，因此在三個基矢，因此在三個基矢末端的格點必分別落在該族的不同的晶面上。末端的格點必分別落在該族的不同的晶面上。設(shè)設(shè)a1 、 a2、a3的末端上的格點分別在離原點的距離為的末端上的格點分別在離原點的距離為h1d、h2d、h3d的晶面上，其中的晶面上，其中h1、h2、h3都是整數(shù)，都是整數(shù)，三個晶面分別有三個晶面分別有 a1n=h1d , a2n=h2d , a3

24、n=h3dn是這一族晶面公共法線的單位矢量，于是是這一族晶面公共法線的單位矢量，于是 a1cos(a1,n)=h1d a2cos(a2,n)=h2d a3cos(a3,n)=h3d證明截距的倒數(shù)之比為證明截距的倒數(shù)之比為整數(shù)之比整數(shù)之比cos(a1,n)： cos(a2,n) ：cos(a3,n)=h1：h2：h3結(jié)論：結(jié)論： 晶面族的法線與三個基矢的夾角的余弦之比等晶面族的法線與三個基矢的夾角的余弦之比等于三個整數(shù)之比。于三個整數(shù)之比?？梢宰C明可以證明 ：h1、h2、h3三個數(shù)互質(zhì)，稱它們?yōu)樵摼孀迦齻€數(shù)互質(zhì)，稱它們?yōu)樵摼孀宓拿嬷笖?shù)，記以（的面指數(shù)，記以（ h1h2h3）。）。即把晶面在座

25、標軸上的截距的倒數(shù)的比簡約為互質(zhì)的整即把晶面在座標軸上的截距的倒數(shù)的比簡約為互質(zhì)的整數(shù)比，所得的互質(zhì)整數(shù)就是面指數(shù)。數(shù)比，所得的互質(zhì)整數(shù)就是面指數(shù)。幾何意義幾何意義：在基矢的兩端各有一個晶面通過，且這兩個在基矢的兩端各有一個晶面通過，且這兩個晶面為同族晶面，在二者之間存在晶面為同族晶面，在二者之間存在hn個晶面，所以最靠個晶面，所以最靠近原點的晶面（近原點的晶面（ =1）在坐標軸上的截距為在坐標軸上的截距為a1/h1、a2/h2、a3/h3,同族的其他晶面的截距為這組截距的整數(shù)倍。同族的其他晶面的截距為這組截距的整數(shù)倍。實際工作中，常以結(jié)晶學(xué)原胞的基矢實際工作中，常以結(jié)晶學(xué)原胞的基矢a、b、c

26、為坐標為坐標軸來表示面指數(shù)。在這樣的坐標系中，標征晶面取向軸來表示面指數(shù)。在這樣的坐標系中，標征晶面取向的互質(zhì)整數(shù)稱為晶面族的密勒指數(shù)，用的互質(zhì)整數(shù)稱為晶面族的密勒指數(shù)，用(hkl)表示。表示。例如：例如：有一有一ABC面，截距為面，截距為4a、b、c, 截距的倒數(shù)為截距的倒數(shù)為1/4、1、1，它的密勒指數(shù)為（，它的密勒指數(shù)為（1，4，4）。）。另有一晶面，截距為另有一晶面，截距為2a、4b、 c, 截距的倒數(shù)為截距的倒數(shù)為1/2、1/4、0，它的密勒指數(shù)為（，它的密勒指數(shù)為（2、1、0）。）。簡單晶面指數(shù)的特點：簡單晶面指數(shù)的特點： 晶軸本身的晶列指數(shù)特別簡單，為晶軸本身的晶列指數(shù)特別簡單，

27、為100、010、001； 晶體中重要的帶軸的指數(shù)都是簡單的；晶體中重要的帶軸的指數(shù)都是簡單的； 晶面指數(shù)簡單的晶面如晶面指數(shù)簡單的晶面如（110）、（）、（111）是重）是重要的晶面；要的晶面； 晶面指數(shù)越簡單的晶面，面間距晶面指數(shù)越簡單的晶面，面間距d就越大，格就越大，格點的面密度大，易于解理；點的面密度大，易于解理； 格點的面密度大，表面能小，在晶體生長過程格點的面密度大，表面能小，在晶體生長過程中易于顯露在外表；對中易于顯露在外表；對X射線的散射強，在射線的散射強，在X射線射線衍射中，往往為照片中的濃黑斑點所對應(yīng)。衍射中，往往為照片中的濃黑斑點所對應(yīng)。設(shè)一晶格的基矢為設(shè)一晶格的基矢為

28、a1 、 a2、a3，有如下的關(guān)系：有如下的關(guān)系： b1= 2 (a2 a3) 說明說明b1垂直于垂直于a2和和a3所確定的面；所確定的面； b2= 2 (a3 a1) 說明說明b2垂直于垂直于a3和和a1所確定的面所確定的面 b3= 2 (a1 a2 說明說明b3垂直于垂直于a1和和a2所確定的面所確定的面 式中：式中： = a1 ( a2 a3)為晶格原胞的體積。為晶格原胞的體積。1. 倒格子的數(shù)學(xué)定義倒格子的數(shù)學(xué)定義2.1.3 倒倒 格格 子子倒格子倒格子：以以b1、b2、b3為基矢的格子是以為基矢的格子是以a1、a2、a3為基矢的格子的倒格子。為基矢的格子的倒格子。（1） 正格子基矢和

29、倒格子基矢的關(guān)系正格子基矢和倒格子基矢的關(guān)系2. 正格子與倒格子的幾何關(guān)系正格子與倒格子的幾何關(guān)系 =2 (i=j) aibj=2i j =0 (i j)證明如下：證明如下： a1b1=2 a1 ( a2 a3 ) / a1 ( a2 a3 ) = 2 因為倒格子基矢與不同下腳標的正格子基矢垂直，有：因為倒格子基矢與不同下腳標的正格子基矢垂直，有： a2b1=0 a3b1=0 （2）除（）除（2 ）3因子外，正格子原胞體積因子外，正格子原胞體積 和倒和倒格子原胞體積格子原胞體積 *互為倒數(shù)互為倒數(shù)。 *=b1 ( b2 b3) = (2 ）3/ 表示正格點表示正格點 表示倒格點表示倒格點ABC

30、為為一族晶面（一族晶面（h1h2h3）中的最）中的最靠近原點的晶面，與靠近原點的晶面，與 k h垂直垂直a1a2a3BCAk ha1/h1a3/h3a2/h2（3）正格子中一族晶面）正格子中一族晶面（h1h2h3）和倒格矢和倒格矢 k h=h1b1+h2b2+h3b3 正交，正交，即即晶面的彌勒指數(shù)是垂直于該晶面的最短倒格矢坐標晶面的彌勒指數(shù)是垂直于該晶面的最短倒格矢坐標.由（由（3）、（）、（4）可知，一個倒格矢代表正格子中的一族）可知，一個倒格矢代表正格子中的一族平行晶面平行晶面 。 晶面族（晶面族（h1h2h3）中離原點的距離為）中離原點的距離為 d h1h2h3的晶面的的晶面的方程式可

31、寫成：方程式可寫成： R l kh/|kh|= d h1h2h3 ( =0,1,2,)得出正格矢和倒格矢的關(guān)系：得出正格矢和倒格矢的關(guān)系： R l kh= 2 結(jié)論：如果兩矢量的關(guān)系：結(jié)論：如果兩矢量的關(guān)系：R l kh= 2，則其中一個，則其中一個為正格子，另一個必為倒格子；即正格矢和倒格矢恒滿為正格子，另一個必為倒格子；即正格矢和倒格矢恒滿足正格矢和倒格矢的關(guān)系。足正格矢和倒格矢的關(guān)系。（4）倒格矢的長度正比于晶面族）倒格矢的長度正比于晶面族（h1h2h3）的面間）的面間距的倒數(shù)。距的倒數(shù)。dh1h2h3=a1/h1kh/|kh|=a1(h1b1+h2b2+h3b3)/h1|kh|=2 /

32、|kh|結(jié)論結(jié)論： 倒格矢倒格矢Kh垂直某一晶面（垂直某一晶面（ h1h2h3 ），也即該），也即該晶面的法線方向與此倒格矢方向一致。晶面的法線方向與此倒格矢方向一致。 倒格矢倒格矢Kh的大小與和其垂直的晶面間距成正的大小與和其垂直的晶面間距成正比。比。 一個倒格矢對應(yīng)一族晶面，但一族晶面可以一個倒格矢對應(yīng)一族晶面，但一族晶面可以對應(yīng)無數(shù)個倒格矢，這些倒格矢的方向一致，對應(yīng)無數(shù)個倒格矢，這些倒格矢的方向一致，大小為最小倒格矢的整數(shù)倍。大小為最小倒格矢的整數(shù)倍。 滿足滿足X射線衍射的一族晶面產(chǎn)生一個斑點，射線衍射的一族晶面產(chǎn)生一個斑點，該斑點代表一個倒格點，即該倒格點對應(yīng)一該斑點代表一個倒格點，

33、即該倒格點對應(yīng)一族晶面指數(shù)。族晶面指數(shù)。利用倒易點陣（倒格子）與正格子間的關(guān)系導(dǎo)出晶利用倒易點陣（倒格子）與正格子間的關(guān)系導(dǎo)出晶面間距和晶面夾角。面間距和晶面夾角。 晶面間距晶面間距dh1h2h3 ：dh1h2h3=2 / |kh1h2h3| 兩邊開平方，兩邊開平方， 將將kh1h2h3 =h1b1+h2b2+h3b3及正倒格子及正倒格子的基矢關(guān)系代入，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算，得到面間距公式。的基矢關(guān)系代入，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算，得到面間距公式。晶面夾角晶面夾角 ： k1 k2 = k1 k2 COS 100200300001002003101201301103202203(100)(001)(102)O倒格子

34、與正格子間的相互轉(zhuǎn)化倒格子與正格子間的相互轉(zhuǎn)化1020 b1b2 一維格子一維格子倒格子原胞倒格子原胞：作由原點出發(fā)的諸倒格矢作由原點出發(fā)的諸倒格矢的垂直平分面，這些平面的垂直平分面，這些平面完全封閉形成的最小的多完全封閉形成的最小的多面體（體積最?。┟骟w（體積最?。?第第一布里淵區(qū)一布里淵區(qū)。b1b20二維格子二維格子3 . 倒格子原胞和布里淵區(qū)倒格子原胞和布里淵區(qū)ab 構(gòu)成第一布里淵區(qū)構(gòu)成第一布里淵區(qū)（簡約布里淵區(qū)）的（簡約布里淵區(qū)）的垂直平分線的方程式垂直平分線的方程式如下：如下： x= /a 及及 y= /a 第二布里淵區(qū)的各第二布里淵區(qū)的各個部分分別平移一個個部分分別平移一個倒格矢，

35、可以同第一倒格矢，可以同第一區(qū)重合。第三布里淵區(qū)重合。第三布里淵區(qū)的各個部分分別平區(qū)的各個部分分別平移適當?shù)牡垢袷敢材芤七m當?shù)牡垢袷敢材芡谝粎^(qū)重合。同第一區(qū)重合。 (2 /a) i-(2 /a) i(2 /a) j-(2 /a) j4 . X射線衍射與倒格子、布里淵區(qū)的關(guān)系射線衍射與倒格子、布里淵區(qū)的關(guān)系（1） X射線衍射射線衍射與倒格子的關(guān)系與倒格子的關(guān)系根據(jù)公式：根據(jù)公式： kk0 =n Kh , 建立反射球或衍射球建立反射球或衍射球入射線的波矢入射線的波矢k0 反射線的波矢反射線的波矢k倒格矢倒格矢KhOCA晶面晶面反射球反射球R l kh/|kh|= d h1h2h3Rl .( kk

36、0 ）= 2 dh1h2h3=2 / |kh1h2h3|（h1h2h3）（h1 h2 h3 ）建立反射球的意義建立反射球的意義 通過所建立的反射球，把晶格的衍射條件和通過所建立的反射球，把晶格的衍射條件和衍射照片上的斑點直接聯(lián)系起來。衍射照片上的斑點直接聯(lián)系起來。 利用反射球求出某一晶面族發(fā)生衍射的方向利用反射球求出某一晶面族發(fā)生衍射的方向 （若反射球上的（若反射球上的A點是一個倒格點，則點是一個倒格點，則CA就是以就是以O(shè)A為倒格矢的一族晶面為倒格矢的一族晶面h1h2h3的衍射方向的衍射方向S）。）。OC倒格矢球面與反射球倒格矢球面與反射球相交于一圓相交于一圓同一晶面由于晶體的旋轉(zhuǎn)引同一晶面

37、由于晶體的旋轉(zhuǎn)引起該晶面倒格矢的旋轉(zhuǎn)從而起該晶面倒格矢的旋轉(zhuǎn)從而形成倒格矢球面。形成倒格矢球面。 二維正方晶格的布里淵區(qū)二維正方晶格的布里淵區(qū)結(jié)論：結(jié)論：所有落在此球上的倒格點都滿足所有落在此球上的倒格點都滿足關(guān)系式關(guān)系式: kk0 =n Kh即滿足衍射加強條件。即滿足衍射加強條件。衍射線束的方向是衍射線束的方向是C點至點至A點的聯(lián)線方向。點的聯(lián)線方向。2. 2 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)1. .電子共有化電子共有化(1)孤立原子孤立原子(單價單價)電子所在處的電勢為電子所在處的電勢為U，電子的電勢能為，電子的電勢能為V。電勢能是一個旋轉(zhuǎn)對稱的。電勢能是一個旋轉(zhuǎn)對稱的勢阱。勢阱。 (2)

38、兩個原子情形兩個原子情形(3)大量原子規(guī)則排列情形大量原子規(guī)則排列情形 晶體中大量原子晶體中大量原子(分子、離子分子、離子)的規(guī)則排列成的規(guī)則排列成點陣結(jié)構(gòu)點陣結(jié)構(gòu)，晶體中，晶體中形成形成周周期性勢場期性勢場 1. .電子共有化電子共有化 由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同單個原子所有的現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個固體中運原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個固體中運動。動。 原子的外層電子原子的外層電子(高能級高能級)，勢壘穿透概率較大，屬于共有化的，勢壘穿透概率較大，屬于共

39、有化的電子。電子。原子的內(nèi)層電子與原子的結(jié)合較緊，一般不是共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子的結(jié)合較緊，一般不是共有化電子。2.2.能帶的形式能帶的形式量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成這些新能級基本上連成一片，形成能帶能帶 兩個氫原子靠近結(jié)合成分子時，兩個氫原子靠近結(jié)合成分子時，1S能級分裂為兩條。能級分裂為兩條。當當N個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對個原子靠近形成晶體時，

40、由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的一個能級，就分裂成應(yīng)于原來孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級。條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于N個很接近的新能級上。個很接近的新能級上。 （1 1）越是外層電子，能帶越寬，）越是外層電子，能帶越寬， E E 越大。越大。內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄內(nèi)層電子相應(yīng)的能帶很窄 （2 2）點陣間距越小，能帶越寬，）點陣間距越小，能帶越寬， E E 越大。越大。 （3 3）兩個能帶有可能重疊。）兩個能帶有可能重疊。一般規(guī)律：一般規(guī)律：能帶的形式能帶的形式3. 滿帶、

41、導(dǎo)帶和禁帶滿帶、導(dǎo)帶和禁帶 固體中的一個電子只能處在固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。某個能帶中的某一能級上。 電子的填充原則：電子的填充原則： （）服從泡利不相容原理（）服從泡利不相容原理 （）服從能量最小原理（）服從能量最小原理 設(shè)孤立原子的一個能級設(shè)孤立原子的一個能級 Enl ，它最多能容，它最多能容納納2(2l+1)個電子。個電子。 這一能級分裂成由這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，條能級組成的能帶后，能帶最多能容納能帶最多能容納(2l+1)個電子。個電子。泡利泡利 價帶價帶空帶空帶禁帶禁帶滿帶滿帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶滿帶、導(dǎo)帶和禁帶滿帶、導(dǎo)帶和禁帶排滿電子的能帶排滿電子的能帶價電子能級分離后形成的能帶價電子能級分離后形成的能帶未排電子的能帶，空帶也是導(dǎo)帶未排電子的能帶，空帶也