半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)_第1頁
半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)_第2頁
半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)_第3頁
半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)_第4頁
半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)_第5頁
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文檔簡介

第三章半導(dǎo)體發(fā)光材料晶體導(dǎo)論半導(dǎo)體發(fā)光器件的材料主要使用III-V族化合物半導(dǎo)體單晶、三元化合物晶體或四元化合物晶體。(如:GaAs、GaP、GaN、GaAsP、InGaN、InGaAlP等)本章主要介紹這些晶體的結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及電學(xué)結(jié)構(gòu),這些內(nèi)容是了解、制造、測試發(fā)光材料和應(yīng)用這些材料制作發(fā)光器件的基礎(chǔ)。第一節(jié)晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的概念晶體是指由原子、離子、分子或某些基團的重心有規(guī)則排列而成的固體。二、晶體的特點1、自限性:自發(fā)形成有規(guī)則的多面體外型2、均勻性:周期組成相同,密度相同3、各向異性:不同方向性質(zhì)不一樣4、有固定的熔點5、具有對稱性圖3-1晶體三、晶體的分類晶體單晶:指內(nèi)部的原子都是有規(guī)則排列而成的晶體。雙晶:兩個同種晶體構(gòu)成的﹑非平行的規(guī)律連生體,又稱孿晶。晶簇:單晶以不同取向連在一起多晶:從局部看是規(guī)則排列,從總體來看又是不規(guī)則的晶體。(a)水晶單晶(b)石膏雙晶和晶簇(c)水晶晶簇(d)蛋白質(zhì)顯微照片四、空間點陣經(jīng)過長期的研究,在19世紀提出了布拉菲的空間點陣學(xué)說,認為晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為一些相同的點子在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布,這些點子代表原子、離子、分子或某種基團的重心,這些點子的總稱為點陣,其結(jié)構(gòu)稱為空間點陣。這些點子的位置稱為結(jié)點。1、晶格通過點陣中的結(jié)點,可以作許多平行的直線族和平行的晶面族,這樣點陣就組成晶格。2、晶胞晶格中,含有晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單位叫晶胞。Na+

Cl-NaCl晶體的晶格NaCl晶體的晶胞劃分晶胞要遵循兩個原則:

一是盡可能反映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對稱性;二是盡可能小。7

a、b、c:確定晶胞大小、、

:確定晶胞形狀晶胞參數(shù):晶胞的邊長與夾角晶胞中各原子(分子離子)的坐標3、晶胞的分類—晶系

晶系

晶軸軸間夾角實例

立方a=b=cα=β=γ=900Cu,NaCl四方(正方)a=b≠cα=β=γ=900Sn,SiO2正交a≠b≠cα=β=γ=900I2,BaCO3三角(菱形)a=b=cα=β=γ≠900As,Al2O3六角(六方)a=b≠cα=β=900,γ=1200Mg,CuS單斜a≠b≠cα=γ=900,β≠900KClO3三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠900K2CrO7

圖3-2晶胞的分類圖我們學(xué)習(xí)最簡單的立方晶系的三種晶格類型:(1)簡單立方晶格(2)體心立方晶格(3)面心立方晶格(1)簡單立方晶格晶胞形狀是正立方體,結(jié)點分布在晶胞立方體的八個角頂,共有8個粒子。(2)體心立方晶格晶胞形狀是正立方體,結(jié)點共有9個,其中8個在晶胞立方體的角頂,一個在晶胞立方體的中心。(3)面心立方晶格晶胞形狀是正立方體,結(jié)點共有14個,其中8個在晶胞立方體的角頂,6個在晶胞立方體6個面的中心。1、晶面及晶面表示(1)晶面通過點陣中若干結(jié)點而成的一個平面稱為點陣平面,在晶體中稱為晶面。(2)晶面的表示一個晶面通常可以用一種晶面指數(shù)來表示,晶面指數(shù)又稱密勒(Miller)指數(shù)。

五、晶面與晶向cbayzxABC圖3-3晶面晶面指數(shù)的表示方法:(1)在一組相互平行的晶面中任選一個晶面,取它在三個坐標軸上的截距,假設(shè)截距為r,s,t,然后取截距的倒數(shù)1/r,1/s,1/t(2)對其通分,取各個分數(shù)分母的最小公倍數(shù)作分母。(3)取通分后3個分數(shù)的分子,作為晶面的指數(shù)。如圖3-3的指數(shù)為332。當(dāng)泛指某一晶面的指數(shù)時一般用hkl表示。點陣中平行于h、k、l的一族晶面用(hkl)表示。注意:當(dāng)晶面和一晶軸平行時,則認為與該軸在無窮遠處相交,而無窮遠的倒數(shù)為0,所以晶面相應(yīng)于這個軸的指數(shù)為0。如:某晶面與y軸平行,與x、z軸交于單位長度,則該晶面指數(shù)為101xzyabc(1)截距r、s、t分別為3,3,5(2)1/r:1/s:1/t=1/3:1/3:1/5(3)最小公倍數(shù)15,(4)于是,1/r,1/s,1/t分別乘15得到5,5,3,因此,晶面指標為(553)。ZYNXCABEDMLKJFGOH

ABC晶面截距為:1/2,1/3,2/3;倒數(shù)為:2,3,3/2;化簡后(463)。

MHND晶面截距:

1,∞,∞;倒數(shù)為:1,0,0;化簡后(100)。1,所有相互平行的晶面,其晶面指數(shù)相同,或者三個符號均相反??梢?,晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面,而且代表著一組相互平行的晶面。2,晶面指數(shù)中h、k、l是互質(zhì)的整數(shù)。3,最靠近原點的晶面與X、Y、Z坐標軸的截距為

a/h、b/k、c/l。晶面指數(shù)特征:立方晶系幾組晶面及其晶面指標。(100)晶面表示晶面與a軸相截與b軸、c軸平行;(110)晶面表示與a和b軸相截,與c軸平行;(111)晶面則與a、b、c軸相截,截距之比為1:1:1晶面族:

原子排列和分布規(guī)律完全相同,僅空間位向不同的一組晶面屬于一個晶面族。用{hkl}表示。常存在對稱性(立方晶系)高的晶體中。

晶面族{hkl}中的晶面數(shù):a)hkl三個數(shù)不等,且都≠0,則此晶面族中有24組。 每組有兩個指數(shù)相反、平行的晶面

b)hkl有兩個數(shù)字相等且都≠0,則有12組c)hkl三個數(shù)相等,有4組晶面兩兩平行,構(gòu)成一個八面 體,如晶面族{111}d)hkl有一個為0,則有12組e)hkl有一個為0,兩個數(shù)字相等,有六組晶面兩兩平行,構(gòu)成一個十二面體如晶面族{110}又稱為十二面體的面。f)有二個為0,則有3組,如晶面族{100},又稱為六面體的面六、

晶向與晶向指標任意兩結(jié)點的結(jié)點列稱為晶向。與此晶向相對應(yīng),一定有一組相互平行而且具有同一重復(fù)周期的結(jié)點列?;蛘撸海?)在一族相互平行的陣點直線中引出過坐標原點的陣點直線。(2)在該直線上任取一點,量出坐標,并用點陣周期a,b,c表示。(3)將三個坐標值用同一個數(shù)乘或除,劃歸互質(zhì)整數(shù),并加方括號。晶向的表示方法:取其中通過原點的一根結(jié)點列,求該列最近原點的結(jié)點的指數(shù),u,v,w,并用方括號標記[uvw]。晶向指數(shù)的確定建立坐標系,結(jié)點為原點,三棱為方向,點陣常數(shù)為單位;在晶向上任兩點的坐標(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐標,讓在第一點在原點則下一步更簡單);

計算x2-x1:y2-y1:z2-z1

;化成最小、整數(shù)比u:v:w

;放在方括號[uvw]中,不加逗號,負號記在上方。1、紅線代表的晶向由兩個結(jié)點的坐標之差確定2、晶向指數(shù)同乘、除一個數(shù),晶向不改變。如[012]---[0?1]

OA為X軸,OB為Y軸,OC為Z軸;長度單位a=b=c=1。

確定OD的晶向指數(shù):將坐標原點選在待定晶向上(O點),晶向指數(shù)為[111]。確定CE的晶向指數(shù)[11]如圖為立方晶系:X軸、Y軸、Z軸;長度單位a=b=c=1。例:

OD為[101];

Om為:坐標1/2、1、1/2;化簡后[121];EF為:[11]

練習(xí):

在立方晶系中,一晶面在x軸的截距為1,在y軸的截距1/2,且平行于z軸,一晶向上某點坐標為x=1/2,y=0,z=1,求出其晶面指數(shù)和晶向指數(shù),并繪圖示之?晶向指數(shù)還有如下規(guī)律:(1)某一晶向指數(shù)代表一組在空間相互平行且方向一致的所有晶向。(2)若晶向所指的方向相反,則晶向數(shù)字相同符號相反。僅對立方晶系適用!立方系中OA、OB、OC邊的晶向指數(shù)[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]等六個晶向,由于對稱關(guān)系,它們的性質(zhì)完全相同,用<100>表示。<111>晶向族如右圖。七、晶面間距(1)晶面間距

兩相鄰近平行晶面間的垂直距離—晶面間距,用dhkl表示,從原點作(hkl)晶面的法線,則法線被最近的(hkl)面所交截的距離即是。通常,低指數(shù)的面間距較大,而高指數(shù)的晶面間距則較小晶面間距愈大,該晶面上的原子排列愈密集;晶面間距愈小,該晶面上的原子排列愈稀疏。晶面間距公式的推導(dǎo)晶面位向晶面指數(shù)確定了晶面的位向和間距。對立方晶系晶面的位向是用晶面法線的位向來表示的;空間任意直線的位向可以用它的方向余弦來表示。必須注意:按以上這些公式所算出的晶面間距是對簡單晶胞而言的,如為復(fù)雜晶胞(體心立方、面心立方),在計算時應(yīng)考慮到晶面層數(shù)增加的影響。例如在體心立方或面心立方晶胞中,上下底面(001)之間還有一層同類型的晶面(002)故,實際的晶面間距應(yīng)為1/2d001。dhkl除以2的情況:對于體心立方,當(dāng)h+k+L=奇數(shù),間距除以2;對于面心立方,當(dāng)h、k、L三個數(shù)不全為奇數(shù),或不全為偶數(shù)時,間距除以2;對于底心立方,當(dāng)h+k+L=奇數(shù),間距除以2;例:立方晶胞中(111)晶面的晶面間距d111為2.035?,求其(320)晶面間距d320。利用:求得:

?于是:

?1NaCI型結(jié)構(gòu)礦物名稱:石鹽?;瘜W(xué)式為:NaCI

CI-Na+---Na+離子位于面心格子的結(jié)點位置上,CI—離子也 位于另一套這樣的格子上,后一個格子與前一個格 子相距1/2晶棱的位移。結(jié)構(gòu)描述:(1)立方晶系,a=0.563nm,Z=4(2)Na+CI—離子鍵,NaCI為離子晶體.(3)CN+=CN-=6(4)---CI—離子按立方最緊密堆積方式堆積,Na+離子充 填于全部八面體空隙。---Na+離子的配位數(shù)是6,構(gòu)成Na--CI八面體。NaCI 結(jié)構(gòu)是由Na--CI八面體以共棱的方式相連而成Na+NaCl結(jié)構(gòu)〔NaCl6〕八面體的連接方式CI-結(jié)點的坐標為:

4CI—:000,1/21/20,1/201/2,01/21/2

4Na+

:1/21/21/2,001/2,01/20,1/200(5)立方面心格子CI-、Na+各一套(6)同結(jié)構(gòu)晶體有:MgO、CaO、SrO、BaO、FeO、CoO石鹽2金剛石晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)式為:

C晶體結(jié)構(gòu)為:立方晶系,a=0.356nm空間格子:C原子組成立方面心格子C原子位于立方面心的所有結(jié)點位置和交替分布在立方體內(nèi)的四個小立方體的中心

鍵型:

每個C原子周圍有四個C 碳原子之間形成共價鍵形成:自然界形成+實驗室合成性質(zhì):金剛石是硬度最大的礦物 具有半導(dǎo)體的性能和極好 的導(dǎo)電性與金剛石結(jié)構(gòu)相同的有: 硅、鍺、灰錫、合成的立 方氮化硼等3

石墨結(jié)構(gòu)化學(xué)式:C晶體結(jié)構(gòu):六方晶系(2H), a=0.146nm, c=0.670nm三方晶系(3R)結(jié)構(gòu)表現(xiàn):C原子組成層狀排 列,層內(nèi)C原子成 六方環(huán)狀排列,每 個碳原子與三個相 鄰的碳原子之間的 距離為0.142nm, 層與層之間的距離 為0.335nm石墨的多型鍵型:層內(nèi)為共價鍵,層間為分子鍵性質(zhì):碳原子有一個電子可以在層內(nèi)移動,平行于層的方向 具有良好的導(dǎo)電性。石墨的硬度低,熔點高,導(dǎo)電性 好。石墨與金剛石屬同質(zhì)多像變體。

4氯化銫型結(jié)構(gòu)晶體化學(xué):CsCl晶體結(jié)構(gòu):立方晶系,a=0.411nmZ=1空間格子:CsCl是原始格子Cl-離子Cs+離子配位多面體:在空間以共面形 式連接。離子坐標:Cl-000

Cs+1/21/21/2類似的晶體:CsBr,CsI, NH4Cl等Cl-離子處于立方 原始格子的八個 角頂上,Cs+離子 位于立方體的中 心(立方體空隙) CN+=CN-=8, 單位晶胞中有一個 Cl-和一個Cs+5閃鋅礦型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:β-ZnS晶體結(jié)構(gòu):立方晶系,a=0.540nm;Z=4空間格子:立方面心格子,S2-離子呈立方最緊密堆積,位于 立方面心的結(jié)點位置,Zn2+離子交錯地分布于1/8 小立方體的中心,即1/2的四面體空隙中。

結(jié)構(gòu)投影圖:(俯視圖)用標高來表示,0-底面;25- 1/4;50-1/2;75-3/4。(0-100;25- 125;50-150是等效的)配位數(shù):CN+=CN-=4;極性共價鍵,配位型共價 晶體。配位多面體:〔ZnS4〕四面體,在空間以共頂方式相連接屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶體有:

β-SiC;GaAs;AlP;InSb等。6纖鋅礦型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:α-ZnS晶體結(jié)構(gòu):六方晶系;a=0.382nm;c=0.625nm;Z=2

質(zhì)點坐標:S2-:000;2/31/31/2Zn2+:00u; 2/31/3(u-1/2)空間格子:S2-按六方緊密堆積排 列 Zn2+充填于1/2的四面 體 空隙,形成六方格子。配位數(shù):CN+=CN-=4多面體:〔ZnS4〕四面體共頂連接鍵型:Zn、S為極性共價鍵屬纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的晶體有:

BeO;ZnO;AlN等。7螢石型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:CaF2

晶體結(jié)構(gòu):立方晶系,a=0.545nm,Z=4空間格子:Ca2+位于立方面心的結(jié)點位置,F(xiàn)-位于立方體 內(nèi)八個小立方體的中心,即Ca2+按立方緊密堆積 的方式排列,F(xiàn)-充填于全部四面體空隙中。配位數(shù):CN+=8;CN-=4多面體:簡單立方體連接形式:〔CaF8〕之間以共棱形式連接晶胞組成:Ca2+=8×1/8+6×1/2=4;F-=4+4=8性質(zhì):八面體空隙全部空著—空洞—負離子擴散屬于螢石結(jié)構(gòu)的晶體有:BaF2;PbF2;CeO2;ThO2;UO2;低溫ZrO2(扭曲、變形)8反螢石結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu):其結(jié)構(gòu)與螢石完全相同,只是陰陽離子的位置完 全互換,即陽離子占據(jù)的是F-的位置,陰離子占 據(jù)的是Ca2+的位置配位數(shù):CN+=4;CN-=8晶胞組成:陰離子=8×1/8+6×1/2=4陽離子=4+4=8屬于反螢石結(jié)構(gòu)的晶體有:Li2O;Na2O;K2O等9金紅石型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:TiO2晶體結(jié)構(gòu):四方晶系,a=0.459nm;c=0.296nm;Z=2格子類型:四方原始格子。Ti4+位于結(jié)點位置,體心的屬另一 套格子。O2-處在一些特殊位置上,質(zhì)點坐標:Ti4+:000;1/21/21/2; O2-:uu0;(1-u)(1-u)0;(1/2+u)(1/2-u)1/2;(1/2-u)(1/2+u)1/2

晶體結(jié)構(gòu):O2-可看成是變形 六方密堆積,Ti4+ 離子填充1/2的八面 體空隙配位數(shù):CN+=6;CN-=3多面體:〔TiO6〕八面體連接方式:Ti-O八面體以共 棱方式連接成鏈, 鏈與鏈之間以共頂 方式相連。與金紅石結(jié)構(gòu)相同的晶體有: SnO2;PbO2; MnO2;MoO2; WO2;MnF2; MgF2;VO210碘化鎘型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:CdI2晶體結(jié)構(gòu):三方晶系a=0.424nm;c=0.684nm;Z=1空間格子:Cd2+離子占有六方原始格子的結(jié)點位置,I-離子 交叉分布于三個Cd2+離子三角形中心的上下方; 相當(dāng)于兩層I-離子中間夾一層Cd2+離子,構(gòu)成 復(fù)合層。配位數(shù):CN+=6;CN-=3鍵性:復(fù)合層于復(fù)合層之間為范德華力,呈層狀結(jié)構(gòu)層 內(nèi)Cd-I為具有離子鍵的共價鍵,鍵力較強。屬于碘化鎘型結(jié)構(gòu)的晶體:

Ca(OH)2;Mg(OH)2;CdI2;MgI211剛玉型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:α-Al2O3晶體結(jié)構(gòu):三方晶系;a=0.514nm,α=55°17′;Z=6(菱面體晶胞)空間格子:O2-離子按六方密堆積的方式排列,形成ABAB…重 復(fù)的規(guī)律,Al3+離子充填于2/3的八面體空隙,其分 布具一定的規(guī)律,即離子之間的距離保持最遠。

鍵性:具有離子鍵性質(zhì)的共價鍵。性質(zhì):H=9;熔點為2050℃。是構(gòu)成高溫耐火材料和高絕緣電 陶瓷的主要物相。屬于剛玉型結(jié)構(gòu)的晶體:

α-Fe2O3;Cr2O3;Ti2O3;V2O3;FeTiO3;MgTiO3BBABAABABAAB

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13····················

D

E

F

D

E

F12鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的通式為ABO3,以CaTiO3為例討論其結(jié)構(gòu):

Ca2+O2-Ti4+配位關(guān)系的分析:可以看出:Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6結(jié)構(gòu)的描述(1)鈣鈦礦在高溫時屬立方晶系,在降溫時,通過某個特定 溫度后將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變使立方晶格的對稱性下降.(2)

CaTiO3為離子晶體(3)

Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6(4)

CaTiO3的結(jié)構(gòu)可看成有和半徑較大的離子共同組成立方 緊密堆積,離子充填于1/4的八面體空隙中。其Z=4(5)結(jié)點坐標為:

Ca2+

000,001,010,100,110,011,101,111

O2-

01/21/2,1/201/2,1/21/20,11/21/2,1/211/2 ,1/21/21

Ti4+

1/21/21/2(6)立方面心格子13方解石型結(jié)構(gòu)化學(xué)式:CaCO3晶體結(jié)構(gòu):三方晶系;Z=4空間格子:〔CO3〕2-按近似于立方

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