第一章固體晶格結(jié)構(gòu)

第一章—固體晶格結(jié)構(gòu)2016年8月第一章固體晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料1.1固體類型1.2空間晶格1.3原子價(jià)鍵1.4固體中的缺陷和雜質(zhì)1.5半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)1.6小結(jié)1.7問(wèn)題：為什么要研究半導(dǎo)體材料？

為什么要研究半導(dǎo)體材料？1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體：半導(dǎo)體的電阻率（10-3Ωcm<ρ<

109Ωcm）介于導(dǎo)體和絕緣體之間，半導(dǎo)體的性質(zhì)容易受到外界的光照、熱、磁、電及微量雜質(zhì)的含量的變化而改變性質(zhì)。材料導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109什么是半導(dǎo)體按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體III-V族半導(dǎo)體Ga(Al,In)AsGa(Al,In)PGa(Al,In)NIV族半導(dǎo)體:Ge,GeSi,Si,SiC,CII-VI族半導(dǎo)體Zn(Mg,Cd,Hg)OZn(Mg,Cd,Hg)S半導(dǎo)體體系I.寬禁帶半導(dǎo)體概述半導(dǎo)體材料體系第一代：硅（Si）、鍺(Ge)第二代：砷化鎵（GaAs）

、磷化銦（InP）第三代：氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的研究歷程：元素半導(dǎo)體，如硅（Si）、鍺(Ge)

化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、碳化硅（SiC）、

氮化鎵（GaN）磷化銦（InP）

三元素化合物:AlxGa1-xAS半導(dǎo)體材料分類：半導(dǎo)體材料分類體材料、薄膜材料、微結(jié)構(gòu)材料、人工設(shè)計(jì)材料……1.2固體類型晶體：具有一定外形和固定熔點(diǎn)，更重要的是晶體內(nèi)部原子（或離子）在較大范圍（至少微米數(shù)量級(jí)）是按一定方式有規(guī)則排列而成（稱為長(zhǎng)程有序）（如Si，Ge，GaAs）。非晶體：沒(méi)有規(guī)則的外形和固定的熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上不存在長(zhǎng)程有序，但在較小范圍內(nèi)（幾個(gè)原子間距）仍存在結(jié)構(gòu)上的有序排列（稱為短程有序）。長(zhǎng)期以來(lái)將固體分為：晶體和非晶體。單晶：整個(gè)晶體主要由原子或離子的一種排列方式貫穿始終,

常用的半導(dǎo)體材料鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)都是單晶。多晶：由許多小晶粒雜亂的堆積而成,如各種金屬材料和電子陶瓷材料。（晶界分離）。晶體---分為單晶和多晶非晶、多晶和單晶示意圖1.3空間晶格晶格：晶體原子的周期性排列稱為晶格。格點(diǎn)：組成晶體的原子（或離子）的重心位置稱為格點(diǎn)。點(diǎn)陣：格點(diǎn)的整體稱為點(diǎn)陣。在點(diǎn)陣的每個(gè)陣點(diǎn)上附有一群原子，這樣一個(gè)原子群稱為基元，基元在空間重復(fù)就形成晶體結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣+基元=晶體結(jié)構(gòu)1.3.1原胞和晶胞原胞：晶格的最小周期單元,只反映晶格周期性,不反映對(duì)稱性,一個(gè)原胞平均只包含一個(gè)格點(diǎn)。晶胞：晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，能夠充分反映整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，既反映周期性又反映了各種對(duì)稱性，整塊晶體就是晶胞周期平移而成。原胞對(duì)于任何給定的晶體，可以用來(lái)形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）原胞無(wú)需是唯一的

（b）原胞無(wú)需是基本的1.3.2基本的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：在立方晶系中，通常取三個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸,稱為晶軸，通常通常取立方體的邊長(zhǎng)a作為長(zhǎng)度單位，稱為晶格常數(shù)。P7例1.1在立方方晶系中，通常取三個(gè)相互垂直的邊作為三個(gè)坐標(biāo)軸——晶軸；通常取立方體邊長(zhǎng)a作業(yè)長(zhǎng)度單位——晶格常數(shù)?；福汉?jiǎn)立方sc體心立方bcc面心立方fcc1.3.3晶面和密勒指數(shù)晶面：晶格中所有格點(diǎn)可以看作是全部包含在一系列相互平行等間距的平面系上,這樣的平面系叫晶面族。(1)通常取某一晶面與三個(gè)晶軸垂直的截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)，即：1/r:1/s:1:t=h:k:l,稱h,k,l為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記為(hkl)，稱為(hkl)平面；(2)任何平等的平面都是彼此等效的。(3)若晶面與某晶軸平行，截距∞,對(duì)應(yīng)的Miller指數(shù)為0，負(fù)號(hào)寫在對(duì)應(yīng)指數(shù)上方。原子的面密度：P9例1.3晶面的表示:(3)倒數(shù)乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)標(biāo)記，這些整數(shù)稱為密勒指數(shù)。(1)平面截距：3，2，1(2)平面截距的倒數(shù)：1/3，1/2，1晶面的表示例:同類晶面：記為{hkl}如{100}表示：1.3.3晶面和密勒指數(shù)簡(jiǎn)立方晶體的三種晶面

(100)(110)(111)

晶體徒結(jié)構(gòu)-晶向(100)(110)(111)注：科在立詢方晶菌系中惠，晶部列指棚數(shù)和結(jié)晶面飲指數(shù)委相同置的晶震向和辭晶面刪之間北是互鮮相垂雜直的卸。如[1洪00爪]庫(kù)⊥(喜10疑0)差,冊(cè)[1烤11建]彩⊥(嗎11該1)晶握向筐：通過(guò)婆晶體仰中原史子中猛心的斑不同夕方向次的原子列[h聞kl怒]OR=l1a+l2b+l3c取l1:l2:l3=m鄉(xiāng)豐:n盈:p話,m微,n徑,p為互榜質(zhì)整他數(shù)稱m、n、p為晶列嬌指數(shù),記作[m嗚np沿],表示宿某個(gè)鋤晶向頂。同類幻玉晶向記為<m緊np差>如<1遍00漫>表示--真--榜--等6個(gè)同社類晶浮向<1溉10壘>表示--倉(cāng)--柄--等12面對(duì)娃角線告晶向<1里11雙>表示--今--曬--等8個(gè)體莊角線鑰晶向R晶體飄結(jié)構(gòu)-晶向1.居3.盼4金剛私石結(jié)繡構(gòu)金剛厚石結(jié)裙構(gòu)1.屢3.芹4金剛茶石結(jié)睬構(gòu)1、金冒剛石細(xì)結(jié)構(gòu)（金咽剛石漢結(jié)構(gòu)山晶胞脈）是托由4個(gè)共魔價(jià)四遙面體衰組成傷的，嚴(yán)上一污個(gè)正構(gòu)立方點(diǎn)體在溪其八能個(gè)頂北角上究和六辟個(gè)面陣心上央各有切一個(gè)嫁原子赴，在偵立方鏈體的規(guī)內(nèi)部濕有四灣個(gè)原腫子，撫分別限位于老四條躍空間嘩對(duì)角槍線上鵲且與槽最近便鄰的正頂角素原子翅距離點(diǎn)為1/調(diào)4對(duì)角忘線長(zhǎng)皇度。所謂卻金剛呆石結(jié)盜構(gòu)即極兩個(gè)斯面心細(xì)立方街沿空緒間對(duì)洗角線忘方向共即<1襯11頑>方向芽相互欠平移1/搜4對(duì)角敵線長(zhǎng)靈度套江構(gòu)而置成。原子淹密度脂：2、鉛貞（閃望）鋅速礦結(jié)患構(gòu)：由兩種不同殼原子總組成脖的面鑒心立流方，諒沿空舍間對(duì)俘線方意向平矮移1/令4對(duì)角拜線長(zhǎng)旋度套制構(gòu)而羊成。Ge、Si是金憂剛石是構(gòu)。Ga裳As是鉛戶鋅礦舊結(jié)構(gòu)趟。其勁中每歐個(gè)鎵雖原子增有四乏個(gè)最頂近鄰蹦的砷穗原子雄，每屯個(gè)砷生原子只有四招個(gè)近繪鄰的移鎵原小子。Ga循As中鎵濫原子標(biāo)密度知為？1.輸3.蜓4金剛進(jìn)石結(jié)翁構(gòu)1.壺4原子華價(jià)鍵(1汁)離子全鍵與灑離子涉晶體街：（Na牢Cl庫(kù)侖繩力）周期睜表中棗，Ⅰ族元鹿素，陸負(fù)電路性最原小，扶容易宰失去弟電子期，如Na；Ⅶ族元置素，艦負(fù)電構(gòu)性最幫大，遵容易僚得到懼電子哨，如Cl。Na+與Cl-，依噸靠庫(kù)侖熊力結(jié)合盛為Na抖Cl晶體蹈；稱專依靠登正負(fù)倒電荷湊間的從庫(kù)侖惑力所序形成擋的結(jié)饑合力健為離子藝鍵。離子乓鍵形至成的凈晶體蓄為離子牙晶體。(2擁)共價(jià)勢(shì)鍵與胳共價(jià)會(huì)晶體塞：(H2共用位電子味對(duì))Si、Ge某元慶素半慎導(dǎo)體陡由同蟻一種皺原子匪構(gòu)成咬，無(wú)綱負(fù)電狹性差棟，而奶是由稱一對(duì)啞自旋狐相反乓的配知位價(jià)司電子廟結(jié)合灰，其次電子責(zé)云在保電子們間相韻互重傾疊具復(fù)有較屢高密倆度，多則帶憐正電普的原癥子實(shí)四和帶撒負(fù)電奏的電交子相雞互吸引引將仙原子換結(jié)合寬形成左共價(jià)擠晶體。共價(jià)士晶體杠的特餐征:(a牙)方向媽性；(b勁)飽和京性。1.屋4原子旦價(jià)鍵（3優(yōu)）金組屬鍵：Ⅰ族元喉素對(duì)柄價(jià)電保子的允束縛個(gè)能力創(chuàng)較弱傘，在指結(jié)合燦成晶邊體時(shí)低，原階先屬迷于各遇個(gè)原級(jí)子的替價(jià)電對(duì)子不獸再束浮縛于守某一小個(gè)原呢子而喜為所夏有原崇子所踐共用丈，價(jià)電技子可舟以在豎整個(gè)州晶體貞運(yùn)動(dòng)巨，稱貢為“梢電子敵氣”渡，帶負(fù)郊電的郊電子韻氣和內(nèi)帶正做電的瘡原子植實(shí)之寄間的天為庫(kù)侖坊力所形似成的檢結(jié)合病稱為嫂金屬淋鍵。（4）范柜德華挨鍵——最弱徑的化問(wèn)學(xué)鍵1.蠟4原子絨價(jià)鍵1.突5晶體綠中的猾缺陷和和雜敢質(zhì)1.疼5.庸1固體然中的堪缺陷晶格光振動(dòng)點(diǎn)缺顏陷(空位腦于填紹系)線缺血陷線缺楚陷1.欺5.攝2固體梨中的炒雜質(zhì)晶體哭中的袖雜質(zhì)纏：晶體側(cè)中可瘋能出耳現(xiàn)外茶來(lái)原柔子，廁即除查半導(dǎo)備體材壤料元弦素之傾外的歪其它元素鑼。雜質(zhì)擦的存馳在方兼式：替位股式（糕替位階雜質(zhì)陵）失間隙隸式（蝕填隙訪雜質(zhì)舍）1.五5晶體編中的勁缺陷酸和雜息質(zhì)摻蜻雜副：為了覆改變卸導(dǎo)電鋪性而蓋向半觸導(dǎo)體候材料瓣中加應(yīng)入雜增質(zhì)的端技術(shù)稱為蹈摻雜醉。摻雜釋的方濾法：(1尾)擴(kuò)散(高溫訪擴(kuò)散10鑄00度)；(2鬼)離子命注入(50青ke拉V損傷少與退皇火)退濃火：退火輛是一運(yùn)種金炮屬熱剖處理鋒工藝染，指擇的是炸將金市屬緩斬慢加熱到舌一定獸溫度鄙，保痛持足陶夠時(shí)角間，摧然后哀以適歷宜速各