1、1,第一章 硅的晶体结构,1.1 硅晶体结构的特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度(自学),2,Si晶体结构 晶向、晶面 缺陷、杂质,本章重点,3,4,1.1 硅晶体结构的特点,1.1.1 晶胞,一、基本概念,晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。,5,晶格常数：晶胞与晶格的关系 可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格常数。每个三维空间晶体中的等效 格点可用下面的向
2、量组表示：Rma + nb + pc 其中m、n及p是整数。,单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶体。,6,简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。 体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。,二、三种立方晶体原胞,7,面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构
3、中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。,8,1.1.2 共价四面体,一、硅的晶胞,处在立方体顶角和面心的原子构成一套面心立方格子， 处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以 认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一 长度套构而成的。这种晶胞称为金刚石型结构的立方晶胞， 如下图所示。,9,金刚石型结构特点：每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面 体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组
4、成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）10928。,二、共价四面体,10,金刚石型结构的结晶学原胞是立方对称的晶胞，可以看成是两个面心立方晶胞沿立 方体的空间对角线互相位移了14的空间对角线长度套构而 成的。原子在晶胞中排列的情况是：八个原子位于立方体的 八个角顶上，六个原子位于六个面中心上，晶胞内部有四个 原子。立方体顶角和面心上的 原子与这四个原子周围情况不 同，所以它是由相同原子构成 的复式晶格。,晶格常数Si：a=5.65754Ge：a=5.43089,11,例题：硅在300K时的晶格常数a为5.43。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。,解： 每个晶胞中有8
5、个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占的空间体积为a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为：8/a3=8/(5.43108)3=51022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数=5102228.09/(6.021023)g/cm3=2.33g/cm3,1.1.3 原子密度,12,例题: 假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方晶胞的空间比率。 圆球半径定义为晶体中最小原子间距的一半，即 。,1.1.4 晶体内部的空隙,解：球的体积为：,每个硅原子在晶体内所占的空间体积为：,则空间利用率为： 空隙
6、为66%,13,1.2 晶向、晶面和堆积模型,1.2.1 晶向,一、晶列,晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同的。,二、晶向,1. 定义：表示一族晶列所指的方向。,14,2. 晶向指数,以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：,给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量：,的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有
7、格点。对于任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作m1、m2、m3，称为晶向指数。,15,3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况,16,1.2.2 晶面,一、定义,晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。,二、米勒指数,用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负整数。通常就用h1、h2、h3来标记晶面，称它们为晶面指数 (或米勒指数)
8、。,17,关于米勒指数的一些其他规定： ( )：代表在x轴上截距为负的平面，如 hkl：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用100表示(100)，(010)，(001)， ， ， 六个平面。 hkl：代表一晶体的方向，如100方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而111则表示垂直于(111)平面的方向。 ：代表等效方向的所有方向组，如代表100、010、001、 、 、 六个等效方向的族群。,18,三、立方晶系的几种主要晶面,19,四、硅的常用晶面上的原子分布,20,1.3 硅晶体中的缺陷,21,1.3.1 点缺陷,一、自间隙原子,存在于硅晶格间隙中的硅原子，是晶体中
9、最简单的点缺陷。,22,23,二、空位和间隙原子在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的 位置便成为空位： 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷； 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷； 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值；,这种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷，它们总是同时存在的； 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，故空位是常见的点缺陷；,24,外来原子进入晶体后，有两种方
10、式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称这种杂质为替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价电子壳层结构也比较接近。,替位式杂质,间隙式杂质,三、外来原子,25,晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。,线缺陷，亦称位错刃位错和螺位错：,1.3.2 线
11、缺陷,26,AD为位错线,滑移矢量,刃位错,27,AD为位错线,螺位错,28,1.3.3 面缺陷,晶体中的面缺陷是二维缺陷，其在两个方向上的尺寸都 很大，另外一个方向上的尺寸很小。主要分两种： 多晶的晶粒间界就是最明显的面缺陷，它是一个原子错排的过渡区； 在密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。层错是一种区域性的缺陷，在层错以外及以内的原子都是规则排列的，只是在两部分交界面处原子排列才发生错乱，所以它是一种面缺陷。,29,1.3.4 体缺陷,杂质硼、磷、砷等在硅晶体中只能形成有限固溶体。当 掺入的数量超过晶体可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉 积，形成体缺陷。晶体中的
12、空隙也是一种体缺陷。,30,1.4 硅中杂质,一、半导体的电阻特性,31,32,二、本征半导体和本征激发,本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。 T=0K时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态都是空的，也就是说，半导体中共价键是饱和的、完整的。 T0K时，就有电子从价带激发到导带，同时价带中产生空穴，这就是所谓的本征激发。由于电子和空穴成对产生，导带中的电子浓度n0等于价带中的空穴浓度p0。,33,34,三、杂质半导体,掺入杂质的半导体称为杂质半导体。半导体电阻率的大 小与所含杂质浓度密切相关。,杂质原子进入半导体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称
13、这种杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称这种杂质为替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价电子壳层结构也比较接近。,替位式杂质,间隙式杂质,35,四、施主杂质、施主能级(举例Si中掺P，Si:P),36,电离结果：导带中的电子数增加了，这也是掺施主的意义所在,主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体,把被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级。施主能级靠近导电底部,37,施主杂质释放电子的过程称为施主电离。施主杂质未电离时是中性的称为束缚态或中性态；电离后成为正电中心，称为施主离化态。使电子挣脱施主杂质束缚成为导带电子所需要的能量称为施主电离能。,38,n型杂质,39,五、受主杂质、受主能级(举例Si中掺B，Si:B),40,电离结果：价带中的空穴数增加了，这也是掺受主的意义所在,主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体,把被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。受主能级靠近价带顶部,41,空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的称为束缚态或中性态；电离后成为负电中心，称为受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量称为受主电离能。,42,p型杂质,43,六、n型半导体和p型半导体,
