硅的晶體結(jié)構(gòu)PPT課件

1、1非晶體多晶體單晶體晶體固體第1頁/共42頁21.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.1.1 晶胞一、基本概念晶格：晶體中原子的周期性排列稱為晶格。晶胞：晶體中的原子周期性排列的最小單元，用來代表整 個晶格，將此晶胞向晶體的四面八方連續(xù)延伸，即 可產(chǎn)生整個晶格。第2頁/共42頁3晶格常數(shù)：晶胞與晶格的關(guān)系 可用三個向量a、b及c來表示，它 們彼此之間不需要正交，而且在 長度上不一定相同，稱為晶格常 數(shù)。每個三維空間晶體中的等效 格點(diǎn)可用下面的向量組表示： Rma + nb + pc 其中m、n及p是整數(shù)。 acbacb單晶體：整個晶體由單一的晶格連續(xù)組成的晶體。多晶體：由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無規(guī)則地堆積而

2、成的晶 體。第3頁/共42頁4簡單立方晶格：在立方晶格的每一個角落，都有一個原子，且 每個原子都有六個等距的鄰近原子。長度a稱為晶格常數(shù)。在周 期表中只有钚(polonium)屬于簡單立方晶格。體心立方晶格：除了角落的八個原子外,在晶體中心還有一個 原子。在體心立方晶格中，每一個原子有八個最鄰近原子。鈉 (sodium)及鎢(tungsten)屬于體心立方結(jié)構(gòu)。xzyxzABCD二、三種立方晶體原胞第4頁/共42頁5面心立方晶格:除了八個角落的原子外，另外還有六個原子在 六個面的中心。在此結(jié)構(gòu)中，每個原子有12個最鄰近原子。 很多元素具有面心立方結(jié)構(gòu)，包括鋁(aluminum)、銅(coppe

3、r) 、金(gold)及鉑(platinum)。z第5頁/共42頁61.1.2 共價四面體一、硅的晶胞 處在立方體頂角和面心的原子構(gòu)成一套面心立方格子，處在體對角線上的原子也構(gòu)成一套面心立方格子。因此可以認(rèn)為硅晶體是由兩套面心立方格子沿體對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成的。這種晶胞稱為金剛石型結(jié)構(gòu)的立方晶胞，如下圖所示。第6頁/共42頁7 金剛石型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 每個原子周圍都有四個最近鄰的原子，組成一個正四面體結(jié)構(gòu)。這四個原子分別處在正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個價電子為該兩個原子所共有，組成四個共價鍵，它們之間具有相同的夾角（鍵角） 10928。二、共價四面體第7頁/共4

4、2頁8 金剛石型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞 是立方對稱的晶胞，可以看成是兩個面心立方晶胞沿立方體的空間對角線互相位移了14的空間對角線長度套構(gòu)而成的。原子在晶胞中排列的情況是：八個原子位于立方體的八個角頂上，六個原子位于六個面中心上，晶胞內(nèi)部有四個原子。立方體頂角和面心上的原子與這四個原子周圍情況不同，所以它是由相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格。 晶格常數(shù) Si：a=5.65754 Ge：a=5.43089第8頁/共42頁9例題：硅在300K時的晶格常數(shù)a為5.43。請計算出每立方厘米體積中的硅原子數(shù)及常溫下的硅原子密度。解： 每個晶胞中有8個原子，晶胞體積為a3，每個原子所占的空間體積為a3/8，因此每立方厘米

5、體積中的硅原子數(shù)為： 8/a3=8/(5.43108)3=51022（個原子/cm3） 密度=每立方厘米中的原子數(shù)每摩爾原子質(zhì)量/阿伏伽德羅常數(shù)=5102228.09/(6.021023)g/cm3=2.33g/cm31.1.3 原子密度第9頁/共42頁10例題: 假使將圓球放入一體心立方晶格中，并使中心圓球與立方體八個角落的圓球緊密接觸，試計算出這些圓球占此體心立方晶胞的空間比率。 圓球半徑定義為晶體中最小原子間距的一半，即 。yxzABCD1.1.4 晶體內(nèi)部的空隙343Sir83a8/3 a%348/3/433arSi解：球的體積為：每個硅原子在晶體內(nèi)所占的空間體積為：8/3a則空間利用

6、率為： 空隙為66% 第10頁/共42頁111.2 晶向、晶面和堆積模型1.2.1 晶向一、晶列 晶體晶格中的原子被看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。同一晶體中存在許多取向不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情況一般是不同的。二、晶向 1. 定義：表示一族晶列所指的方向。第11頁/共42頁122. 晶向指數(shù) 以簡單立方晶格原胞的三個邊作為基矢x，y，z，并以任一格點(diǎn)作為原點(diǎn)，則其它所有格點(diǎn)的位置可由矢量：給出，其中l(wèi)1、l2、l3為任意整數(shù)。而任何一個晶列的方向可由連接晶列中相鄰格點(diǎn)的矢量：的方向來標(biāo)記，其中m1、m2、m3必為互質(zhì)的整數(shù)。若m1、m2、m3不為互質(zhì)

7、，那么這兩個格點(diǎn)之間一定還包含有格點(diǎn)。對于任何一個確定的晶格來說，x，y，z是確定的，實(shí)際上只用這三個互質(zhì)的整數(shù)m1、m2、m3來標(biāo)記晶向，一般寫作m1、m2、m3，稱為晶向指數(shù)。zmymxmA321zlylxlL321第12頁/共42頁133. 硅晶體不同晶向上的原子分布情況第13頁/共42頁141.2.2 晶面一、定義 晶體晶格中的原子被看作是處在一系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為晶面。通過任何一個晶列都存在許多取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情況一般是不同的。二、米勒指數(shù) 用相鄰的兩個平行晶面在矢量x，y，z的截距來標(biāo)記，它們可以表示為x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、

8、h3為互質(zhì)的整數(shù)或負(fù)整數(shù)。通常就用h1、h2、h3來標(biāo)記晶面，稱它們?yōu)榫嬷笖?shù)(或米勒指數(shù))。第14頁/共42頁15關(guān)于米勒指數(shù)的一些其他規(guī)定：l( )：代表在x軸上截距為負(fù)的平面，如lhkl：代表相對稱的平面群，如在立方對稱平面中，可用100表示(100)，(010)，(001)， ， ， 六個平面。lhkl：代表一晶體的方向，如100方向定義為垂直于(100)平面的方向，即表示x軸方向。而111則表示垂直于(111)平面的方向。l：代表等效方向的所有方向組，如代表100、010、001、 、 、 六個等效方向的族群。 klh)001()010()001()100(001010100第15頁

9、/共42頁16三、立方晶系的幾種主要晶面第16頁/共42頁17四、硅的常用晶面上的原子分布第17頁/共42頁18體缺陷面缺陷線缺陷點(diǎn)缺陷缺陷1.3 硅晶體中的缺陷第18頁/共42頁191.3.1 點(diǎn)缺陷隙式）外來原子（替位式和間弗侖克爾缺陷肖特基缺陷空位自間隙原子點(diǎn)缺陷一、自間隙原子 存在于硅晶格間隙中的硅原子，是晶體中最簡單的點(diǎn)缺陷。第19頁/共42頁20第20頁/共42頁21二、空位和間隙原子 在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近做振動運(yùn)動，而且有一部分原子會獲得足夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子，原來的位置便成為空位： 這時間隙原子和空位是成對出現(xiàn)

10、的，稱為弗侖克耳缺陷； 若只在晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子時，稱為肖特基缺陷； 間隙原子和空位不斷地產(chǎn)生和復(fù)合，最后確立一平衡濃度值； 這種由溫度決定的點(diǎn)缺陷又稱為熱缺陷，它們總是同時存在的； 由于原子須具有較大的能量才能擠入間隙位置，以及它遷移時激活能很小，所以晶體中空位比間隙原子多得多，故空位是常見的點(diǎn)缺陷；第21頁/共42頁22 外來原子進(jìn)入晶體后，有兩種方式存在： 一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，稱這種雜質(zhì)為間隙式雜質(zhì)。形成該種雜質(zhì)時，要求其原子比晶格原子?。?另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，稱這種雜質(zhì)為替位式雜質(zhì)。形成該種雜質(zhì)時，要求其原子的大小與被取代的晶

11、格原子的大小比較接近，而且二者的價電子殼層結(jié)構(gòu)也比較接近。替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)三、外來原子第22頁/共42頁23 晶體中的位錯可以設(shè)想是由滑移所形成的，滑移以后兩部分晶體重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的交界處形成位錯； 當(dāng)位錯線與滑移矢量垂直時，這樣的位錯稱為刃位錯； 如果位錯線與滑移矢量平行，稱為螺位錯。線缺陷，亦稱位錯刃位錯和螺位錯：1.3.2 線缺陷第23頁/共42頁24AD為位錯線滑移矢量刃位錯第24頁/共42頁25AD為位錯線滑移矢量螺位錯第25頁/共42頁261.3.3 面缺陷 晶體中的面缺陷是二維缺陷，其在兩個方向上的尺寸都很大，另外一個方向上的尺寸很小。主要分兩

12、種： 多晶的晶粒間界就是最明顯的面缺陷，它是一個原子錯排的過渡區(qū)； 在密堆積的晶體結(jié)構(gòu)中，由于堆積次序發(fā)生錯亂，稱為堆垛層錯，簡稱層錯。層錯是一種區(qū)域性的缺陷，在層錯以外及以內(nèi)的原子都是規(guī)則排列的，只是在兩部分交界面處原子排列才發(fā)生錯亂，所以它是一種面缺陷。第26頁/共42頁271.3.4 體缺陷 雜質(zhì)硼、磷、砷等在硅晶體中只能形成有限固溶體。當(dāng)摻入的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。晶體中的空隙也是一種體缺陷。第27頁/共42頁281.4 硅中雜質(zhì)一、半導(dǎo)體的電阻特性第28頁/共42頁29第29頁/共42頁30二、本征半導(dǎo)體和本征激發(fā)本征半導(dǎo)體：沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)

13、體。T=0K時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量 子態(tài)都是空的，也就是說，半導(dǎo)體中共價鍵是飽和的、完整 的。T0K時，就有電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，同時價帶中產(chǎn)生空 穴，這就是所謂的本征激發(fā)。由于電子和空穴成對產(chǎn)生，導(dǎo) 帶中的電子濃度n0等于價帶中的空穴濃度p0。第30頁/共42頁31第31頁/共42頁32三、雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。半導(dǎo)體電阻率的大小與所含雜質(zhì)濃度密切相關(guān)。 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體后，有兩種方式存在： 一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，稱這種雜質(zhì)為間隙式雜質(zhì)。形成該種雜質(zhì)時，要求其原子比晶格原子??； 另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格

14、點(diǎn)處，稱這種雜質(zhì)為替位式雜質(zhì)。形成該種雜質(zhì)時，要求其原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較接近，而且二者的價電子殼層結(jié)構(gòu)也比較接近。替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)第32頁/共42頁33四、施主雜質(zhì)、施主能級(舉例Si中摻P，Si:P)第33頁/共42頁34電離結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這也是摻施主的意義所在主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型或n型半導(dǎo)體把被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級。施主能級靠近導(dǎo)電底部第34頁/共42頁35施主雜質(zhì)釋放電子的過程稱為施主電離。施主雜質(zhì)未電離時是中性的稱為束縛態(tài)或中性態(tài)；電離后成為正電中心，稱為施主離化態(tài)。使電子掙脫施主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)帶電子所需要的能量稱為施主電離能。第35頁/共42頁36n型雜質(zhì)第36頁/共42頁37五、受主雜質(zhì)、受主能級(舉例Si中摻B，Si:B)第37頁/共42頁38電離結(jié)果：價帶中的空穴數(shù)增加了，這也是摻受主的意義所在