第一节固体晶体结构

1、 第二章第二章：微电子技术的物理基础：微电子技术的物理基础 第三章第三章：微电子技术的器件初步：微电子技术的器件初步 第四章第四章：器件制备工艺技术：器件制备工艺技术 第五章第五章：集成电路设计：集成电路设计 第一节固体晶体结构 第二章 微电子学的物理基础 1. 1. 晶体结构晶体结构 2. 2. 半导体中的电子运动规律半导体中的电子运动规律 3. 3. 半导体中的载流子半导体中的载流子 4. 4. 载流子的输运现象载流子的输运现象 5. 5. 非平衡态半导体非平衡态半导体 6. 6. PNPN结物理基础结物理基础 7. 7. 半导体接触现象半导体接触现象 第一节固体晶体结构 3 第一节：晶体

2、结构第一节：晶体结构 1.11.1固体的类型固体的类型 1.21.2晶体内部结构周期性晶体内部结构周期性 1.31.3晶体的形成原因晶体的形成原因-价键价键 1.41.4 晶体中的缺陷和杂质晶体中的缺陷和杂质 1.51.5 半导体材料的生长半导体材料的生长 内容提要：内容提要： 第一节固体晶体结构 4 无定型无定型多晶多晶单晶单晶 1.1 1.1 固体的类型固体的类型 第一节固体晶体结构 5 无定型无定型 多晶多晶 单晶单晶 判定标准判定标准有序性有序性 在几个原子或分子范围内有序在几个原子或分子范围内有序 在多个原子或分子范围内有序在多个原子或分子范围内有序 晶粒：尺度晶粒：尺度 微米的量级

3、微米的量级 晶界晶界 在整个晶体范围内有序在整个晶体范围内有序 第一节固体晶体结构 6 1.2 1.2 晶体内部结构的周期性晶体内部结构的周期性 1.2.1 1.2.1 晶体主要特征晶体主要特征 1.2.2 1.2.2 晶体内部结构周期性的描述晶体内部结构周期性的描述 1.2.3 1.2.3 十四种布拉伐格子十四种布拉伐格子 1.2.41.2.4 常见半导体的晶体结构常见半导体的晶体结构 第一节固体晶体结构 7 1.2 1.2 晶体内部结构的周期性晶体内部结构的周期性 天然水晶天然水晶 天然岩盐天然岩盐 方解石方解石 第一节固体晶体结构 8第一节固体晶体结构 9第一节固体晶体结构 10 1.2

4、 1.2 晶体内部结构的周期性晶体内部结构的周期性 DNA晶体的X射线衍射照片 第一节固体晶体结构 11 1.2.1 1.2.1 晶体主要特征晶体主要特征 原子或分子排列的周期性原子或分子排列的周期性 排列的对称性排列的对称性 Si Si的晶体结构的晶体结构 第一节固体晶体结构 12 1.2-2 1.2-2 晶体内部结构周期性晶体内部结构周期性 描述方法：描述方法： 1. 1.空间晶格（布拉伐格子）空间晶格（布拉伐格子） 2. 2.单胞与原胞单胞与原胞 3. 3.基矢量法基矢量法 第一节固体晶体结构 13 1. 1.空间晶格（布拉伐格子）空间晶格（布拉伐格子） 第一节固体晶体结构 14 晶体结

5、构晶体结构 = = 布拉伐格子布拉伐格子 + + 基元基元 = + 晶体结构晶体结构 Vs. Vs. 布拉伐格子布拉伐格子 基元：代表一个原子集团。基元：代表一个原子集团。 每个基元中的原子数就等于每个基元中的原子数就等于，不可能小于。，不可能小于。 原子种类：包括化学成分或所处不同环境的原子原子种类：包括化学成分或所处不同环境的原子 第一节固体晶体结构 15 Proved by Bravais in 1840sProved by Bravais in 1840s 基矢量：基矢量：a b c a b c 夹角：夹角： 第一节固体晶体结构 16 1.2-31.2-3几种常见的布拉伐格子几种常见的

6、布拉伐格子 立方晶系立方晶系 a aa 晶格常数晶格常数 简立方格子简立方格子体心立方格子体心立方格子面心立方格子面心立方格子 第一节固体晶体结构 17 六角晶系：六角格子六角晶系：六角格子 晶格常数晶格常数 a a，c c a a b b c c 90 90 120 120 第一节固体晶体结构 例题 请说明CsCl晶体的布拉伐格子。 第一节固体晶体结构 19第一节固体晶体结构 20 l 相应的半导体相应的半导体 Si Si，GeGe l 每一个每一个Si(Si(或或Ge)Ge)原子有原子有 四个近邻原子，构成四四个近邻原子，构成四 个共价键。个共价键。 l 布拉伐格子为面心立方布拉伐格子为面

7、心立方 格子。格子。 l Si Si晶格常数为晶格常数为 5.4315.431 第一节固体晶体结构 21 金刚石结构金刚石结构 第一节固体晶体结构 22 a/2 a a a 晶格常数晶格常数 （lattice constant)lattice constant) Si Si 的四个近邻原子的四个近邻原子 109109 2828 正四面体正四面体 第一节固体晶体结构 23 金刚石结构组成金刚石结构组成 第一节固体晶体结构 24 GaAs GaAs 晶体结构晶体结构闪锌矿结构闪锌矿结构 l 布拉伐格子布拉伐格子: : 面心立方格子。面心立方格子。 l GaAsGaAs晶格常数晶格常数: : 5.6

8、5 5.65 第一节固体晶体结构 25 GaN GaN 晶体结构晶体结构纤锌矿结构纤锌矿结构 第一节固体晶体结构 26第一节固体晶体结构 27 1.3 1.3 晶体的形成原因晶体的形成原因 离子键离子键 离子晶体离子晶体 共价键共价键 共价晶体共价晶体 金属键金属键 金属晶体金属晶体 分子键分子键 分子晶体分子晶体 组成晶体的粒子之间存在静电力，键组成晶体的粒子之间存在静电力，键 第一节固体晶体结构 28 离子键 第一节固体晶体结构 29 离子键 一族(碱金属)元素容易失去电子 成为正离子，七族(卤族)元素容 易失去电子成为负离子。而各自 达到满外壳层结构。 正负离子之间的库仑作用(吸引力 和

9、排斥力)形成离子键 正粒子被负离子包围，反之亦然。 离子键键能很大，晶体熔点较高。 CsCl CsCl 晶体结构晶体结构 CsCs+ + ClCl- - 第一节固体晶体结构 30 共价键 H H H H H H H H 共有电子来自于两氢原子的贡献，形成共价键共有电子来自于两氢原子的贡献，形成共价键 原子间的相互作用倾向于形成满价壳层原子间的相互作用倾向于形成满价壳层 第一节固体晶体结构 31 共价键 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 原子间的相互作用倾向于形成满价壳层原子间的相互作用倾向于形成满价壳层 Si Si原子有四个价电子，与四个近邻原子各提供的一个电子原子有

10、四个价电子，与四个近邻原子各提供的一个电子 组成满价壳层。组成满价壳层。 第一节固体晶体结构 32 l典型的金属晶体分为： 碱金属 (Li, Na, K,等) 碱土金属 (Be, Mg) 过渡金属 (Fe, Cu, Ni，Ag，Au等) l离子心和共有价电子之间的相互作用形成 金属键 l过渡金属原子内层d电子壳层未被填满，可 以构成共价键，这对结合能贡献很大，因 此过渡金属熔点很高。 金属键金属键 第一节固体晶体结构 33 分子键分子键 分子之间的作用力 分子的正负电中心分布不对称所至，形成 偶极子 偶极子之间的静电作用形成分子键。 作用力很弱，键能很低。 第一节固体晶体结构 34 缺陷缺陷 1.4 1.4 晶体中的缺陷和杂质晶体中的缺陷和杂质 第一节固体晶体结构 35 缺陷缺陷 线缺陷线缺陷 第一节固体晶体结构 36 杂质：替位杂质、填隙杂质杂质：替位杂质、填隙杂质 掺杂方法：掺杂方法： 热扩散热扩散 离子注入离子注入 杂质杂质 第一节固体晶体结构 37 1.5 1.5 半导体材料的生长（半导体材料的生长（1 1） l在熔融晶体中生长 拉单晶 第一节固体晶体结构 38第一节固体晶体结构 39 1.6 1.6 半导体材料的生长（半导体材料的生长（2 2） 外延生长外延生长 外延生长外延生长 Epitaxy