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半导体物理 半导体 物理 第七 PPT 课件

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固体的性质及晶体结构的一般概念 固体有两类，即晶体和非晶体。晶体又分为单晶体和多晶体，而多晶体是由许多小单晶体(称为晶粒)组成的。这里所说的固体一般性质主要是指固体不同于气体和液体的性质，以及晶体与非晶体相比较的突出特性。 一、固体的一般性质 1. 固体具有一定的体积并保持自己的一定形状液体的分子密度比气体的高34个数量级，一般认为分子是一个挨着一个排列的。而液体转变为固体时，体积一般将缩小约10%，分子间距将缩小约3%，所以固体中分子之间的相互作用比其液态时更强。固体分子的热运动一般不会在整个固体内平移运动，而只能在自己的平衡位置上作热振动。因而固体不仅具有一定的体积，还能保持一定的形状。也正是由于组成固体的分子之间具有比流体更强的相互作用，使固体能够保持自己的一定形状，才使得固体的弹性既表现在当固体发生长变(或体变)时能够产生相应的压应力和张应力，也表现在当固体发生剪切时能够产生相应的剪应力。因而在固体中既能够形成和传播纵波，也能够形成和传播横波。流体通常却只能形成和传播纵波，而不能形成和传播横波。图8-18在保持一定形状方面，单晶体与非晶体相比具有不同的性质。单晶体具有自发地形成封闭凸多面体的特性，这称为晶体的自限性。这种特性是晶体内部原子的规则排列在晶体宏观形态上的反映。通常把围成单晶凸多面体的光滑平面称为晶体的晶面，不同晶面之间的交线称为晶棱，不同晶棱的交汇点称为顶点。由于生长条件的不同，同一种晶体会有不同的外形。图8-18中表示了石英晶体的几种常见外形。尽管同一种晶体有不同的外形，但是相应晶面间的夹角却是恒定不变的，这个规律称为晶面角守恒定律。如图8-18中表示的石英晶体, 晶面ab间的夹角是14147, 晶面bc间的夹角是12000，晶面ac间的夹角是11308。非晶体虽然具有一定的体积并保持自己的一定形状，却不具有晶体的上述特性。2. 单晶体具有各向异性沿单晶体不同方向，其力学性质、电磁性质、热学性质和光学性质一般各不相同，这称为各向异性。例如，在云母晶体片的一面涂一层石蜡，用烧热的钢针尖端接触云母片的另一面，我们会看到熔化的石蜡呈椭圆形，而不是圆形。这是由于云母晶体片的热导率沿熔化石蜡的椭圆长轴方向的值大于沿椭圆短轴方向的值。多晶体是由许多单晶颗粒组成的，而这些单晶颗粒的特征方向是混乱取向的，所以宏观上显示不出各向异性来。非晶体则不存在这种各向异性性质。3. 晶体具有确定的熔点晶体开始熔化的温度称为熔点。加热晶体，当温度达到熔点时，开始熔化，这时晶体虽然继续被加热，但温度却保持不变，直至晶体全部熔化为液态后, 温度才继续上升。凡是晶体(无论单晶体，还是多晶体)都具有确定的熔点。而非晶体没有确定的熔点，熔化过程与某一宽广的温度范围相对应，随着温度的升高非晶体先由硬变软，最后变成液态。二、关于晶体结构的一些概念 1. 空间点阵的概念图 8-19有的晶体是由离子构成的，称为离子晶体；有的晶体是由分子构成的，称为分子晶体；还有的晶体是由原子或原子团构成的，称为原子晶体。无论哪种晶体，构成晶体的粒子都是按照一定方式在空间重复排列的，这种排列的规律性称为晶体的周期性。周期性是晶体的一种基本特征。如果用小圆圈代表构成晶体的粒子的中心，它们在空间周期性地重复排列就形成了一定的格架或阵列，如图8-19所示，这种格架或阵列就称为空间点阵，或称晶格, 也称布喇菲格子。图中小圆圈所代表的构成晶体的粒子的中心位置, 称为晶格的格点，或结点。图 8-20空间点阵是晶体结构的数学抽象。如果晶体是由原子构成的，那么每个结点代表一个原子，空间点阵就是原子在空间的实际排列情形。如果晶体是由分子构成的，每个分子可能是由两个或多个原子所组成，那么每个结点代表了一个分子的中心，这种晶体的空间点阵就是分子中心在空间的排列情形。也可以认为是分子中一种原子在空间的排列情形, 分子中其他任一种原子在空间也作同样的排列，形成相同的点阵，不过这些相同的点阵彼此错开一定的距离。如果晶体是由离子构成的, 那么每个结点代表了一个同种离子，空间点阵就是这种离子在空间排列的情形，而其他任一种离子在空间作同样的排列，形成同样的点阵，这些相同的点阵彼此错开一定的距离。为简便起见，我们在空间点阵中任取一个平面，在这个平面内结点的排列情况如图8-20所示。如果从任一个结点出发沿任一方向画一条直线，如图8-20中的a，或b，或c，若这条直线经过一定的距离遇到第二个结点，则我们可以断定，在这条直线上经过相同的距离后必定会遇到第三个结点，再经过相同的距离还会遇到第四个结点，等等。这个距离就称为平移周期，显然，对于同一种晶体的空间点阵，沿空间不同方向有不同的平移周期。点阵的平移周期是晶体结构的周期性的反映。2. 原胞和晶胞的概念由于空间点阵的周期性，我们可以取以结点为顶点、以平移周期为边长的平行六面体作为一个基本的几何单元，图8-19左下角用粗实线所画的平行六面体，就是这样一个基本几何单元。这样的几何单元具有下面的两个特点：(1)以这样的几何单元在空间重复排列可以得到整个空间点阵。也就是说，如果把所有这样的基本几何单元平行地、一个挨一个地堆积起来，可以充满整个晶体的空间点阵；(2)在任何两个这样的几何单元中，对应结点上的物理性质相同。图 8-21这样的基本几何单元称为原胞。显然原胞是反映晶体结构周期性的最小单位。对于这样的原胞来说，结点都处于平行六面体的顶角上, 内部和面上都不包含结点。但是，任何一种晶体除了具有周期性外，还各自具有一定的对称性，不同的晶体具有不同外形，就是晶体对称性的一种反映。为了既能反映晶体结构的周期性，同时又能反映其对称性，结晶学上所取的重复单元，体积不一定是最小的，结点不仅在顶角上, 还可以在平行六面体的体心或面心上，但边长总是一个平移周期，这样的重复单元称为晶胞。 14种布拉伐格子晶胞的边长称为晶格常量，或点阵常量。根据晶胞所反映的周期性和对称性，群论理论证明，晶体只能有14种不同类型的晶胞，它们分属于七大晶系，即立方晶系、六角晶系、四方晶系、三角晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系。例如，立方晶系包括了三种类型的晶胞：简单立方、面心立方和体心立方，分别如图8-21中的(a)、(b)和(c)所示，图中用粗实线所画的是它们各自的原胞，只有简单立方晶格的晶胞与原胞相同。3. 晶轴和晶面的概念在空间点阵中，凡是通过两个结点的直线必定通过多个结点，这种直线称为晶轴。显然，在晶格中存在着各种取向的晶轴。任意一种取向的晶轴不只一条，而是有许多条，它们都是互相平行的。在这些晶轴上, 结点的密