《固体电子导论》课件.ppt

1、固体电子导论,主讲：邓玲玲 Email: ,绪论,为什么要学习固体电子导论？,固体,人工晶体：半导体晶体 激光晶体 光子晶体等,天然晶体：各种天然矿石,非晶硅、非晶态合金等,固体材料是现代工业的基础；是后续专业课的重要基础。,如何学习固体电子导论？,第一章 晶体结构 第二章 晶体中原子的结合 第三章 晶格振动 第四章 晶体中的缺陷,一、固体物理学基础（一 四章）,听讲、总结、练习,二、晶体中的电子状态（第五章）,固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化 学性质的基础，而固体电子的能带理论则解 释了电子运动的基本特点。,三、半导体电子论（六十章）,第六章 半导体中的电子状态 第七章 半导体中杂

2、质和缺陷能级 第八章 半导体中载流子的统计分布 第九章 半导体的导电性 第十章 非平衡载流子,四、几种常见的半导体结构（十一、十二章）,第十一章 p-n结 第十二章 几种常见结构：MS接触、MIS结 构、异质结 电子的流动，电流的大小等,五、半导体的光学性质（十三章）,半导体中光的传播，折射率；半导体对光的吸收及产生的光电导。,第一章 晶体结构,主要知识点：晶体结构的周期性 晶胞、原胞、基矢的概念,1.1 晶体结构的周期性,一、 晶体结构的特点,晶体由基本微粒作周期性有规律地排列而成,构成晶体的基本微粒可以是：,原子：如金属钠晶体中的Na原子,离子：如NaCl晶体中的,分子：如大部分有机化合物

3、晶体（药品，染料）,周期性结构是晶体有别于非晶体的最根本的特征,二、晶体周期性结构的描述,1、晶格、格点、点阵,晶格：晶体中周期性的排列所组成的骨架,格点：微粒重心的位置,点阵：格点的总体,2、晶胞、原胞、基矢,晶胞：晶格中的重复单元；,原胞：体积最小的晶胞，即最小的重复单元,二维晶格的原胞呈平行四边形，且每个原胞中仅有一个格点（简单晶格）,三维晶格的原胞呈平行六面体，且每个原胞中仅有一个格点（简单晶格）,基矢：构成原胞的边矢量,晶体中任一物理量沿基矢方向平移基矢的整数倍，保持性质不变，体现了平移对称性。,格矢：晶格中任一格点的位置矢量,晶体的结构，可看作由格点沿基矢方向，以基矢的长度为周期进

4、行周期性的平移而构成。故晶体的周期性又称为平移对称性。,（基矢的选取不是唯一的）,1.2 几种典型的晶体结构,一、简单立方结构,边长为 的立方体的每个顶角处有一个原子占据,简单立方的晶胞,（原胞）,二、氯化铯型结构,在简单立方结构每个顶点有一个氯离子占据，体心有一个铯离子占据，构成氯化铯型结构,（氯化铯晶体等的晶格）,氯化铯型结构的晶胞,（原胞）,由一个原子平移、 复制构成晶体结构,由两个离子平移、复制 构成晶体结构,基：晶体中最小的微粒重复单元。,简单晶格：基中只含有一个粒子,复式晶格：基中含有两个以上的粒子,布拉菲格子：代表基的点周期性排列成的空间格子,布拉菲格子中每个点都绝对等价，每个点

5、的周围环境完全相同,简单立方结构的基只含 有一个粒子，所以是一 种简单晶格，自身就是一种布拉菲格子。,氯化铯型结构=两个不同离子构成（基） +简单立方晶格（布拉菲格子）,氯化铯型结构的基中含有两个粒子，所以是复式格子，其中Cs+和Cl-各自构成一套简单立方晶格。,由两套简单立方结构沿立方体对角线方向一半对角线长度相对错开套构而成。,三、体心立方结构,边长为a的立方体的每个顶角和体心处被同种原子占据构成体心立方结构。,体心立方是简单晶格，也是一种布拉菲格子。,（碱金属和铁、钼、铬等金属）,体心立方结构中的原子排列,通常将体心立方结构的原胞基矢取为,三个基矢是从一个顶角到三个相邻的体心,体心立方的

6、原子排列,致密度和配位数体现了晶格中原子排列的紧密程度,配位数：一个原子的最近邻原子个数。,四、面心立方结构,边长为 的立方体的每个顶角和每一个面的中心被同种原子占据构成面心立方结构。,面心立方是简单晶格，也是一种布拉菲格子,立方体晶胞中包含四个基，,（金属铜、银、金等）,面心立方结构中的原子排列,通常将面心立方结构的原胞基矢取为,三个基矢的是从同一顶角到同属一个立方单元的三个相邻面心的矢量,原胞体积,面心立方结构中，立方边 不是原子的最近距离，最近距离 为顶角原子与最近邻面中心原子的间距,致密度为0.74,面心立方中的原子排列,配位数为12,五、金刚石型结构,在一个立方单元中，在立方体的顶角

7、和面心被原子占据，还有四个原子分别占据在四条对角线上，距顶角 处，即对角线长度的 。,（金刚石及半导体材料锗和硅）,晶胞中，蓝色的原子和黄色的原子具有相同的化学性质，但所处位置不同，所以不等价,是一个由两个面心立方格子沿立方体对角线平移 对角线长度相互穿套而成。,a1,a2,a3,构成一个正四面体结构，这是金刚石结构的一个突出的特点，与原子的化合价键有关。,金刚石结构中最近邻原子间距为体对角线长度的 ，每个原子有四个最近邻原子，,六、闪锌矿型（立方ZnS）结构,重要的III、V族元素组成的化合物半导体（GaAs、InSb）和部分II、VI族化合物半导体（ZnS)都具有闪锌矿型结构。,由硫离子和

8、锌离子各自构成的面心立方格子沿立方体对角线平移 对角线长度相互穿套而成，为复式格子，基由一对硫离子和锌离子组成。,七、氯化钠型结构,氯化钠型结构是复式格子，它是由两套面心立方格子沿立方体边错开 的距离而套构而成。,（岩盐晶体，硫化铅等IV-VI族 化合物半导体）,八、六角密集结构,（镁、钴、锌等金属）,六角密集结构是复式格子，是由简单六角格子穿套而成的。,A层面上的原子与B层面上的原子不等价,六角密集结构中,同一层中， 原子间距,上层与下层间，原子间距,致密度=,0.74,九、纤锌矿（六角ZnS）型结构,部分II、VI族化合物半导体（ZnS、CdS）及III族元素的氮化物具有纤锌矿型结构。,由

9、硫离子和锌离子各自构成的六角密集晶格沿六角轴方向位移3c/8穿套而成。,硫离子周围有四个最近邻的锌离子，锌离子周围有四个最近邻的硫离子。,十、C60晶体结构,C60是20世纪90年代初发现的由60个碳原子结合而成的分子，具有类似足球形状的笼型结构，直径约为10.9 nm。 以C60分子为基形成的晶体相应的空间格子是面心立方，每个C60分子均位于面心立方的格点上。,原则上C60晶体是由60个面心立方子晶格穿套而成的复式格子，每个原胞内含一个C60分子。,金属原子在结合成晶体时倾向于形成最近邻原子数比较多的紧密排列结构形式,最高的配位数为12，面心立方和六角密排结构配位数可达到12。,晶体中原子的

10、紧密排列,致密度和配位数是描述原子排列紧密度的量。,最高的致密度为0.74，面心立方和六角密排的致密度均为0.74。,在平面上用大小相同的球排成最密集的结构，每一个球的周围有6个近邻。投影到平面，形成密排面。,密排面B：纸面,密排面A：插入 “ ”空隙,1.3 晶面与晶面指数,晶体的基本特征：,周期性（平移对称性）,云母、石膏晶体：在导热性上表现出显著的各向异性；,方解石：在光的折射上表现出各向异性。,例如：,方铅矿：在导电性上表现出显著的各向异性；,立方形的铜晶体：在弹性上表现出显著的各向异性；,晶面一经划定，晶格中所有格点应当全部包含在晶面系中,一个晶格可以有很多组不同方向的晶面，代表了晶

11、格的不同方向,晶列：将格点看作是排列在一系列平行直线系上。,同一组晶面中的晶面，其上原子的排列情况完全相同,二、晶面指数（密勒指数）,1. 用密勒指数来标定晶面的方向,b）有一晶面与坐标轴相交于 三个格点,截距为：,为该晶面的密勒指数,c）密勒指数用 倒数的互质整数比来表示,如果晶面与坐标轴的反方向相交，在该方向上的密勒指数为负值，如 。,2. 晶面族,原子分布和晶面间距完全相同的晶面,比如：立方晶体的晶胞中,3.解理面：密勒指数越简单的晶面，如(100)，(110) 面等，原子面密度较大，晶面间距较大， 晶面间的结合力较弱，易被切割。,解理面一般比较光滑，平整。,显露在晶体外表的晶面往往是一

12、些解理面,水晶晶体,另外，固体激光器中，经常利用晶体的解理面比较平整的特点，而将其制成谐振腔中的反射境，以使激光物质被多次激发。,翡翠中，硬玉矿物的解理面反光形成一些亮白的条状白斑,翡翠的“苍蝇翅”,三、晶向指数,表示垂直于晶面 的方向。,例如：,晶列上任一格点A的位矢Rl为,式中l1、l2、l3是整数，若互质，直接用他们来表征晶列的方向(晶向)，这三个互质整数为晶列的指数，记以l1,l2,l3-晶向指数。,Rl=l1a1+l2a2+l3a3,1.4 晶体的宏观对称性 晶系,晶体的平移对称性,一、晶体的对称操作,1. 旋转对称 n,晶体的宏观对称性,A、B为格点。以A为中心，格点B旋转角至B；

13、以B为中心，格点A旋转角至A； A和B也是格点，即旋转角后复原。,对称定律证明：,BA=mAB；AB=BA=AB； BA=BC+CD+DA =ABcos(180-)+AB+BAcos(180-),BA=AB(1-2cos),证明：,m=1-2cos，cos=(1-m)/2,转角的可能值和对称轴的可能轴次,晶体中不存在5度对称轴,3个4度轴：对面中心的连线,4个3度轴：体对角线,例如：一个立方体,2.中心反演和n度旋转反演轴,受平移对称性的制约，只能有1，2，3， 4，6度旋转反演轴。,某一种对称操作可能等价于其他几种对称操作的复合操作,例如：,二、晶系,原胞：晶格的最小重复单元,晶胞：最能体现

14、晶格对称性的重复单元,根据晶胞的边长 及其夹角 的不同（即根据晶格的对称性），可以把晶体分为7个晶系。,根据晶胞的体心、或面心位置处有无格点，又将七个晶系具体分为14种布拉菲格子。,简单三斜,简单单斜,底心单斜,返回,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,返回,简单三方,简单六方,简单四方,体心四方,返回,简单立方,体心立方,面心立方,1.5 倒格子,原胞体积：,简立方 结构：,简立方的倒格子仍是简立方,倒格矢：倒格子中任一倒格点的位置矢量,面心立方结构,易证，面心立方与体心立方互为正倒格子,复式格子的倒格子是其布拉菲格子的倒格子。,例如：氯化铯型晶格的倒格子是简单立方； 金刚石型晶格的倒格子是体心立方。,二、正、倒格子间的关系,1、,2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积的倒数的 倍。,3、倒格矢 与面指数为 的晶面正交。,距离原点最近的一个晶面,返回上一页,解释晶体结构的最大特点。 什么是晶胞，什么是原胞？它们的共同点和不同点分别在哪里？ 什么是基矢量，什么格矢量？写出格矢量的表达式，并解释。 简单晶格和