固体电子导论ppt1

固体电子导论主讲：邓玲玲Email:[e-mail]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、非晶态合金等晶体非晶体：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1.1晶体结构的周期性1.2几种典型的晶体结构1.3晶面与晶面指数1.4晶体的宏观对称性晶系1.5倒格子主要知识点：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NaCl分子：如大部分有机化合物晶体（药品，染料）原子、离子或分子的集团：如晶体中的由60个60C原子组成的笼状分子集团C晶体非晶体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1432二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。14321a2a格矢：晶格中任一格点的位置矢量2211ananRn33an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主要知识点：简单立方、体心立方、面心立方、金刚石等晶格结构的特点：基矢的选取晶胞的结构、体积原胞的结构、体积致密度配位数一、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a3ea1ea2ea原胞的三个基矢：11eaa33eaa22eaa三个基矢长度相等，方向垂直，各自构成立方体的三条边晶轴：晶胞的棱边晶格常数：棱边的边长简单立方的晶胞（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）ClCs3ea1ea2ea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ClCs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，每个点的周围环境完全相同3ea1ea2ea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）体心立方结构的晶胞立方体晶胞中包含两个基，21818，所以不是原胞。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32112eeeaa32122eeeaa32132eeeaa三个基矢是从一个顶角到三个相邻的体心原胞体积2)(3321aaaa与体积为的立方体中包含两个原子相一致。3a1a2a3a3ea2ea1eaO体心立方沿对角线方向排列最紧密0r：原子球半径a：立方体边长晶胞内原子所占的体积与晶胞总体积之比致密度：ρ68034)1818(330.arρ体心0031.234raar体心立方的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。8体心m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。a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，4216818（金属铜、银、金等）面心立方结构的晶胞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3212eeaa1322eeaa2132eeaa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1ea1a2a3a3ea2eao原胞体积43a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adad002224raar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。43a41（金刚石及半导体材料锗和硅）M'BDMAAB'A'CC'D金刚石型结构的晶胞晶胞中，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。41金刚石型结构=两个不等价原子（化学性质相同，位置不同）构成的基+面心立方格子a1a2a3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。ABCD'AM'BDMAAB'A'CC'D金刚石型结构的晶胞41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，ar34120038raM'BDMAAB'A'CC'DA'Adρ金刚石34.0163π4m金刚石六、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。41闪锌矿型结构=两个离子（化学性质不同，位置不同）构成的基+面心立方格子2S2Zn闪锌矿型结构的晶胞七、氯化钠型结构氯化钠型结构=两个不同离子构成的基+面心立方格子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。2a（岩盐晶体，硫化铅等IV-VI族化合物半导体）氯化钠结构的晶胞NaCl八、六角密集结构（镁、钴、锌等金属）ABB六角密集结构的晶胞ac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=两个不等价原子构成的基+简单六角格子（化学性质相同，位置不同）六角密集结构中同一层中，原子间距ad'上层与下层间，原子间距2232acd38'acdd致密度=dca0.74九、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。纤锌矿型结构=两对离子构成的基+六角简单格子纤锌矿型结构的原胞S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10.9nm。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。晶胞原胞基布拉菲格子致密度配位数简单立方体心立方面心立方金刚石型六角密集氯化铯型氯化钠性闪锌矿型纤锌矿型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密排面C：插入“”空隙+BACA'DCBADOABCABC式重复结构面心立方结构(或称立方密集结构)BAABBABAB式重复结构六角密集结构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；方向性—各向异性一、晶面——平面点阵所处的一组互相平行且等距离的平面晶面一经划定，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a）选取某一格点作为原点，以平移矢量（晶轴）（a，b，c）为坐标轴建立坐标系b）有一晶面与坐标轴相交于三个格点123,,MMM1233;2;OMaOMbOMc截距为：111111::::2:3:6'''321hkl236hkl为该晶面的密勒指数ah'bk'cl'c）密勒指数用倒数的互质整数比来表示',','lkh如果晶面与某坐标轴平行，在该方向上的密勒指数为0，如；注意：100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。0011000100102.晶面族hkl——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100010001001010100100100010010∟3/2aa体心立方的{100}晶面族的原子排列11010101110111001111001110