固体物理导论ppt课件

,题目（不局限于书本） ： -族、-族化合物半导体的能带结构 宽禁带半导体材料的结构和能带 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.1-2.1.3 硅、锗晶体中的杂质能级 2.1.4-2.1.6 -族化合物中的杂质能级 缺陷、位错能级,Semiconductor Physics 2015,1,1次自学+1次PPT 分6组，每组7-12人左右， PPT：表述+提问一共15分钟，提问可自提或他提。 每组相互打分（10分制)。,1,温度敏感性,纯Si：温度每升高8 K，本征载流子的浓度增加约1倍，电阻率下降1倍。,纯硅: T=300 K =2 x 105 W cm T=320 K =2 x 104 W cm,不同的电阻温度特性，说明不同材料之间具有不同的导电机制。 半导体与金属电阻率独特的温度特性，常用来鉴别半导体材料与金属。,半导体的主要性质,为什么？,2,半导体能够得到广泛应用的主要原因： 能够通过掺杂改变半导体的导电类型和导电能力； 不同类型半导体接触可形成具有单向导电性的pn结二极管； 半导体材料被提纯后，才能得到应用； Ge首先被应用，但Si应用更为广泛； Ge器件重新受到重视（高的迁移率，高K介质）。,为什么？,3,第一章 固体物理导论,4,课程安排,第一章 固体物理导论 第二章 半导体中的电子状态 (包括杂质、缺陷能级） 第三章 半导体中的载流子统计分布 第四章 半导体中的载流子输运 第五章 非平衡载流子 第六章 p-n 结 第七章 金半接触 第八章 MOS电容器 第九章 异质结,半导体器件物理,半导体物理二,半导体物理一,5,第一章 固体物理导论 1. 1 固体的分类（按结构） 1. 2 空间晶格 1. 3 密堆积、配位数 1. 4 倒格子和布里渊区 1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,6,1. 1 固体的分类（按结构）,固体,晶体:,非晶体:,准晶体:,组成固体的原子（或离子）在微观上的排列具有长程周期性结构，即长程有序，又有平移对称性。,不具有长程有序的特点,短程有序。 （在近邻或次近邻原子间的键合：如配位数、键长和键角等具有一定的规律性）。,有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，而没有长程的平移对称性。,单晶体,多晶体,至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。,长程有序:,7,准晶体:有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，而没有长程的平移对称性。,1984年 Shechtman 等人报到了在用快速冷却方法制备的AlMn合金中的电子衍射图中，发现了具有五重对称的斑点分布，斑点的明锐程度不亚于晶体的情况，提出了介于晶体和非晶体之间的新的状态，称为准晶态。,8,晶体的基本特点：,组成晶体的原子按照一定的方式有规律的排列而成 （周期性、对称性） 具有固定的熔点 硅的熔点：1420，锗的熔点：941 单晶具有方向性：各向异性 （方向性）,9,第一章 固体物理导论 1. 1 固体的分类（按结构） 1. 2 空间晶格 1. 3 密堆积、配位数 1. 4 倒格子和布里渊区 1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,10,(a)、(b)、(c)为二维晶体结构示意图，它们有何异同?,1. 2 空间晶格,11,所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。,一个理想的晶体是由全同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。,12,1.基元、格点和晶格,在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。,(1)基元,任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同。,13,(2)晶格（点阵）,晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限分布，通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称为晶格(或者说这些点在空间周期性排列形成的骨架称为晶格)。,14,晶格是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的具体内容，保留了晶体结构的周期性。,用矢量 表示 格点的排列。,15,(3)格点,晶格中的点子代表着晶体结构中相同的位置，称为格点。,一个格点代表一个基元，它可以代表基元重心的位置，也可以代表基元中任意的点子。,晶格+基元=晶体结构,16,2.基矢、原胞和晶胞,在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体沿三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成晶体，这个平行六面体即为原胞，代表原胞三个边的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称基矢。,原胞：可以通过重复形成整个晶体的最小晶胞! （primitive cell） （unit cell）,哪些是原胞？,17,在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体沿三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成晶体，这个平行六面体即为原胞，代表原胞三个边的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称基矢。,18,Quiz：初基平移矢量的选择,假设这些点都是全同的，请画出一组阵点，选择初基轴和一个初基晶胞，以及与一个阵点相联系的原子基元。,19,+,a1,a2,20,(1)固体物理学原胞(简称原胞) 构造：取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。 特点：格点只在平行六面体的顶角上，面上和内部均无格点，平均每个固体物理学原胞包含1个格点。它反映了晶体结构的周期性。,3. 原胞的分类,基矢：固体物理学原胞基矢通常用 表示。,体积为：,21,(2)结晶学原胞（简称单胞或晶胞，有时也称布喇菲原胞） 构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性。 特点：结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上及内部亦可有格点。其体积是固体物理学原胞体积的整数倍。,3. 原胞的分类,基矢：结晶学原胞的基矢一般用 表示。,体积为：,22,(3)维格纳-塞茨原胞（W-S原胞） 构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线)，由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即为W-S原胞。 特点：它是晶体体积的最小重复单元，每个原胞只包含1个格点。其体积与固体物理学原胞体积相同。,3. 原胞的分类,维格纳-塞茨单胞,23,7大晶系的特征及14种布喇菲晶格如下所述：,4. 三维布喇菲原胞（点阵）分类,根据惯用晶胞的轴向特定关系，根据不同的点对称性，将晶体分为7大晶系，14种布喇菲晶格（点阵类型）。 任何一种真实晶体，对应的点阵都是14种布喇菲晶格（点阵类型）之一。,24,简单三斜(1),简单单斜(2),底心单斜(3),1.三斜晶系：,2.单斜晶系：,3.三角晶系：,三角(4),25,4.正交晶系：,简单正交(5),底心正交(6),体心正交(7),面心正交(8),5.四角系：(正方晶系),体心四角(10),简单四角(9),26,6.六角晶系：,六角(11),7.立方晶系：,简立方(12),体心立方(13),面心立方(14),27,28,5. 典型的几种三维布喇菲原胞（简单格）,(a)简立方,每个布喇菲原胞包含1个格点。,固体物理学原胞的体积,平均每个布喇菲原胞包含4个格点。,(b)面心立方,固体物理学原胞的体积,29,(c)体心立方,平均每个布拉维原胞包含2个格点。,固体物理学原胞的体积,5. 典型的几种三维布喇菲原胞（简单格）,30,6. 典型的几种三维布喇菲原胞（复式格）,(a)金刚石结构,金刚石结构属面心立方，每个结晶学原胞包含4个格点。,金刚石结构是由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/4的长度套构而成,其布喇菲晶格为面心立方。,金刚石结构每个固体物理学原胞包含1个格点,基元由两个碳原子组成,位于（000）和 处。,视频地址：,31,和金刚石结构的区别?,6. 典型的几种三维布喇菲原胞（复式格）,(b)闪锌矿结构,闪锌矿结构属面心立方，每个结晶学原胞包含4个格点。,闪锌矿结构是由Zn2+和S2-各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移1/4空间对角线长度套构而成,其布喇菲晶格为面心立方。,闪锌矿结构每个固体物理学原胞包含1个格点,基元由一个锌原子和一个硫原子组成,位于（000）和 处。,与金刚石结构的区别 共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。 不同双原子复式晶格。,32,(c)氯化钠结构,6. 典型的几种三维布喇菲原胞（复式格）,氯化钠结构属面心立方。Cl-和Na+分别组成面心立方子晶格。其布喇菲晶格为面心立方。 氯化钠的固体物理学原胞选取方法与面心立方简单格子的选取方法相同。 每个固体物理学原胞包含1个格点，每个结晶学原胞包含4个格点。 氯化钠结构由两个面心立方子晶格沿棱边平移1/2的长度套构而成。 基元由一个Cl-和一个Na+组成。,33,(d)氯化铯结构,氯化铯结构是由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的长度套构而成。 Cl-和Cs+分别组成简立方格子，其布喇菲晶格为简立方，氯化铯结构属简立方。,每个固体物理学原胞包含1个格点，每个结晶学原胞包含1个格点。 基元由一个Cl-和一个Cs+组成。,6. 典型的几种三维布喇菲原胞（复式格）,34,(e)钙钛矿结构,钙钛矿结构常写成ABO3的形式。,钡、钛和3个氧各组成简立方子晶格，钛酸钡是由5个简立方子晶格套构而成的。,一个晶胞包含1个钡原子、1个钛原子和3个氧原子。,钙钛矿的氧八面体结构,6. 典型的几种三维布喇菲原胞（复式格）,35,第一章 固体物理导论 1. 1固体的分类（按结构） 1. 2 空间晶格 1. 3 密堆积、配位数 1. 4 倒格子和布里渊区 1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,36,1. 3 密堆积、配位数,1.配位数,一个粒子周围最近邻的粒子数称为配位数.,它可以描述晶体中粒子排列的紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大。,2.密堆积,如果晶体由完全相同的一种粒子组成，而粒子被看作小圆球，则这些全同的小圆球最紧密的堆积称为密堆积。(堆得不能再密了）,第一层：每个球与6个球相切，有6个空隙，如编号1,2,3,4,5,6。,第二层：占据1,3,5空位中心。,第三层：在第一层球的正上方形成ABABAB排列方式。,(1)六角密积,六角密积是复式格，其布拉维晶格是简单六角晶格。,37,(2)立方密积,第一层：每个球与6个球相切，有6个空隙，如编号为1,2,3,4,5,6。,第二层：占据1，3，5空位中心。,第三层：占据2，4，6空位中心，按ABCABCABC方式排列，形成面心立方结构，称为立方密积。,密堆积特点：结合能低，晶体结构稳定；配位数最大为12。,视频地址：,38,(Cu),4,(W),2,CsCl,Cs+ 1,Cl- 1,12,8,8,39,8,4,金刚石,NaCl,Na+ 4,Cl- 4,6,40,Quiz:计算原子密度：,已知单晶硅的晶格常数（室温下）为a=0.54305 nm，求（1）硅单晶的原子密度（原子个数/cm3）？ （2）硅原子的原子半径？ （3）硅晶体的空间利用率？,41,第一章 固体物理导论 1. 1 固体的分类（按结构） 1. 2 空间晶格 1. 3 密堆积、配位数 1. 4 倒格子和布里渊区 1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,42,1. 4 倒格子和布里渊区,前面的几节涉及到的是真实空间的晶格，本节我们将引入倒格子的定义； 倒格子，顾名思义，即为倒空间的格子，什么是倒空间？倒空间是不是真实的空间？ 倒空间不是真实的空间，是人为定义出来的空间；为了简化处理晶格结构问题。 1913年，P. P. Ewald为解释x射线的单晶衍射结果，提出了Ewald球的概念，同时引进了倒点阵和倒空间。,43,倒格,正格（点位）矢：,倒格基矢,倒格（点位）矢：,晶体结构=晶格+基元,正格基矢,正格,一个晶体结构有两个格子，一个是正格，另一个为倒格。,44,倒格基矢定义为：以b1、b2、b3为基矢的格子是以a1、a2、a3为基矢的格子的倒格子。,其中 是正格基矢，,是固体物理学原胞体积,说明b1垂直于a2和a3所确定的面；,说明b2垂直于a3和a1所确定的面；,说明b3垂直于a1和a2所确定的面；,45,倒格基矢的方向和长度如何呢？,一个倒格基矢是和正格原胞中一组晶面相对应的，它的方向是该晶面的法线方向，它的大小则为该晶面族面间距倒数的2倍。,46,倒格与正格的关系,47,其中 分别为正格点位矢和倒格点位矢。,所以，若两个矢量满足上式，即其中一个为正格矢，一个为倒格矢。,48,=0,49,设ABC为晶面族(h1h2h3)中离原点最近的晶面，,ABC在基矢 上的 截距分别为 。,由图可知：,4.倒格矢 与正格中晶面族(h1h2h3)正交， 且其长度为 。,50,(2)证明 的长度等于 。,由平面方程： 得：,在晶胞坐标系 中，,51,倒格与正格的关系,4. 倒格矢 与正格中晶面族(h1h2h3)正交， 且其长度为 。,52,倒易点阵的物理意义：,倒易点阵的一个基矢是与正点阵的一组晶面相对应的； 倒易点阵基矢的方向是该晶面的法线方向； 倒易点阵基矢的大小是该晶面族的晶面间距的倒数的2倍。单位为长度的倒数。,53,已知晶体结构如何求其倒格呢？,晶体结构,正格,正格基矢,倒格基矢,倒格,54,例1：下图是一个二维晶体结构图，试画出其倒格点的排列。,倒格是边长为 的正方形格子。,55,例2：证明体心立方的倒格是面心立方。,56,倒格矢：,同理得：,体心立方的倒格是边长为4/a的面心立方 。,思考：简单立方，体心立方，面心立方的倒格子分别是什么？,57,例3：证明简立方晶面(h1h2h3)的面间距为,Hint:,证明：,简立方：,58,思考：晶格常数为a的面心立方，体心立方晶体晶面族(h1h2h3) 的面间距？,59,倒格子原胞和布里渊区,倒格子原胞： 作由原点出发的各个倒格矢的垂直平分面，这些平面完全封闭形成的最小的多面体（体积最小）-第一布里渊区。,布里渊区定义为倒易点阵中的维格纳-塞茨原胞,60,布里渊区的特点,每个布里渊区只包含一个倒点阵。 每个布里渊区都具有相同的体积。 布里渊区的体积应该等于倒易点阵初基晶胞的体积。,61,体心立方的维格纳-塞茨原胞和第一布里渊区,62,面心立方的维格纳-塞茨原胞和第一布里渊区,63,第一章 固体物理导论 1. 1 固体的分类（按结构） 1. 2 空间晶格 1. 3 密堆积、配位数 1. 4 倒格子和布里渊区 1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,64,1. 5 X射线衍射与倒格子、布里渊区的关系,晶体点阵结构,X射线衍射斑点,倒易点阵,傅立叶变换,65,1. 布拉格定律,衍射加强的条件：,n为整数，称为衍射级数。,是否可以用可见光进行晶体衍射呢？,66,2. 粉末法（晶体衍射的一种方法）,(1)X射线单色(固定)；,(2)样品为取向各异的单晶粉末。,由于样品对入射线方向是“轴对称”的，不同晶面族的衍射线构成不同圆锥。衍射线与圆筒形相交，形成图示衍射条纹。,据不同的晶面族的衍射条纹位置和波长，可求出晶面族面间距，进而确定晶格常量。,67,第一布里渊区 第二布里渊区 第三布里渊区 二维正方格子的布里渊区,X射线衍射与布里渊区的关系,结论： 入射波矢从倒格子原点出发终止在布里渊区边界，该对应的入射波满足衍射加强条件。,68, 每个晶体结构有两个点阵同它联系：晶体点阵和倒格子点阵，正格子点阵是真实空间的点阵，倒格子点阵是在波矢空间的点阵。结晶学家喜欢用正格子，而物理学家喜欢用倒格子，因为它在数学处理上具有优越性。 两个点阵的基矢具有一定的几何关系（包括方向、大小）。 倒格子原胞的选取：作由原点出发的各个倒格矢的垂直平分面，为这些平面所完全封闭的最小体积-第一布里渊区。其体积与正格子体积成正比。 倒格子中的一个格点与正格子中的一族晶面相对应。 晶体衍射的过程就是把正格子中一族晶面转化为倒格子中的一点的过程。,69,倒格,2.,3.,其中 是正格基矢， 是固体物理学原胞体积。,70,TEM,71,72,