硅材料科學(xué)與技術(shù)1-2012.10.08

1、浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院硅材料科學(xué)與技術(shù)硅材料科學(xué)與技術(shù)主講：郝亞非主講：郝亞非浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院自我介紹自我介紹 姓名：郝亞非姓名：郝亞非 電話：電話：652351 郵箱：郵箱： 辦公室：辦公室：20-21-311浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體材料是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是微電子、光電子和太陽能等工業(yè)的微電子、光電子和太陽能等工業(yè)的基礎(chǔ)，對國家工業(yè)、科技和國防的基礎(chǔ)，對國家工業(yè)、科技和國防的發(fā)展具有至關(guān)重

2、要的作用。發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated circuits) 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 用能帶理論解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、

3、絕緣體的用能帶理論解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的導(dǎo)電性：導(dǎo)電性：0Eg6eV導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 金屬中，由于組成金屬的原子中的價電子占據(jù)的能帶是部金屬中，由于組成金屬的原子中的價電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是良好的導(dǎo)電體分占滿的，所以金屬是良好的導(dǎo)電體 半導(dǎo)體和絕緣體的能帶類似，即下面是已被價電子占滿的半導(dǎo)體和絕緣體的能帶類似，即下面是已被價電子占滿的滿帶（其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶），亦稱價滿帶（其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶），亦稱價帶，中間為禁帶，上面是空帶。因此，在外電場作用下并帶，中間

4、為禁帶，上面是空帶。因此，在外電場作用下并不導(dǎo)電，但是這只是絕對溫度為零時的情況。不導(dǎo)電，但是這只是絕對溫度為零時的情況。 絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大的能量，在通絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大的能量，在通常溫度下，能激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子很少，所以導(dǎo)電性很差。常溫度下，能激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子很少，所以導(dǎo)電性很差。半導(dǎo)體禁帶寬度比較小，在通常溫度下已有不少電子被激半導(dǎo)體禁帶寬度比較小，在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，所以具有一定的導(dǎo)電能力，這是絕緣體和發(fā)到導(dǎo)帶中去，所以具有一定的導(dǎo)電能力，這是絕緣體和半導(dǎo)體的主要區(qū)別。半導(dǎo)體的主要區(qū)別。 半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴參與

5、導(dǎo)電，這是與金屬半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴參與導(dǎo)電，這是與金屬導(dǎo)體的最大差別。導(dǎo)體的最大差別。 室溫下，金剛石的禁帶寬度為室溫下，金剛石的禁帶寬度為6 67eV7eV，它是絕緣體；硅為，它是絕緣體；硅為1.12eV1.12eV，鍺為，鍺為0.67eV0.67eV，砷化鎵為，砷化鎵為1.43eV1.43eV，所以它們都是半，所以它們都是半導(dǎo)體。導(dǎo)體。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 石墨稀石墨稀石墨烯（石墨烯（Graphene）是一種由碳原子）是一種由碳原子 構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是世上構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是世上 最薄卻也是最堅硬的納米材

6、料最薄卻也是最堅硬的納米材料 。 石墨烯有極高的電子遷移率，很有可能用于切換速度更快的新一代電石墨烯有極高的電子遷移率，很有可能用于切換速度更快的新一代電子元件。但是純石墨烯本身是零能隙的半導(dǎo)體，不能直接作為高效的子元件。但是純石墨烯本身是零能隙的半導(dǎo)體，不能直接作為高效的室溫場效應(yīng)晶體管。如何在保持石墨烯高遷移率的同時，打開一個可室溫場效應(yīng)晶體管。如何在保持石墨烯高遷移率的同時，打開一個可控的能隙是目前石墨烯領(lǐng)域最重要的課題之一?？氐哪芟妒悄壳笆╊I(lǐng)域最重要的課題之一。 北京大學(xué)解決方案：北京大學(xué)解決方案：（1）把石墨烯夾在平面的六角）把石墨烯夾在平面的六角BN片之間，足可以打開石墨烯片之

7、間，足可以打開石墨烯0.16 eV的能隙。對該三明治結(jié)構(gòu)加上垂直電場，能隙可以進(jìn)一步提高到的能隙。對該三明治結(jié)構(gòu)加上垂直電場，能隙可以進(jìn)一步提高到0.34 eV。 （2）由蜂窩狀的硅原子構(gòu)成的單層硅烯（繼石墨烯之后近年來新發(fā)）由蜂窩狀的硅原子構(gòu)成的單層硅烯（繼石墨烯之后近年來新發(fā)現(xiàn)的一種二維單原子晶體）可以無需借助現(xiàn)的一種二維單原子晶體）可以無需借助BN夾層，直接被垂直的電夾層，直接被垂直的電場打開能隙，同時高的載流子遷移率也能夠保持場打開能隙，同時高的載流子遷移率也能夠保持 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院周期表中與半導(dǎo)體相關(guān)元素周期表中與半導(dǎo)體相關(guān)元素

8、周期周期2硼硼B(yǎng)碳碳C氮氮N3鋁鋁Al硅硅Si磷磷P硫硫S4鋅鋅Zn鎵鎵Ga鍺鍺Ge砷砷As硒硒Se5鎘鎘Cd銦銦In銻銻Te浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 硅是被研究最多且技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體元硅是被研究最多且技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體元素素 在二氧化硅及硅酸鹽中的硅含量占地表的在二氧化硅及硅酸鹽中的硅含量占地表的 2525以上，僅次于氧以上，僅次于氧 硅器件在室溫下有較佳的性能，且高品質(zhì)硅器件在室溫下有較佳的性能，且高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生 經(jīng)濟(jì)上的考慮，可用于制造器件等級的硅經(jīng)濟(jì)上的考慮，可用于制造器件等級的硅材料，

9、遠(yuǎn)比其他半導(dǎo)體材料價格低廉材料，遠(yuǎn)比其他半導(dǎo)體材料價格低廉 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體硅硅浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院表面易純化，形成本征二氧化硅層表面易純化，形成本征二氧化硅層 二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用：二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用： 1. 對雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用；對雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用； 2. 對器件的表面保護(hù)和鈍化作用對器件的表面保護(hù)和鈍化作用 3. 用作用作MOS器件的絕緣柵材料等器件的絕緣柵材料等 4. 用于器件的絕緣隔離層用于器件的絕緣隔離層 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院硅的分布硅的分布

10、硅在自然界分布極廣，地殼中約含硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6， 在自然界中是沒有游離態(tài)的硅在自然界中是沒有游離態(tài)的硅 主要以主要以二氧化硅和硅酸鹽二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。的形式存在。浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 硅的化學(xué)性質(zhì)：硅的化學(xué)性質(zhì)： 原子序數(shù)原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量，相對原子質(zhì)量28.09，有，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上素周期表上IVA族的類金屬元素。族的類金屬元素。14Si32Ge浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 晶體硅為鋼灰色，密度晶體

11、硅為鋼灰色，密度2.4 gcm3，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)1420，沸點(diǎn)沸點(diǎn)2355，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅硅浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 常溫下，只與強(qiáng)堿、氟化氫、氟氣反應(yīng)常溫下，只與強(qiáng)堿、氟化氫、氟氣反應(yīng) 高溫下，較活潑高溫下，較活潑Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4 +2H2Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2 Si + O2 SiO2浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院表面易純化，形成本征二氧化硅層

12、表面易純化，形成本征二氧化硅層 二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用：二氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起著重要作用： 1. 對雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用；對雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用； 2. 對器件的表面保護(hù)和鈍化作用對器件的表面保護(hù)和鈍化作用 3. 用于器件的絕緣隔離層用于器件的絕緣隔離層 4. 用作用作MOS器件的絕緣柵材料等器件的絕緣柵材料等浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院硅的用途硅的用途 硅可用來制造集成電硅可用來制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體路、晶體管等半導(dǎo)體器件器件 太陽能電池太陽能電池浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 用純二氧化硅

13、拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。的電纜。 光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時傳輸同時傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。具有高度的保密性。硅的用途硅的用途浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 工業(yè)上用石英工業(yè)上用石英,焦炭焦炭,氫氣氫氣,氯氣氯氣,制取高純硅制取高純硅 SiO

14、2+3C=SiC+2CO SiC+4Cl2=SiCl4+CCl4 SiCl4+2H2=Si+4HCl 硅的制取硅的制取浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 鍺在地殼中含量約為鍺在地殼中含量約為210-4%，但分布極，但分布極為分散，常歸于稀有元素；為分散，常歸于稀有元素； 1. 在煤和煙灰中；在煤和煙灰中； 2. 與金屬硫化物共生；與金屬硫化物共生； 3. 鍺礦石鍺礦石元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體鍺鍺浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院鍺的制取鍺的制取 鍺來源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成鍺來源稀少，通常先將各種鍺廢料氯化成四氯化鍺；

15、四氯化鍺； 制取的四氯化鍺經(jīng)過精餾，萃取等提純制取的四氯化鍺經(jīng)過精餾，萃取等提純 水解生成二氧化鍺；用氫氣還原成高純鍺水解生成二氧化鍺；用氫氣還原成高純鍺 進(jìn)一步區(qū)熔提純成高純鍺進(jìn)一步區(qū)熔提純成高純鍺浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 科學(xué)科學(xué)即有關(guān)研究客觀事物存在及其相關(guān)規(guī)律的學(xué)說。即有關(guān)研究客觀事物存在及其相關(guān)規(guī)律的學(xué)說。 技術(shù)技術(shù)是人類為實現(xiàn)社會需要而創(chuàng)造和發(fā)展起來的手是人類為實現(xiàn)社會需要而創(chuàng)造和發(fā)展起來的手段、方法和技能的總和。段、方法和技能的總和。 本課程主要任務(wù)是：本課程主要任務(wù)是： （1）了解有關(guān)硅材料的性質(zhì)、硅材料的生

16、產(chǎn)技術(shù)）了解有關(guān)硅材料的性質(zhì)、硅材料的生產(chǎn)技術(shù)和測試方法；和測試方法； （2）了解這些生產(chǎn)技術(shù)和測試方法中的關(guān)鍵技術(shù)）了解這些生產(chǎn)技術(shù)和測試方法中的關(guān)鍵技術(shù)所涉及的理論問題。所涉及的理論問題。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院第一章第一章 概論概論 問題問題 （1）簡述硅材料的發(fā)展。）簡述硅材料的發(fā)展。 （2）簡述硅材料的最新市場狀況。）簡述硅材料的最新市場狀況。 （3）新建、擴(kuò)建多晶硅廠應(yīng)注意些什么？）新建、擴(kuò)建多晶硅廠應(yīng)注意些什么？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院第二章第二章 半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料基礎(chǔ) 問題問題

17、 （1）半導(dǎo)體如何分類？）半導(dǎo)體如何分類？ （2）半導(dǎo)體有哪些特性？）半導(dǎo)體有哪些特性？ （3）硅有哪些物理性質(zhì)？）硅有哪些物理性質(zhì)？ （4）硅有哪些化學(xué)性質(zhì)？）硅有哪些化學(xué)性質(zhì)？ （5）物質(zhì)的純度有幾種表示方法？）物質(zhì)的純度有幾種表示方法？ （6）冶金級、太陽能電池級和電子元件級）冶金級、太陽能電池級和電子元件級硅材料的純度有何差異？硅材料的純度有何差異？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院（1）半導(dǎo)體如何分類？）半導(dǎo)體如何分類？按結(jié)構(gòu)分：晶體半導(dǎo)體和非晶體半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)分：晶體半導(dǎo)體和非晶體半導(dǎo)體按成分分：有機(jī)半導(dǎo)體和無機(jī)半導(dǎo)體按成分分：有機(jī)半導(dǎo)體和無機(jī)半導(dǎo)

18、體無機(jī)半導(dǎo)體分類：單質(zhì)半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體無機(jī)半導(dǎo)體分類：單質(zhì)半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體（2）半導(dǎo)體有哪些特性？）半導(dǎo)體有哪些特性？導(dǎo)電特性導(dǎo)電特性：同時存在兩種載流子。：同時存在兩種載流子。熱敏性熱敏性：載流子濃度隨溫度變化：載流子濃度隨溫度變化電阻率隨溫度變化電阻率隨溫度變化：壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：有壓力作用于半導(dǎo)體會導(dǎo)致其電阻率發(fā)生變化：有壓力作用于半導(dǎo)體會導(dǎo)致其電阻率發(fā)生變化磁敏性磁敏性：霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)：霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)；：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)；光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而

19、引起材料電導(dǎo)率的變化，應(yīng)用：吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，應(yīng)用：光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器（光敏電阻（光敏電阻）；）；光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：PNPN結(jié)受到光照時，可在結(jié)受到光照時，可在PNPN結(jié)的結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)，應(yīng)用：兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)，應(yīng)用：光電池光電池和光敏二極和光敏二極管、三極管。管、三極管。 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：把熱能轉(zhuǎn)化為電能，溫差電動勢：把熱能轉(zhuǎn)化為電能，溫差電動勢浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院（3）硅有哪些物理性質(zhì)？）硅有哪些物理性質(zhì)？第四族元素，最外層

20、第四族元素，最外層4個電子，個電子，4價價銀灰色，有金屬光澤，硬而脆銀灰色，有金屬光澤，硬而脆固態(tài)硅有無定形和結(jié)晶態(tài)兩種形態(tài)固態(tài)硅有無定形和結(jié)晶態(tài)兩種形態(tài)禁帶寬度禁帶寬度1.12電子伏，對光的吸收處于紅外波段電子伏，對光的吸收處于紅外波段熔化時體積縮小，凝固時體積膨脹熔化時體積縮小，凝固時體積膨脹表面張力大，密度低表面張力大，密度低室溫下脆性，溫度高于室溫下脆性，溫度高于800，塑性，塑性應(yīng)力作用下會發(fā)生塑性變形應(yīng)力作用下會發(fā)生塑性變形抗拉應(yīng)力大于抗剪應(yīng)力，加工過程中易彎曲和翹曲抗拉應(yīng)力大于抗剪應(yīng)力，加工過程中易彎曲和翹曲（4）硅有哪些化學(xué)性質(zhì)？）硅有哪些化學(xué)性質(zhì)？常溫下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，高溫

21、下化學(xué)性質(zhì)活潑常溫下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑常溫下與硝酸和氫氟酸的混合容易反應(yīng)，與氫氧化鈉反應(yīng)常溫下與硝酸和氫氟酸的混合容易反應(yīng)，與氫氧化鈉反應(yīng)400 與氧反應(yīng)與氧反應(yīng)1000 與氮反應(yīng)與氮反應(yīng)高溫下與熔融金屬反應(yīng)高溫下與熔融金屬反應(yīng)熔化后與石英反應(yīng)熔化后與石英反應(yīng)浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院 （5）物質(zhì)的純度有幾種表示方法？）物質(zhì)的純度有幾種表示方法？ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：100%*（總質(zhì)量（總質(zhì)量-雜質(zhì)質(zhì)量）雜質(zhì)質(zhì)量）/總質(zhì)量；總質(zhì)量；如如99.99%：4個個9或或4N 物質(zhì)的不純度物質(zhì)的不純度：雜質(zhì)質(zhì)量：雜質(zhì)質(zhì)量/總質(zhì)量；總質(zhì)量；ppm

22、百萬分之百萬分之一；一；ppb十億分之一；十億分之一；ppt萬億分之一萬億分之一 （6）冶金級、太陽能電池級和電子元件級硅材）冶金級、太陽能電池級和電子元件級硅材料的純度有何差異？料的純度有何差異？ 冶金級：冶金級：23個個9，太陽能電池級：，太陽能電池級：6個個9；電子元；電子元件級：件級：11個個9浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院第三章第三章 晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)問題：問題：1 1、什么是晶胞，什么是初基晶胞？、什么是晶胞，什么是初基晶胞？2 2、點(diǎn)陣、晶列、晶面和晶格的含義是什么？、點(diǎn)陣、晶列、晶面和晶格的含義是什么？3 3、簡述、簡述141

23、4種點(diǎn)陣的特征？種點(diǎn)陣的特征？4 4、如何確定晶面的晶面指數(shù)？、如何確定晶面的晶面指數(shù)？5 5、如何確定晶向的晶向指數(shù)？、如何確定晶向的晶向指數(shù)？6 6、簡述立方點(diǎn)陣的特征。、簡述立方點(diǎn)陣的特征。7 7、簡述金剛石結(jié)構(gòu)的特征、簡述金剛石結(jié)構(gòu)的特征浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院1 1、什么是晶胞，什么是初基晶胞？、什么是晶胞，什么是初基晶胞？ 晶胞晶胞：能反映晶格對稱性的周期性單元。即能反映晶格的：能反映晶格對稱性的周期性單元。即能反映晶格的周期性，又能反映晶格的對稱性。周期性，又能反映晶格的對稱性。 初基晶胞初基晶胞（晶格的（晶格的原胞原胞）：一個晶格最

24、小的周期性單元。）：一個晶格最小的周期性單元。原胞選取不是唯一的，只要是最小的周期性單元即可。但原胞選取不是唯一的，只要是最小的周期性單元即可。但是各種晶格結(jié)構(gòu)已有習(xí)慣的原胞選取方式。（原胞的邊矢是各種晶格結(jié)構(gòu)已有習(xí)慣的原胞選取方式。（原胞的邊矢量稱為晶格基矢）量稱為晶格基矢） 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院2 2、點(diǎn)陣、晶列、晶面和晶格的含義是什么？、點(diǎn)陣、晶列、晶面和晶格的含義是什么？點(diǎn)陣點(diǎn)陣：為集中反映晶體結(jié)構(gòu)的周期性而引入的一個概念。：為集中反映晶體結(jié)構(gòu)的周期性而引入的一個概念。為了研究晶體中原子、分子和離子的排列，把這些粒子為了研究晶體中原子、

25、分子和離子的排列，把這些粒子的重心作為一個幾何點(diǎn)，稱為格點(diǎn)，晶體中無限多個在的重心作為一個幾何點(diǎn)，稱為格點(diǎn)，晶體中無限多個在空間按一定規(guī)律分布的格點(diǎn)成為空間點(diǎn)陣（布拉伐格空間按一定規(guī)律分布的格點(diǎn)成為空間點(diǎn)陣（布拉伐格子）。子）。 晶列晶列：布拉伐格子的格點(diǎn)可以看成分列在一系列相互平：布拉伐格子的格點(diǎn)可以看成分列在一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列。行的直線系上，這些直線系稱為晶列。 晶向晶向：同一個格子可以形成方向不同的晶列，每一個晶：同一個格子可以形成方向不同的晶列，每一個晶列定義了一個方向，稱為晶向。列定義了一個方向，稱為晶向。 晶面晶面：布拉伐格子的格點(diǎn)可以看成分列在平行等距的

26、平：布拉伐格子的格點(diǎn)可以看成分列在平行等距的平面系上，這樣的平面稱為晶面。面系上，這樣的平面稱為晶面。 晶格晶格：為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子：為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原原子或分子子或分子)在空間的平衡位置作為在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，人為地將節(jié)點(diǎn)，人為地將節(jié)點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架稱為用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架稱為晶格。晶格。浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院3 3、簡述、簡述1414種點(diǎn)陣的特征？種點(diǎn)陣的特征？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院3 3

27、、簡述、簡述1414種點(diǎn)陣的特征？種點(diǎn)陣的特征？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院4 4、如何確定晶面的晶面指數(shù)？、如何確定晶面的晶面指數(shù)？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院5 5、如何確定晶向的晶向指數(shù)？、如何確定晶向的晶向指數(shù)？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院6 6、簡述立方點(diǎn)陣的特征。、簡述立方點(diǎn)陣的特征。簡單立方晶體：一個晶胞中簡單立方晶體：一個晶胞中1個原子個原子體心立方晶體：一個晶胞中體心立方晶體：一個晶胞中2個原子個原子面心立方晶體：一個晶胞中面心立方晶體：一個晶胞中4個

28、原子個原子其他詳見其他詳見P18浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院7 7、簡述金剛石結(jié)構(gòu)的特征、簡述金剛石結(jié)構(gòu)的特征體積：體積：a3一個晶胞中一個晶胞中8個原子個原子原子排列不緊密原子排列不緊密每個晶胞由兩個面心立方晶胞套構(gòu)而成每個晶胞由兩個面心立方晶胞套構(gòu)而成浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院第四章第四章 晶體缺陷晶體缺陷問題：問題：1 1、晶體中有哪些缺陷，它們有什么特征？、晶體中有哪些缺陷，它們有什么特征？2 2、什么是弗蘭克缺陷？什么是肖特基缺陷？、什么是弗蘭克缺陷？什么是肖特基缺陷？3 3、什么是固溶度？固溶度與

29、哪些因素有關(guān)？、什么是固溶度？固溶度與哪些因素有關(guān)？4 4、什么是位錯？、什么是位錯？5 5、什么是刃位錯、刃位錯的位錯線、位錯矢量、滑、什么是刃位錯、刃位錯的位錯線、位錯矢量、滑移面、位錯的滑移和爬升（攀移）？移面、位錯的滑移和爬升（攀移）？6 6、什么是螺位錯？、什么是螺位錯？7 7、對比刃位錯和螺位錯的異同。、對比刃位錯和螺位錯的異同。8 8、什么是位錯環(huán)？、什么是位錯環(huán)？9 9、位錯、雜質(zhì)和空位三種缺陷之間有什么聯(lián)系？、位錯、雜質(zhì)和空位三種缺陷之間有什么聯(lián)系？ 1010、什么是層錯？雙晶？晶界？、什么是層錯？雙晶？晶界？浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué)

30、院院1 1、晶體中有哪些缺陷，它們有什么特征？、晶體中有哪些缺陷，它們有什么特征？ 點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：三維都很小的缺陷，在各個方向上都沒：三維都很小的缺陷，在各個方向上都沒有延伸，包括：自間隙原子和空位、雜質(zhì)原子所有延伸，包括：自間隙原子和空位、雜質(zhì)原子所產(chǎn)生的間隙原子和替位原子。產(chǎn)生的間隙原子和替位原子。 線缺陷線缺陷：晶體中晶格的缺陷只在某一個方向延伸，：晶體中晶格的缺陷只在某一個方向延伸，在兩外兩個方向上延伸的尺度很小，或幾乎沒有在兩外兩個方向上延伸的尺度很小，或幾乎沒有延伸，主要是位錯，包括刃位錯、螺位錯和位錯延伸，主要是位錯，

31、包括刃位錯、螺位錯和位錯環(huán)。環(huán)。 面缺陷面缺陷：晶體中晶格的缺陷在一個面上，且在面：晶體中晶格的缺陷在一個面上，且在面上延伸的尺寸很大，在另外一個方向上延伸尺寸上延伸的尺寸很大，在另外一個方向上延伸尺寸很小。很小。 體缺陷體缺陷：三維上延伸尺寸都很大的缺陷，包括空：三維上延伸尺寸都很大的缺陷，包括空隙和析出物。隙和析出物。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院2 2、什么是弗蘭克缺陷？什么是肖特基缺陷？、什么是弗蘭克缺陷？什么是肖特基缺陷？弗蘭克缺陷弗蘭克缺陷：晶體中的原子脫離正常的晶：晶體中的原子脫離正常的晶格點(diǎn)，跑到晶格間隙中，成為自間隙原子，格點(diǎn)，跑到晶

32、格間隙中，成為自間隙原子，在原格點(diǎn)位置留下晶格空位，自間隙原子在原格點(diǎn)位置留下晶格空位，自間隙原子和空位同時出現(xiàn)，成為弗蘭克缺陷；和空位同時出現(xiàn)，成為弗蘭克缺陷；肖特基缺陷肖特基缺陷：晶格原子脫離正常的晶格點(diǎn)，：晶格原子脫離正常的晶格點(diǎn)，擴(kuò)散到晶體的最外層，晶格中只留下空位，擴(kuò)散到晶體的最外層，晶格中只留下空位，沒有間隙原子，成為肖特基缺陷。沒有間隙原子，成為肖特基缺陷。 3 3、什么是固溶度？固溶度與哪些因素有關(guān)？、什么是固溶度？固溶度與哪些因素有關(guān)？ 固溶度：晶體能容納雜質(zhì)的最大數(shù)目。固溶度：晶體能容納雜質(zhì)的最大數(shù)目。 固溶度與雜質(zhì)種類（原子大小、電化學(xué)效應(yīng)、相對價位效固溶度與雜質(zhì)種類（原

33、子大小、電化學(xué)效應(yīng)、相對價位效應(yīng)）、溫度有關(guān)。應(yīng)）、溫度有關(guān)。 歸根結(jié)底：雜質(zhì)在晶體中造成較大的應(yīng)力和晶格畸變，固歸根結(jié)底：雜質(zhì)在晶體中造成較大的應(yīng)力和晶格畸變，固溶度就小。溶度就小。 熱熱缺缺陷陷本本征征缺缺陷陷浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院4 4、什么是位錯？、什么是位錯？位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線線浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院5 5、什么是刃位錯、刃位錯的位錯線、位錯矢量、滑移面、什么是刃位錯、刃位錯的位錯線、位

34、錯矢量、滑移面、位錯的滑移和爬升（攀移）？位錯的滑移和爬升（攀移）？刃位錯：刃位錯：若一個晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某若一個晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某一條線處，則稱這種不規(guī)則排列為一個刃位錯。一條線處，則稱這種不規(guī)則排列為一個刃位錯。位錯線：位錯線：多余半原子面終止于晶體中的那條線，多余半原子面終止于晶體中的那條線，不一定是直線，也可以使折線或曲線。不一定是直線，也可以使折線或曲線。 位錯矢量：位錯矢量：伯格斯矢量，它描述了位錯的方向伯格斯矢量，它描述了位錯的方向和滑移的大小。對刃位錯而言，其和滑移的大小。對刃位錯而言，其伯氏矢量方伯氏矢量方向垂直于位錯線的方向向垂直于位錯線的方向。伯氏矢量越大

35、位錯周伯氏矢量越大位錯周圍晶體畸變越嚴(yán)重。圍晶體畸變越嚴(yán)重。(a)完整晶格完整晶格 (b)含刃位錯的實際晶格含刃位錯的實際晶格A：起點(diǎn)；：起點(diǎn)；B：終點(diǎn)：終點(diǎn)b：伯格斯矢量：伯格斯矢量浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院滑移面：滑移面：位錯線和滑移矢量所構(gòu)成的位移的平面。位錯線和滑移矢量所構(gòu)成的位移的平面。 位錯的滑移：位錯的滑移：位錯沿著伯氏矢量的方向運(yùn)動稱為滑移。位錯沿著伯氏矢量的方向運(yùn)動稱為滑移。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院位錯的爬升（攀移）：位錯的爬升（攀移）：位錯垂直于伯氏矢量的方向運(yùn)動成為攀移，位錯攀移是

36、一位錯垂直于伯氏矢量的方向運(yùn)動成為攀移，位錯攀移是一種擴(kuò)散過程，借助于空位或質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散與運(yùn)動，刃型位錯向上、向下攀移一定的種擴(kuò)散過程，借助于空位或質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散與運(yùn)動，刃型位錯向上、向下攀移一定的原子間距原子間距 。 浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院割階割階割階：攀移過程中，不可能整列原子同割階：攀移過程中，不可能整列原子同時附著或離開，所以位錯時附著或離開，所以位錯(即多余半原子即多余半原子面邊緣面邊緣)要出現(xiàn)割階要出現(xiàn)割階（割階是原子附著或割階是原子附著或脫離多余半原子面最可能的地方脫離多余半原子面最可能的地方 ）浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù)

37、理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院割階割階 扭折扭折浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息息 學(xué)學(xué) 院院6 6、什么是螺位錯？、什么是螺位錯？ 一個晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子平面一個晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距。在中央軸線處即為一螺型位錯。晶面間距。在中央軸線處即為一螺型位錯。 圍繞位錯線原子的位移矢量稱為滑移矢量或伯格斯圍繞位錯線原子的位移矢量稱為滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，對于螺型位錯，矢量，對于螺型位錯，位錯線平行于伯格斯矢位錯線平行于伯格斯矢量量。浙浙 江江 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 數(shù)數(shù) 理理 信信 息