河北工業(yè)大學電子類專業(yè)課固體物理課件1-1

固體物理學教材：固體物理學，黃昆，韓汝崎編，高等教育出版社參考書：固體物理學〔上〕，方俊鑫，陸棟編，上?？茖W技術(shù)出版社固體物理學，陸棟，蔣平，徐至中編著，上海科學技術(shù)出版社固體物理教程，王矜奉編著，山東大學出版社本卷須知記好筆記；按時交作業(yè)〔每周二上課交，過時不收〕。掌握固體物理的根本概念、思維方法和學習方法；針對某一特殊過程，抓住主要矛盾，突出主要因素，建立模型。例如：晶體——周期性——實驗驗證金屬——電子公有化——單電子近似——能帶論。

本課程的主要目的從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上了解、解釋半導體、集成電路的根底材料〔硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等晶體〕的一些力學、熱學及電學性能。為后續(xù)的課程如半導體物理、晶體管原理、集成電路設(shè)計、傳感器原理等打下根底。與本課程相關(guān)的前期根底高等數(shù)學大學〔普通〕物理復變函數(shù)線性代數(shù)量子力學力學熱學原子物理學電學研究對象：固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子〔原子、離子、分子、電子等〕之間相互作用與運動規(guī)律，以說明其性能和用途。固體物理是固體材料和器件的根底學科，是新材料、新器件的生長點。結(jié)構(gòu)性質(zhì)用途固體的分類晶體：按一定的周期排列，長程有序，有固定的熔點。例如：天然的巖鹽、水晶、人工的半導體材料硅、鍺、砷化鎵等非晶體：沒有明確的周期性，短程有序，沒有固定的熔點。例如：玻璃、塑料、橡膠等準晶體：具有長程的取向序，而不存在長程的平移周期性。1984年在實驗中發(fā)現(xiàn)了一類和晶體、非晶體都不相同的固體，在這類固體中發(fā)現(xiàn)了已經(jīng)證明在晶體中不可能存在的五重對稱軸，使人們想到介于晶體和非晶體之間的固體，稱為準晶體。晶態(tài)與非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的比照第一章晶體結(jié)構(gòu)晶體的宏觀特性1.均一性――從宏觀理化性質(zhì)的角度來講(周期性－－從原子排列的角度來講〕；2.對稱性；3.各向異性和解理性。例如，云母、硅片的解理性；4.自范(限)和晶面角守恒自范性：晶體能自發(fā)地形成封閉的幾何多面體。晶面角守恒定律：同一品種的晶體，任意兩個對應(yīng)晶面的夾角不變。5.穩(wěn)定性。6.有固定的熔點。NaCl晶體的假設(shè)干外形石英晶體外形晶體本身的大小和形狀受生長外界條件影響。§1－1晶格實例晶格：晶體中原子排列的具體形式，是用立體圖形來表示的一種空間點陣。點代表原子、分子或原子團的重心。一、空間點陣〔布拉菲格子〕基元－－組成晶體的最小結(jié)構(gòu)單元。一個原子、一個分子或一個原子團。把基元抽象成為一點〔點代表原子或原子團的重心〕，那么晶體抽象成為空間點陣。晶體結(jié)構(gòu)＝基元＋空間點陣注：晶體中的原子排列方式相同，只是原子不同或原子間距不同，稱為具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。如硅、鍺等。中心干冰晶體結(jié)構(gòu)分析圖CO2分子布拉菲格子：把空間點陣用三組不共面的平行線連起來，形成的空間網(wǎng)格。此時，又把陣點稱為格點。布拉菲格子〔B格子〕＝空間點陣說明基元中A、B可以是不同的原子，或相同的原子，但周圍“環(huán)境〞不同。每個基元用一個格點來表示。此格點選在基元的什么地方、代表幾個原子并未限制。每個基元內(nèi)所含的原子數(shù)＝晶體中原子的種類數(shù)?！餐环N元素的原子在其中的位置不同也為不同種原子〕布拉菲格子〔B格子〕的根本特征：各格點的情況〔基元內(nèi)涵和周圍“環(huán)境〞〕完全相同。5.晶體結(jié)構(gòu)的一種描述：帶基元的B格子。另一種描述：簡單格子：晶體由一種原子組成。一個基元僅有一個原子，即一個原子由一個格點表示。復式格子：晶體由幾種原子組成，但各種原子在晶體中的排列方式都是相同的〔均為B格子的排列〕，可以說每一種原子都形成一套布拉菲子格子，整個晶體可以看成是假設(shè)干排列完全相同的子格子套構(gòu)而成。復式格子＝晶體結(jié)構(gòu)復式格子≠B格子例：晶體結(jié)構(gòu)·○·○·○AB

一種描述：·○＋····基元B格子另一種描述：···＋○○○A子格子B子格子二、常見晶格實例致密度η〔又稱空間利用率，堆積比〕：晶體中原子所占體積與晶體總體積之比。配位數(shù)：晶體中一個原子最近鄰的原子數(shù)?！沧⒁猓翰皇歉顸c數(shù)〕原子密度：單位體積中的原子數(shù)。簡立方sc〔simplecubic〕〔實際晶體中并不存在此簡單格子，但可在此根底上分析復雜的晶體結(jié)構(gòu)〕原胞〔晶胞〕包含格點〔原子〕數(shù)=1；體心立方bcc(body-centeredcubic)金屬Li,Na,K,Cs,Fe等。配位數(shù)為8；晶胞包含格點〔原子〕數(shù)＝2。0.31r0面心立方fcc(face-centeredcubic)金屬Cu,Ag,Au,Al等配位數(shù)＝12晶胞包含格點〔原子〕數(shù)＝4最近鄰原子間距＝？六角密積〔堆〕hcp〔hekagonasclosedpacked〕Be,Mg,Zn等配位數(shù)＝12

晶胞包含格點數(shù)＝3

基元內(nèi)原子數(shù)=2

晶胞包含原子數(shù)＝6金剛石結(jié)構(gòu)(diamondstructure)Si,Ge兩個fcc子格子沿對角線相對位移1/4體對角線長度套構(gòu)而成。B格子與子格子相同－fcc晶胞包含格點數(shù)＝4基元內(nèi)原子數(shù)＝2〔同種元素〕晶胞包含原子數(shù)＝2x4=8配位數(shù)＝4氯化鈉結(jié)構(gòu)NaF,NaBr,NaI,KF等

Na＋,Cl－分別為fcc子格子，沿立方邊位移a/2套構(gòu)而成。

B格子=fcc

配位數(shù)=6氯化銫結(jié)構(gòu)CsBr,CsI等

與體心立方相似，但是由兩種離子構(gòu)成，體心上是一種，頂角上是另一種。Cs＋，Cl－離子分別為簡立方〔SC〕子格子。B格子＝SC基元內(nèi)原子數(shù)＝2晶胞包含原子數(shù)＝2配位數(shù)＝8閃鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS,GaAs,InP,GaP等與金剛石結(jié)構(gòu)相似，只是處于立方體對角線上的原子與面心立方上的原子為不同種元素。練習1：根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，判斷以下離子晶體的化學式：〔A表示陽離子〕AB化學式：A2BAB化學式：練習2：根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，判斷以下離子晶體的化學式：〔A表示陽離子〕ABB化學式：A練習3：根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，判斷以下離子晶體的化學式：〔A表示陽離子〕CABC3練習4：在干冰晶體中，平均每個晶胞〔如圖〕占有CO2分子的個數(shù)為__4__，每個CO2分子周圍有___12__個與之緊鄰且等距的CO2分子.練習5：右圖是石英晶體平面示意圖〔它實際上是立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)〕,其中硅、氧原子數(shù)之比為____.1:2練習6：晶體的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)為平面正六邊形結(jié)構(gòu)〔如圖〕，試答復以下問題：〔1〕圖中平均每個正六邊形占有C原子數(shù)為____個、占有的碳碳鍵數(shù)為____個?！?〕層內(nèi)7個六元環(huán)完全占有的C原子數(shù)為_____個，碳原子數(shù)目與碳碳化學鍵數(shù)目之比為_______.142:323練習7：在離子晶體中，陰、陽離子按一定規(guī)律在空間排列，如圖是NaCl的晶體結(jié)構(gòu)，Na+與Cl—的最近距離為acm。〔1〕在NaCl晶體中，每個Na+同時吸引個Cl—，每個Na+周圍與之最接近且距離相等的Na+共有個，Na+數(shù)目和Cl-數(shù)目之比為；

〔2〕NaCl晶體的密度.〔NaCl的摩爾質(zhì)量為58.5g/mol〕。6121∶1〔1〕晶體中每個Y同時吸引著4個X，每個X同時吸引著8個Y，該晶體的化學式為Y2X或XY2。〔2〕晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有12個?！?〕晶體中距離最近的