2硅單晶的晶向

半導(dǎo)體硅單晶的晶向知識氣態(tài)（gasstate）液態(tài)（liquidstate）固態(tài)（solidstate）等離子體（plasma）物質(zhì)substance晶體（crystal）非晶體、無定形體（amorphoussolid）物質(zhì)存在形式及晶體的概念3一、晶體結(jié)構(gòu)和類型單晶：水晶、金剛石、單晶硅多晶：金屬、陶瓷4

晶體的宏觀特性：規(guī)則的幾何外形各向異性固定的熔點

宏觀特性是微觀結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)天津工業(yè)大學(xué)無定形體和晶體天津工業(yè)大學(xué)多晶體天津工業(yè)大學(xué)天然單晶體89金剛石

晶體----原子、離子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體。10硅片的類型標(biāo)志P(100)P(111)N(111)N(100)12

1.金屬鍵和金屬晶體（密堆積結(jié)構(gòu)）

金屬鍵---電子氣和陽離子間的相互作用13

金屬的特性：良好的的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的延展性14

2離子鍵和離子晶體

離子晶體：密堆積空隙的填充陰離子：大球，密堆積，形成空隙陽離子：小球，填充空隙

規(guī)則：陰陽離子相互接觸穩(wěn)定配位數(shù)大穩(wěn)定15三種典型AB型的離子晶體16

3分子鍵和分子晶體

分子的極化----正負(fù)電荷中心分化的過程17

4氫鍵和氫鍵型晶體

分子中有H和O或N、F

氫鍵的特點①鍵長特殊②鍵能介于化學(xué)鍵和分子力之間③具有飽和性和方向性18

5混合鍵型晶體（層狀晶體）

石墨的空間構(gòu)型19

6共價鍵和共價晶體2021二、晶體的構(gòu)造理論---點陣?yán)碚摻Y(jié)構(gòu)的周期性：每隔一定距離能夠重復(fù)出現(xiàn)的性質(zhì)。

NaCl：

要素：①周期性重復(fù)的內(nèi)容——結(jié)構(gòu)基元②重復(fù)周期的大小和方向22晶體的點陣結(jié)構(gòu)由于晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，可以把結(jié)構(gòu)基元抽象成點，形成點陣，先用數(shù)學(xué)方法進行研究。

1點陣

按連接其中任意兩點的向量進行平移后，均能復(fù)原的一組點。如等徑密置球23

點陣的特點:

①點陣是由無限多個點組成②每個點周圍的環(huán)境相同③同一個方向上相鄰點之間的距離一樣24晶體與點陣的對應(yīng)關(guān)系：陣點----晶體中每個（組）質(zhì)點抽象為規(guī)則排列的空間幾何點，稱之為陣點。點陣----陣點在三維空間規(guī)則排列的陣列稱空間點陣，簡稱點陣。格子----點陣中的基本單元（最小平行六面體）。晶胞----晶體中的基本單元（最小平行六面體）。結(jié)構(gòu)基元----對應(yīng)一個陣點的若干質(zhì)點的組合。25

2點陣結(jié)構(gòu)同一空間點陣，選取方式不同可得到不相同的格子。26

格子選取的原則（1）平行六面體應(yīng)反映出點陣的最高對稱性；（2）平行六面體內(nèi)的棱間夾角盡可能等于直角；（3）平行六面體具有最小的體積。

上述選取原則為依次的關(guān)系。

一種空間點陣只能選擇一種對應(yīng)的空間格子。27點陣常數(shù)：a,b,c棱邊夾角：

,,點陣矢量：a,b,c28

根據(jù)6個點陣參數(shù)間的相互關(guān)系，全部空間點陣歸屬于7種類型（7個晶系）。布拉菲用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出：

反映空間點陣全部特征的單位平面六面體只有14種，稱14種布拉菲點陣（布拉菲格子）。14種布拉菲點陣29

7個晶系，14種格子，32個點群303132333435

3晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣的區(qū)別

空間點陣：晶體中質(zhì)點排列的幾何學(xué)抽象，只有14種類型

晶體結(jié)構(gòu)：晶體中實際質(zhì)點的排列情況，晶體結(jié)構(gòu)有無限種36

晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣的區(qū)別

（1）相同點陣結(jié)構(gòu)(面心立方)，不同晶體結(jié)構(gòu)源于晶體結(jié)構(gòu)基元的不同37

晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣的區(qū)別

（2）晶體結(jié)構(gòu)相似，點陣結(jié)構(gòu)不同源于晶體結(jié)構(gòu)基元的不同38

結(jié)論：

點陣結(jié)構(gòu)只有14種類型。

結(jié)構(gòu)基元的千差萬別導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的各不相同。

結(jié)構(gòu)基元要選擇固定的位置變?yōu)辄c陣，常選取在某一固定的質(zhì)點上39三、晶面和晶面指數(shù)

1定義

晶面---同一層質(zhì)點的平面

面間距---相鄰兩層平面的距離

面密度---晶面上質(zhì)點的密度

晶面指數(shù)---標(biāo)定晶面的密勒指數(shù)402晶面指數(shù)標(biāo)定步驟

①以晶胞的某一質(zhì)點為原點，過原點的晶軸為坐標(biāo)軸,

以晶胞點陣矢量的長度為坐標(biāo)軸的長度單位；②求得待定晶面在三個晶軸上的截距，③取各截距的倒數(shù)；④將三個倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號，即表示該晶面的指數(shù)，記為(hkl)。41

如圖：求某晶面的密勒指數(shù)

（1）確定原點和單位長度（2）求得截距（3）截距倒數(shù)（4）化為整數(shù)比（5）給出晶面指數(shù)（643）42

兩種特殊情況

（1）當(dāng)晶面和晶軸平行時，截距∞，截距倒數(shù)為0。（2）晶面與晶軸的負(fù)方向相交，指數(shù)上方加以負(fù)號。43

立方晶系的幾個主要晶面444546四、晶向和晶向指數(shù)

1定義

晶向---晶體中任何一條穿過許多質(zhì)點的直線方向線密度---沿某一方向上質(zhì)點的密度

晶向指數(shù)---標(biāo)定晶向的密勒指數(shù)47

2晶向指數(shù)標(biāo)定步驟（1）以晶胞的某一質(zhì)點為原點，過原點O的晶軸為坐標(biāo)軸，以晶胞點陣矢量的長度作為坐標(biāo)軸的長度單位

（2）過原點O作一直線

OP，使其平行于待定晶向。（3）在直線OP上選取距原點最近的一個質(zhì)點

P，確定

P點的3個坐標(biāo)值。（4）將3個坐標(biāo)值化為最小整數(shù)

u，v，w，加以方括號

[uvw]即為待定晶向的晶向指數(shù)。484950

確定晶面或晶向時的關(guān)鍵問題

坐標(biāo)原點可根據(jù)需要隨時移動，三個坐標(biāo)軸軸的方向不能改變。51

面密度和晶面間距

1晶胞內(nèi)原子總數(shù)（1）頂點原子的劃分屬于每個晶胞1/852（2）棱邊原子的劃分屬于每個晶胞1/4（3）面心原子的劃分屬于每個晶胞1/253（4）體心原子的劃分屬于每個晶胞154晶胞內(nèi)原子總數(shù)的計算方法

頂角的原子總數(shù)==（1/8）X頂角原子數(shù)棱上的原子總數(shù)==（1/4）X棱上原子數(shù)面心的原子總數(shù)==（1/2）X面心原子數(shù)體心的原子總數(shù)==1X體心原子數(shù)

55

2原子面密度（NaCl為例）

原子面密度==面內(nèi)原子總數(shù)/晶面面積原子總數(shù)==(1/8)x4+(1/4)x4+(1/2)x1==2

面積==axa=a2

原子面密度==2/a256

3晶面間距

一組平行晶面中最相鄰的兩個晶面的距離

表示方法：

---（hkl)晶面的面間距57

立方晶系中的面間距：

低指數(shù)面的面間距較大。58

五、典型半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)

1典型半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)

立方晶系---金剛石型

----鍺（Ge）硅（Si）立方晶系---閃鋅礦型

----砷化鎵（GaAs）59

金剛石型結(jié)構(gòu)

Si、Ge原子序數(shù)分別為14和32，核外電子分布：

Si---1S22S22P6

3S23P2Ge---1S22S22P63S23P63d10

4S24P2

每個原子與鄰近的4個原子生成4個共價鍵，形成正四面體結(jié)構(gòu)。6061

金剛石型結(jié)構(gòu)晶胞

兩套面心立方格子沿體對角線平移1/4，形成金剛石型結(jié)構(gòu)晶胞。62閃鋅礦型結(jié)構(gòu)

鎵-Ga、砷-As原子序數(shù)分別為31和33，核外電子分布：

Ga---1S22S22P63S23P63d10

4S24P1As---1S22S22P63S23P63d10

4S24P3

每個Ga原子與鄰近的4個As原子生成4個共價鍵，形成正四面體結(jié)構(gòu)。63GaAs晶胞GaAs結(jié)構(gòu)示意圖64

2半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系

金剛石型結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)

北方冬天美麗的窗花源于雪花的精美結(jié)構(gòu)651原子面密度（N）661原子面密度（N）671原子面密度（N）6869

3晶面間距（d）

d(100）=1/4a=0.25ad(110）=/4a=0.35ad(111）=/12a=0.14ad(111）=/4a=0.43ad(111）復(fù)合=/12a=0.14a70

§4.2.2金剛石型結(jié)構(gòu)的解理性

解理性——

晶體在受到機械力作用時，沿著某些特定晶面發(fā)生破裂的性質(zhì)。解理面——

發(fā)生解理破裂的晶面。

一般情況下，解理面易發(fā)生在晶面間距大、價鍵密度低的晶面。

71

晶面原子面密度面間價鍵密度晶面間距

2/a24/a20.25a2.8/a22.8/a20.35a2.3/a22.3/a20.43a6.9/a20.14a

4.6/a22.3/a20.43a72

§4.2.3金剛石型結(jié)構(gòu)的腐蝕特性

晶體在遭受各向異性化學(xué)腐蝕劑腐蝕時，顯現(xiàn)出明顯的各向異性。硅的{111}復(fù)合面的原子密度最大晶面間價鍵密度最大，面內(nèi)原子之間結(jié)合牢固復(fù)合面上暴露的價鍵密度較小，化學(xué)活性低

硅晶體腐蝕最慢的晶面是{111}。