第一章 硅的晶体结构
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第一章 硅的晶体结构
的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、
m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这 三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、 m3]，称为晶向指数。
14
3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
(或米勒指数)。
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 ( 1 00) {hkl} ：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 1 )六个平面。 (0 1 0)， ( 1 00)， {100}表示(100)，(010)，(001)， [hkl]：代表一晶体的方向，如 [100]方向定义为垂直于 (100) 平 面的方向，即表示 x 轴方向。而 [111] 则表示垂直于 (111) 平面的 方向。 <hkl> ：代表等效方向的所有方向组，如 <100> 代表 [100] 、 [010]、[001]、 [ 1 00]、 [0 1 0]、 [00 1 ] 六个等效方向的族群。
间隙式杂质
替位式杂质
24
1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分
晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的 交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
3 4 r Si / 3 则空间利用率为： 34% 3 a /8
空隙为66%
12
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
一、晶列
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行 直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向 不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。
m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这 三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、 m3]，称为晶向指数。
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3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
(或米勒指数)。
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 ( 1 00) {hkl} ：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 1 )六个平面。 (0 1 0)， ( 1 00)， {100}表示(100)，(010)，(001)， [hkl]：代表一晶体的方向，如 [100]方向定义为垂直于 (100) 平 面的方向，即表示 x 轴方向。而 [111] 则表示垂直于 (111) 平面的 方向。 <hkl> ：代表等效方向的所有方向组，如 <100> 代表 [100] 、 [010]、[001]、 [ 1 00]、 [0 1 0]、 [00 1 ] 六个等效方向的族群。
间隙式杂质
替位式杂质
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1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分
晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的 交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
3 4 r Si / 3 则空间利用率为： 34% 3 a /8
空隙为66%
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1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
一、晶列
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行 直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向 不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。
硅的制备及其晶体结构
显然，间隙原子也是一种点缺陷，当间隙原子和晶格原子大 小相当时，会引起很大的晶格破坏，因而需要很大的能量。如 果间隙原子的体积比晶格原子小的多，则可以稳定存在。
天津工业大学
弗兰克尔缺陷（Frenkel Defects）
通常空位和间隙原子是成对出现的，——离子离开它原 来的位置进入间隙形成间隙离子，同时留下一个空位。这 种缺陷成为Frenkel Defect，它仍然是电中性的。
空位 : 点缺陷（point defect) ——晶格中点的范围内产生 空位即晶格中组成粒子的缺失，如果一个晶格正常位 置上的原子跑到表面，在体内留下一个晶格空位，则称为 肖特基（ Schottky ）缺陷。
空位是可以在晶格中移动的
天津工业大学
空位（ Vacancies ）
空位的产生需要打破化学键，因而需要一定的能量， 空位的数量随温度的增加而增加。 在不考虑杂质的情况下（即本征intrinsic 情况下），含 有N个粒子的晶体，在温度为T时空位的平衡浓度为：
熔融液
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
天津工业大学
直拉法和区熔法的比较
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多 优点：生长过程中污染少，可生长极高 纯单晶（高功率、高压器件）
直拉法
区熔法
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限 制了生长的单晶硅锭的直径
Chap.1 硅的制备及其晶体结构
1 2 3 4 5
晶体的概念及硅材料的特点
单晶硅片的制备
单晶硅的晶体结构特点
硅晶体中的缺陷 硅晶体中的杂质
天津工业大学
物质存在形式及晶体的概念
硅的晶体结构课件
04
硅晶体结构的应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体工业中的应用
硅晶体是半导体工业中最重要 的材料之一，用于制造集成电 路、微处理器、晶体管、太阳 能电池等。
硅晶体的高纯度、低缺陷密度 和优良的电学性能使其成为制 造电子器件的理想材料。
硅晶体在半导体工业中的应用 已经取得了巨大的经济效益和 社会效益。
氧化性
硅在高温下能与氧气发生反应， 生成二氧化硅，这是一种具有高
硬度的玻璃态物质。
还原性
在特定条件下，硅能与一些强还 原剂发生反应，生成硅烷等有机
硅化合物。
硅晶体结构的电学性质
导电性
硅晶体结构是一种半导体材料， 其导电性能介于导体和绝缘体之 间。在一定条件下，硅可以表现 出优良的导电性能。
光导性
硅在特定波长的光线照射下，能 吸收光能并转换为电能，这是制 造太阳能电池的基础原理之一。
强方向性
硅晶体中的共价键具有强 方向性，这使得硅晶体具 有高度的结晶性和各向异 性。
共价键性质
硅晶体中的共价键属于定 域键，其电子云主要集中 在相邻原子的轨道重叠区 域，形成稳定的化学键。
03
硅晶体结构的性质
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
硅晶体结构的物理性质
空间格子
硅晶体的空间格子是由两个面心立 方点阵沿特定方向嵌套而成，这种 结构使得硅晶体具有较高的硬度和 化学稳定性。
晶胞参数
硅晶胞参数为a=b=c=5.43埃， α=β=γ=90°，每个晶胞中含有2个 硅原子。
硅晶体结构的键合方式
01
02
03
第1章 硅的晶体结构、环境与衬底制备
1.2.3 堆积模型
面心立方晶格又称立方密排晶格 两种堆积方式：AB-六角密积 ABC－立方密积 配位数－12
1.2.4 双层密排面
金刚石结构为两套面心立方晶格套构而成，所以它的{111}晶面也是原子 密排面。沿体对角线滑移1/4梯对角线的长度，刚好是晶胞面心立方原子 所在位置。形成AA BB´CC´堆积。故硅晶体的密排面都是双层的。 双层密排面内距离：
1.7 1.8
1.8.1 1.8.2
衬底材料 衬底制备
单晶的整形和定向 晶片加工
1.7.1 IC与硅材料 1.7.2 大直径单晶制备
1.6
微电子加工环境
微电子加工环境是指微电子产品在加工过程中所接触的除单晶材
料、加工设备及加工技术之外的一切物质。
微电子器件加工水平进入亚微米阶段后,不仅涉及到微细加工等各种 高、精、尖技术,而且对加工环境也提出了十分苛刻的要求。任何尘埃
VLSI、ULSI对单晶材料质量要求的降低。单晶完美化的根本方法还是控制和
提高生产过程中单晶材料的质量。
1.4
硅中杂质
ni pi KT e
3 / 2 Eg 0 /(2kT )
1.5
杂质在硅晶体中的溶解度
1.6
1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4
微电子加工环境
环境对成品率的影响 超净空间环境要求 超纯水 超纯气体和超纯试剂
原生缺陷是晶体生长过程中形成的缺陷。主要有宏观缺陷
和微观缺陷两大类。孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷和
微沉积等。
有害杂质则是会影响晶体性质的杂质或杂质团，主要有
受主、施主、重金属、碱金属等。原量生缺陷和有害杂质除影响材料的
力学性质、载流子的输运或杂质的扩散行为外,还与加工工艺中产生的诱
硅的晶体结构PPT课件
kl第15页共42页16三立方晶系的几种主要晶面第16页共42页17四硅的常用晶面上的原子分布第17页共42页体缺陷面缺陷线缺陷点缺陷缺陷13硅晶体中的缺陷第18页共42页131点缺陷外来原子替位式和间弗仑克尔缺陷肖特基缺陷空位自间隙原子点缺陷一自间隙原子存在于硅晶格间隙中的硅原子是晶体中最简单的点缺第19页共42页第20页共42页21二空位和间隙原子在一定温度下晶格原子丌仅在平衡位置附近做振动运动而且有一部分原子会获得足够的能量克服周围原子对它的束缚挤入晶格原子间的间隙形成间隙原子原来的位置便成为空位
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28
1.4 硅中杂质
一、半导体的电阻特性
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29
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30
二、本征半导体和本征激发
➢本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。 ➢T=0K时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量
子态都是空的，也就是说，半导体中共价键是饱和的、完整 的。 ➢T＞0K时，就有电子从价带激发到导带，同时价带中产生空 穴，这就是所谓的本征激发。由于电子和空穴成对产生，导 带中的电子浓度n0等于价带中的空穴浓度p0。
存在于硅晶格间隙中的硅原子，是晶体中最简单的点缺 陷。
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20
第20页/共42页
二、空位和间隙原子
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的 位置便成为空位： ✓ 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷； ✓ 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷； ✓ 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值；
杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 原子小； ➢ 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
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1.4 硅中杂质
一、半导体的电阻特性
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二、本征半导体和本征激发
➢本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。 ➢T=0K时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量
子态都是空的，也就是说，半导体中共价键是饱和的、完整 的。 ➢T＞0K时，就有电子从价带激发到导带，同时价带中产生空 穴，这就是所谓的本征激发。由于电子和空穴成对产生，导 带中的电子浓度n0等于价带中的空穴浓度p0。
存在于硅晶格间隙中的硅原子，是晶体中最简单的点缺 陷。
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二、空位和间隙原子
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的 位置便成为空位： ✓ 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷； ✓ 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷； ✓ 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值；
杂质为间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 原子小； ➢ 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
硅的晶体结构范文
硅的晶体结构范文硅是一种常见的半导体材料，其晶体结构对于理解其物理和化学性质至关重要。
硅晶体是由硅原子构成的，具有高度有序的排列方式，可形成多种晶体结构。
本文将详细介绍硅晶体的结构特点及其影响。
硅晶体主要以金刚石结构为基础，每个硅原子通过共价键与四个邻近原子相连。
硅晶体是由简单的晶胞重复排列而成的，这些晶胞可以是正方晶胞、体心立方晶胞或其他类型的晶胞。
硅晶体具有高度有序排列的晶格结构，使其在半导体领域有着广泛的应用。
硅晶体的晶体结构可以用晶格参数和空间群来描述。
晶格参数定义晶格的尺寸和形状，而空间群描述了晶格的对称性。
在硅晶体中，硅原子形成了面心立方晶格。
每个硅原子都与四个邻近原子通过共价键相连，形成一个密堆积结构。
硅晶体的晶胞通常采用钻石（金刚石）结构，其中包含两个相互剖分的面心立方晶胞。
硅晶体的面心立方晶格可以由两种方式来描述：体心立方晶格和六方晶格。
体心立方晶格是由两个面心立方晶胞组成的，每个晶胞上的硅原子分别位于相邻的两个晶胞的中心，而其中心原子则位于两个晶胞之间的中心。
体心立方晶格具有空间群Fm-3m，也被称为菱心结构。
六方晶格是由六个面心立方晶胞组成的，形成了一个六角形的结构。
每个晶胞的硅原子分别位于六个相邻晶胞的顶点和一个中心位置。
六方晶格具有空间群P6/mmc，也被称为六方密排。
无论是体心立方晶格还是六方晶格，硅晶体的硅原子之间都有四个共价键相连，每个硅原子都通过共价键与四个邻近原子形成四面体结构。
这种强大的共价键结构使得硅晶体具有较高的熔点、硬度和化学稳定性。
硅晶体的晶体结构对其电子性质和光学性质有着重要的影响。
由于硅的晶体结构中存在共价键而不是金属键或离子键，因此硅晶体是半导体材料，其导电性能可以通过施加外部电场或改变温度来控制。
在半导体器件中，硅晶体的晶格结构对于形成PN结、晶体管等器件至关重要。
硅晶体的硅原子排列方式确定了电子的能带结构，而能带结构又决定了硅晶体的导电性能。
硅晶体结构的特点硅的晶胞结构
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
硅晶体结构的特点
硅的晶体结构和碳、锗一样，是金刚石结构的半导体 晶体。
硅原子构成的一个面心立方原 胞内还有四个原子，分别位于四 个空间对角线的 1／4处
硅晶体结构的特点
硅 的 晶 体 结 构
硅晶体结构的特点
一、晶胞 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元，称为晶胞。
硅的晶胞结构：在由硅原子构 成的一个面心立方原胞内，还有 四个硅原子，分别位于四个空间 对角线的 1／4处。
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
硅晶体结构的特点
硅的晶体结构和碳、锗一样，是金刚石结构的半导体 晶体。
硅原子构成的一个面心立方原 胞内还有四个原子，分别位于四 个空间对角线的 1／4处
硅晶体结构的特点
硅 的 晶 体 结 构
硅晶体结构的特点
一、晶胞 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元，称为晶胞。
硅的晶胞结构：在由硅原子构 成的一个面心立方原胞内，还有 四个硅原子，分别位于四个空间 对角线的 1／4处。
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
硅的晶体结构
10
1.1.4 晶体内部的空隙
z
B
C
例题: 假使将圆球放入一体心立方
晶格中，并使中心圆球与立方体八
A
个角落的圆球紧密接触，试计算出
D
a3
这些圆球占此体心立方晶胞的空间
8
y
比率。 圆球半径定义为晶体中最小
原子间距的一半，即 3a / 8。
x
解：球的体积为：4rS3i
3
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a3 / 8
三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、
m3]，称为晶向指数。
13
3..2.2 晶面
一、定义
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
12
2. 晶向指数
以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任 一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：
L l1x l2 y l3z
给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可 由连接晶列中相邻格点的矢量：
A m1x m2 y m3z
的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、 m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这
z
z
B
C
A D
y
x
x
5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
1.1.4 晶体内部的空隙
z
B
C
例题: 假使将圆球放入一体心立方
晶格中，并使中心圆球与立方体八
A
个角落的圆球紧密接触，试计算出
D
a3
这些圆球占此体心立方晶胞的空间
8
y
比率。 圆球半径定义为晶体中最小
原子间距的一半，即 3a / 8。
x
解：球的体积为：4rS3i
3
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a3 / 8
三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、
m3]，称为晶向指数。
13
3..2.2 晶面
一、定义
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
12
2. 晶向指数
以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任 一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：
L l1x l2 y l3z
给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可 由连接晶列中相邻格点的矢量：
A m1x m2 y m3z
的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、 m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于 任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这
z
z
B
C
A D
y
x
x
5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
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间隙式杂质
替位式杂质
34
举例Si中掺 四、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
35
电离结果： 电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺 子数增加了，这也是掺 施主的意义所在 施主的意义所在
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体 导体称为电子型或 型半导体
3
1.1 硅晶体结构的特点
1.1.1 晶胞
一、基本概念
晶格： 晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞： 晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整 个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即 可产生整个晶格。
4
单晶体： 单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体： 多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶 体。
n型杂质 型杂质
38
举例Si中掺 五、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
39
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
电离结果： 电离结果：价带中的 空穴数增加了， 空穴数增加了，这也 掺受主的意义所在 是掺受主的意义所在
10
1.1.3 原子密度
例题： 硅在300K时的晶格常数a为 5.43Å。请计算出每立方厘米体积 中的硅原子数及常温下的硅原子密 度。 解： 每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占 的空间体积为a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3） 密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德 罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( hkl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 (100) {hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 (0 (1 {100}表示(100)，(010)，(001)， 00)， 10)， 1)六个平面。 [hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平 面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的 方向。 <hkl>：代表等效方向的所有方向组，如<100>代表[100]、 [010]、[001]、 00]、 10] [001] 六个等效方向的族群。 [1 [0 、
间隙式杂质
替位式杂质
24
1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分 晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的 交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
17
三、立方晶系的几种主要晶面
18
四、硅的常用晶面上的原子分布
19
1.3 硅晶体中的缺陷
点缺陷 线缺陷 缺陷 面缺陷 体缺陷
20
1.3.1 点缺陷
自间隙原子 空位 点缺陷肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷 外来原子（替位式和间隙式）
一、自间隙原子
存在于硅晶格间隙中的硅原子，是晶体中最简单的点缺 陷。
3 4πrSi / 3 则空间利用率为： ≈ 34% 3 a /8
空隙为66%
12
晶向、晶面和堆积模型 1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
一、晶列
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行 直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向 不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。
处在立方体顶角和面心的原子构成一套面心立方格子， 处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以 认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一 长度套构而成的。这种晶胞称为金刚石型结构 金刚石型结构的立方晶胞， 金刚石型结构 如下图所示。
8
二、共价四面体
金刚石型结构特点： 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面 体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
B
z
C
A D
y
x
x
6
面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 面心立方晶格 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
7
1.1.2 共价四面体
一、硅的晶胞
简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且 简单立方晶格 每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周 期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。 体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个 体心立方晶格 原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠 (sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。
14
3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
15
1.2.2 晶面
一、定义
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
二、米勒指数
用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它 们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负 整数。通常就用h 1 、h 2 、h 3 来标记晶面，称它们为晶面指数 (或米勒指数)。
25
AD为位错线 为位错线
刃 位 错
26
AD为位错线 为位错线
滑移矢量
螺位错
27
1.3.3 面缺陷
晶体中的面缺陷是二维缺陷，其在两个方向上的尺寸都 很大，另外一个方向上的尺寸很小。主要分两种： 多晶的晶粒间界 晶粒间界就是最明显的面缺陷，它是一个原子错排 晶粒间界 的过渡区； 在密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱，称为堆 垛层错，简称层错 层错。层错是一种区域性的缺陷，在层错以 层错 外及以内的原子都是规则排列的，只是在两部分交界面处 原子排列才发生错乱，所以它是一种面缺陷。
晶格常数：晶胞与晶格的关系 可用三个向量a、b及c来表示，它 们彼此之间不需要正交 不需要正交，而且在 不需要正交 长度上不一定相同 不一定相同，称为晶格常 不一定相同 数。每个三维空间晶体中的等效 格点可用下面的向量组表示： R＝ma + nb + pc 其中m、n及p是整数。
c
γ β α
b
a
5
二、三种立方晶体原胞
第一章 硅的晶体结构
1.1 硅晶体结构的特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 晶向、 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 自学) 杂质在硅晶体中的溶解度(自学 自学
1
本章重点
Si晶体结构 晶体结构 晶向、 晶向、晶面 缺陷、杂质 缺陷、
2
单晶体 晶体 固体 多晶体 非晶体
11
1.1.4 晶体内部的空隙
例题 : 假使将圆球放入一体心立方 晶格中，并使中心圆球与立方体八 个角落的圆球紧密接触，试计算出 这些圆球占此体心立方晶胞的空间 比率。 圆球半径定义为晶体中最小 原子间距的一半，即 3πa / 8。
3 4πrSi 解：球的体积为： 3
B A
z
C
D
a3 8
y
x
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a 3 / 8
把被受主杂质束缚的空穴的 能量状态称为受主能级 受主能级。 能量状态称为受主能级。受 主能级靠近价带顶部 40
空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离 受主电离。受主杂质未电 受主电离 离时是中性的称为束缚态或中性态 束缚态或中性态；电离后成为负电中心， 束缚态或中性态 称为受主离化态 受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所 受主离化态 需要的能量称为受主电离能 受主电离能。 受主电离能
32
33
三、杂质半导体
掺入杂质的半导体称为杂质半导体。半导体电阻率的大 小与所含杂质浓度密切相关。 杂质原子进入半导体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质 间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 间隙式杂质 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质 替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 替位式杂质 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
23
三、外来原子
外来原子进入晶体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质 间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 间隙式杂质 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质 替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 替位式杂质 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
21
22
二、空位和间隙原子
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子 间隙原子，原来的 间隙原子 位置便成为空位 空位： 空位 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷 弗仑克耳缺陷； 弗仑克耳缺陷 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷 肖特基缺陷； 肖特基缺陷 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值； 这种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷 热缺陷，它们总是同时存 热缺陷 在的； 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁 移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，故 空位是常见的点缺陷； 空位是常见的点缺陷
替位式杂质
34
举例Si中掺 四、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
35
电离结果： 电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺 子数增加了，这也是掺 施主的意义所在 施主的意义所在
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体 导体称为电子型或 型半导体
3
1.1 硅晶体结构的特点
1.1.1 晶胞
一、基本概念
晶格： 晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞： 晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整 个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即 可产生整个晶格。
4
单晶体： 单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体： 多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶 体。
n型杂质 型杂质
38
举例Si中掺 五、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
39
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
电离结果： 电离结果：价带中的 空穴数增加了， 空穴数增加了，这也 掺受主的意义所在 是掺受主的意义所在
10
1.1.3 原子密度
例题： 硅在300K时的晶格常数a为 5.43Å。请计算出每立方厘米体积 中的硅原子数及常温下的硅原子密 度。 解： 每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占 的空间体积为a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3） 密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德 罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( hkl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 (100) {hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 (0 (1 {100}表示(100)，(010)，(001)， 00)， 10)， 1)六个平面。 [hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平 面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的 方向。 <hkl>：代表等效方向的所有方向组，如<100>代表[100]、 [010]、[001]、 00]、 10] [001] 六个等效方向的族群。 [1 [0 、
间隙式杂质
替位式杂质
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1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的位错可以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部分 晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的 交界处形成位错； 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错； 如果位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
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三、立方晶系的几种主要晶面
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四、硅的常用晶面上的原子分布
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1.3 硅晶体中的缺陷
点缺陷 线缺陷 缺陷 面缺陷 体缺陷
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1.3.1 点缺陷
自间隙原子 空位 点缺陷肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷 外来原子（替位式和间隙式）
一、自间隙原子
存在于硅晶格间隙中的硅原子，是晶体中最简单的点缺 陷。
3 4πrSi / 3 则空间利用率为： ≈ 34% 3 a /8
空隙为66%
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晶向、晶面和堆积模型 1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
一、晶列
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行 直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向 不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。
处在立方体顶角和面心的原子构成一套面心立方格子， 处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以 认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一 长度套构而成的。这种晶胞称为金刚石型结构 金刚石型结构的立方晶胞， 金刚石型结构 如下图所示。
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二、共价四面体
金刚石型结构特点： 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面 体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
B
z
C
A D
y
x
x
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面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 面心立方晶格 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
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1.1.2 共价四面体
一、硅的晶胞
简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且 简单立方晶格 每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周 期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。 体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个 体心立方晶格 原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠 (sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。
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3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
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1.2.2 晶面
一、定义
晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面 系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多 取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同 的。
二、米勒指数
用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它 们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负 整数。通常就用h 1 、h 2 、h 3 来标记晶面，称它们为晶面指数 (或米勒指数)。
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AD为位错线 为位错线
刃 位 错
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AD为位错线 为位错线
滑移矢量
螺位错
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1.3.3 面缺陷
晶体中的面缺陷是二维缺陷，其在两个方向上的尺寸都 很大，另外一个方向上的尺寸很小。主要分两种： 多晶的晶粒间界 晶粒间界就是最明显的面缺陷，它是一个原子错排 晶粒间界 的过渡区； 在密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱，称为堆 垛层错，简称层错 层错。层错是一种区域性的缺陷，在层错以 层错 外及以内的原子都是规则排列的，只是在两部分交界面处 原子排列才发生错乱，所以它是一种面缺陷。
晶格常数：晶胞与晶格的关系 可用三个向量a、b及c来表示，它 们彼此之间不需要正交 不需要正交，而且在 不需要正交 长度上不一定相同 不一定相同，称为晶格常 不一定相同 数。每个三维空间晶体中的等效 格点可用下面的向量组表示： R＝ma + nb + pc 其中m、n及p是整数。
c
γ β α
b
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二、三种立方晶体原胞
第一章 硅的晶体结构
1.1 硅晶体结构的特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 晶向、 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 自学) 杂质在硅晶体中的溶解度(自学 自学
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本章重点
Si晶体结构 晶体结构 晶向、 晶向、晶面 缺陷、杂质 缺陷、
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单晶体 晶体 固体 多晶体 非晶体
11
1.1.4 晶体内部的空隙
例题 : 假使将圆球放入一体心立方 晶格中，并使中心圆球与立方体八 个角落的圆球紧密接触，试计算出 这些圆球占此体心立方晶胞的空间 比率。 圆球半径定义为晶体中最小 原子间距的一半，即 3πa / 8。
3 4πrSi 解：球的体积为： 3
B A
z
C
D
a3 8
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x
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a 3 / 8
把被受主杂质束缚的空穴的 能量状态称为受主能级 受主能级。 能量状态称为受主能级。受 主能级靠近价带顶部 40
空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离 受主电离。受主杂质未电 受主电离 离时是中性的称为束缚态或中性态 束缚态或中性态；电离后成为负电中心， 束缚态或中性态 称为受主离化态 受主离化态。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所 受主离化态 需要的能量称为受主电离能 受主电离能。 受主电离能
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三、杂质半导体
掺入杂质的半导体称为杂质半导体。半导体电阻率的大 小与所含杂质浓度密切相关。 杂质原子进入半导体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质 间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 间隙式杂质 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质 替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 替位式杂质 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
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三、外来原子
外来原子进入晶体后，有两种方式存在： 一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称这种 杂质为间隙式杂质 间隙式杂质。形成该种杂质时，要求其原子比晶格 间隙式杂质 原子小； 另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称 这种杂质为替位式杂质 替位式杂质。形成该种杂质时，要求其原子的 替位式杂质 大小与被取代的晶格原子的大小比较接近，而且二者的价 电子壳层结构也比较接近。
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二、空位和间隙原子
在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运 动，而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对 它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子 间隙原子，原来的 间隙原子 位置便成为空位 空位： 空位 这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷 弗仑克耳缺陷； 弗仑克耳缺陷 若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷 肖特基缺陷； 肖特基缺陷 间隙原子和空位不断地产生和复合，最后确立一平衡浓度值； 这种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷 热缺陷，它们总是同时存 热缺陷 在的； 由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁 移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，故 空位是常见的点缺陷； 空位是常见的点缺陷