硅的晶体结构
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第一章 硅的晶体结构
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
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
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。
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。
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
单晶硅的晶体结构
单晶硅的晶体结构
单晶硅是一种半导体材料，它的晶体结构是由八面体组成的六方晶系。
它的晶胞参数是
a=5.43Å，晶胞体积是V=231.6Å3。
单晶硅的晶体结构由八个硅原子组成，每个硅原子都有四个键，其中两个键是共价键，另外两个键是非共价键。
每个硅原子都有四个邻居，每个邻居都有一个共价键和一个非共价键。
这种晶体结构使得单晶硅具有良好的电学性能，可以用来制造电子器件。
单晶硅的晶体结构也可以用来制造太阳能电池。
太阳能电池是一种可以将太阳能转换成电能的装置，它的工作原理是将太阳能转换成电子，然后将电子转换成电能。
单晶硅的晶体结构可以有效地捕获太阳能，并将其转换成电能。
此外，单晶硅的晶体结构还可以用来制造光电子器件。
光电子器件是一种可以将光能转换成电能的装置，它的工作原理是将光能转换成电子，然后将电子转换成电能。
单晶硅的晶体结构可以有效地捕获光能，并将其转换成电能。
总之，单晶硅的晶体结构具有良好的电学性能，可以用来制造电子器件、太阳能电池和光电子器件。
它的晶体结构使得它具有良好的电学性能，可以有效地捕获太阳能和光能，并将其转换成电能。
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)。
硅的晶体结构
硅晶体结构的特点
四、晶体内部的空隙 金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的空隙。
晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径。
硅原子半径： rsi=
3a 8
=1.17Å
硅 单原位子原体子积在晶: 格中占34 有rSi3的体积：1 a3
8
空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶
格中占有的体积
硅晶体空间利用率约为34%
晶向指数：[m1,m2,m3]; <m1,m2,m3>（等价概括）
原子线密度：晶向上单位长度内的原子个数
3a
[111]
12 1 2
1.15
3a a
晶向、晶面和堆积模型
二、晶面 晶面：晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上， 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为 晶面。 晶面指数：相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数。
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。
硅晶体中的缺陷
晶体中主要缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷
点缺陷主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷、外来原子(替位式或间隙式)
硅晶体中的缺陷
二、线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷，可以通过范性形变产生，
主要有刃位错和螺位错等。 刃位错
已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线。当 位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错。
硅晶体结构ppt课件
当位错线与滑移矢量垂直时，称为刃位错； 当位错线与滑移矢量平行时，则称为螺位错。
.
位错示意图
刃位错
螺位错
.
滑移与攀移
滑移
攀移
.
面缺陷或体缺陷
.
晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
.
硅中杂质
.
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
硅晶体结构虽然排列有规则，但内部还存在相当大的 空隙，某些半径较小的原子能比较容易在晶格内运动。
.
晶体密排面
晶体中原子在不同方向上的排列是不同的—疏密不同 当某个晶向上原子之间间距最小原子排的最密，该晶 面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点： 1、原子排列最紧密，相邻原子间距小； 2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
.
硅的晶体结构 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子
）不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体 没有一定的规则外形，如玻璃、松香、石蜡等 。其物理性质在各个方向上是相同的，称“各 向同性”；没有固定的熔点。有人把非晶体叫 做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。
.
硅的晶体结构
晶体在不同方向上物理性质不同的现象——各向异性。 非晶体各个方向物理性质是相同的。
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
.
硅晶体中的缺陷和杂质
集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料
晶体缺陷种类：
点缺陷
面缺陷
线缺陷
体缺陷
.
点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。
.
位错示意图
刃位错
螺位错
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滑移与攀移
滑移
攀移
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面缺陷或体缺陷
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晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
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硅中杂质
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硅晶体结构虽然排列有规则，但内部还存在相当大的 空隙，某些半径较小的原子能比较容易在晶格内运动。
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晶体密排面
晶体中原子在不同方向上的排列是不同的—疏密不同 当某个晶向上原子之间间距最小原子排的最密，该晶 面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点： 1、原子排列最紧密，相邻原子间距小； 2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
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硅的晶体结构 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子
）不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体 没有一定的规则外形，如玻璃、松香、石蜡等 。其物理性质在各个方向上是相同的，称“各 向同性”；没有固定的熔点。有人把非晶体叫 做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。
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硅的晶体结构
晶体在不同方向上物理性质不同的现象——各向异性。 非晶体各个方向物理性质是相同的。
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
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硅晶体中的缺陷和杂质
集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料
晶体缺陷种类：
点缺陷
面缺陷
线缺陷
体缺陷
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点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。