1.1Ge、Si的晶体结构.ppt

第一章 Ge、Si的晶体结构 ;本章内容;1、 晶胞和晶格常数; 晶体中原子排列的情况和晶格常数等，可通过X射线结构分析等技术确定出来。已给出硅的晶格常数a=0.5428nm，锗的晶体常数a=0.5658nm。 仔细观察一下图1-1所示的晶胞，就可以知道，该立方体晶胞中共包含有18个原子（顶角8个，面心6个，内部4个），但是真正属于该晶胞的原子只有8个，据此就容易计算晶体的原子密度。因为晶胞的体积为a3，则晶体中每个原子所占有的体积为a3/8，所以晶体原子密度=8/a3。代入a的值就得到：Si晶体的原子密度=5×1022/cm3，Ge晶体的原子密度=4.4×1022/cm3。;晶胞中的18个原子，分别处于两种不同的位置，一种是在晶体胞的顶角和面心上，另一种是在晶胞内的体对角线上，它们的坐标分别为： 第一种位置： （0，0，0）；（1/2， 1/2 ，0）；（ 1/2 ，0， 1/2 ）；（0， 1/2 ， 1/2 ）；…… 第二种位置： （ 1/4 ， 1/4 ， 1/4 ）；（ 3/4 ， 3/4 ， 1/4 ）； （ 3/4 ， 1/4 ， 3/4 ）；（ 1/4 ， 3/4 ， 3/4 ）；……;2、锗，硅晶体中原子排列的规律;（2）整个Ge、Si晶体可看成由两套面心立方晶格套构起来的。面心立方晶格的一个晶胞是带有面心原子的立方体，如图1-3所示，Al，Au等金属就具有这种晶格。Ge、Si的晶格，可看成是由两套面心立方格沿晶胞体对角线方向，且错开1/4体对角线长度套构而成的，如图1-4所示。这就是说，Ge、Si晶格是由两套简单的面心立方晶格构成，是一种较为复杂的晶格，正因为Ge、Si晶格可由基本的面心立方晶格套构而成，所以常常把Ge、Si的结构归属于面心立方晶格。 ; 由图1-4可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶角的原子，分别属于两套不同的面心立方晶格，它们是有区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体中所处的环境不同。应当注意，所谓四面体中心或顶角，这是相对的，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子，也可以是另一个四面体的顶角原子。 结构分析指出，这种Ge、Si的晶体结构与金刚石的晶体结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，通常把这种形???的晶体结构统称为“金刚石结构”。;3、 四面体半径和杂质的失配;如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的，就可以根据四面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。 因为每个球的体积等于 ，而每个球所占有的晶体体积为 ，所以空间利用率等于 可见，如Ge、Si等金刚石结构的晶体，体内大部分空间是“空”的。正因为如此，某些半径较小的杂质原子（如Cu、Fe、Ni等原子）就可以较容易地在Ge、Si晶体中运动和镶嵌在这些“空隙”中。这样的杂质通常为间隙式杂质。 但是，如果杂质原子的半径较大，或价键性决定其不易进入晶体间隙中（如B、P、Sb等Ⅲ、Ⅴ族杂质），显然，这些杂质原子就只有通过与基体Ge、Si原子互换位置才能进入晶体中。这样的杂质通常为代位式杂质。 ;失配因子=|基体原子半径-杂质原子半径|/基体原子半径;4、 掺杂问题;怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢？这就是所谓“完美晶体技术”需要解决的一个重要课题。目前，在硅工艺中所采用的办法，归纳起来可以有三种： （1）用As取代P和Sb （2）四面体半径大于Si的杂质，和四面体半径小于Si的杂质同时掺入。 （3）P和As或B和As同时掺入。 ;1.2 晶向和晶面;2.晶向指数：;晶面表示方法： （1）找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距； （2）截距取倒数； （3）化为互质整数，表示为（h,k,l）。 （h,k,l）可表示一个晶面系，也可表示某一个晶面。 注意：化互质整数时，所乘的因子的正、负并未限制，故[100]和[100]应视为同一晶向。 ;例1：在立方晶系中，〈100〉代表 [100],[010],[001]三个等效晶向。 例2：在立方晶系中，{100}代表(100), (010), (001)三个等效晶面族。 有时为了表示一个具体的晶面，也可以不化互质整数。 例3：(200)指平行于(100)，但与a轴截距为a/2的晶面。 说明：若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同的。;;;;说明：六角晶系的四指数表示 以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于六角晶系有一个缺点： 晶体具有