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1、Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1上海交通大学成教院电子科学与技术专业半导体物理学Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1电话：电话：36033332（H)（M）上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院微纳科学技术研究院陆陆陆陆 鸣鸣鸣鸣E-mail：Semiconductor PhysicsSemiconductor Phys
2、icsChapter 1Chapter 1 So pleasure to meet you in classroom today!I hope we will be happy to co-operate on our new subject of Semiconductor Physics in this semester.Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1教学目标教学目标通通过过半半导导体体中中电电子子运运动动规规律律及及其其性性质质的的学学习习，引引导导学学生生了了解解半半导导体体物物理理的的基基本本分
3、分析析方方法法；从从半半导导体体中中载载流流子子的的运运动动规规律律出出发发，掌掌握握半半导导体体的的基基本本导导电电理理论论，为为学学习习半半导导体体器器件件基基础础和和从从事事电电子子科科学学技技术术相相关关的的专专业业工工作作打打好好扎实基础。扎实基础。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1教学内容及基本要求教学内容及基本要求课程包含半导体晶体，平衡状态课程包含半导体晶体，平衡状态下半导体体材特性，非平衡状态下半导体体材特性，非平衡状态下半导体体材特性，平衡和偏置下半导体体材特性，平衡和偏置状态下状态下 P
4、N 结特性，结特性，PN 结伏结伏 安安特性，半导体表面和特性，半导体表面和 MIS 结构及结构及金属金属-半导体接触和异质结七章半导体接触和异质结七章Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1通过学习要求学生对半导体物理通过学习要求学生对半导体物理的基本分析方法有较深刻了解，的基本分析方法有较深刻了解，能从半导体中载流子运动的规律能从半导体中载流子运动的规律出发，分析处理半导体的基本导出发，分析处理半导体的基本导电理论，特别是电理论，特别是 PN 结理论，同结理论，同时对半导体表面，金属时对半导体表面，金属-半导体
5、半导体接触等相关问题有较好理解。接触等相关问题有较好理解。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1陆陆 鸣鸣 半导体物理学半导体物理学 教材与参考书教材与参考书刘恩科等刘恩科等半导体物理学半导体物理学（第第6 6版版）国防工业出版社国防工业出版社Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1第一章第一章 导论导论半导体晶体半导体晶体 Chapter 1 Introduction Semiconductor CrystalSemiconduct
6、or PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1 半导体器件，或微电子半导体器件，或微电子器件，本质上是器件，本质上是材料取材料取向向（Materials oriented ）的，即器件的特性基本的，即器件的特性基本上由半导体材料的性质上由半导体材料的性质决定。决定。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1 半导体材料，正如半导体半导体材料，正如半导体 的词义所示，是一种的词义所示，是一种电导电导率率（electrical conductivity electric
7、al conductivity）介介于于导体导体与与绝缘体绝缘体之间的材之间的材料。料。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1晶体的基本概念晶体的基本概念处处于于凝凝固固状状态态下下的的物物体体，我们称之为固体。我们称之为固体。固体按其结构可分为两类：固体按其结构可分为两类：一一类类是是晶晶体体，另另一一类类是是非非晶体晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1晶晶体体又又有有单单晶晶体体和和多多晶晶体体之之分分。一一般般所所说说
8、的的晶晶体体，主要是指单晶体。主要是指单晶体。半半导导体体器器件件和和集集成成电电路路采采用用的的半半导导体体材材料料都都是是接接近近完美的单晶材料。完美的单晶材料。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1完美单晶半导体的研究，完美单晶半导体的研究，当然是材料学家或者结晶当然是材料学家或者结晶学家的职责，不过，一些学家的职责，不过，一些基本概念我们也应该知道。基本概念我们也应该知道。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1人们在生产和生
9、活实践中人们在生产和生活实践中早就发现自然界中许多固早就发现自然界中许多固体具有高度对称的、规则体具有高度对称的、规则的外形，就把这类外形规的外形，就把这类外形规则的固体称为则的固体称为晶体晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1人们进人们进步发现晶体的许步发现晶体的许多物理性质都与它们外形多物理性质都与它们外形的规则性有关，如总沿的规则性有关，如总沿解解理面理面劈裂等，联想到晶体劈裂等，联想到晶体外形的规则性可能是它们外形的规则性可能是它们内部结构规则性的反映。内部结构规则性的反映。Semiconducto
10、r PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1另一方面，人们对组成物另一方面，人们对组成物质的基本单元质的基本单元原子和原子和分子逐渐有了较深入的认分子逐渐有了较深入的认识。识。十九世纪中期，布拉伐十九世纪中期，布拉伐（Bravias）提出了晶体结构提出了晶体结构的空间点阵学说。的空间点阵学说。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1十九世纪末，费多洛夫等十九世纪末，费多洛夫等建立了晶体微观结构对称建立了晶体微观结构对称性的空间群理论。性的空间群理论。归纳起来，晶体
11、的主耍特归纳起来，晶体的主耍特征是内部原子征是内部原子(离子或分离子或分子子)排列具有排列具有规则性规则性和和周周期性期性。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1整块材料中内部原子都是整块材料中内部原子都是有规则、周期地重复排列有规则、周期地重复排列起来的晶体称为起来的晶体称为单晶体单晶体。多多晶晶体体则则由由大大量量微微小小 (线线度度在在0.01毫毫米米以以下下)的的晶晶粒粒所组成，所组成，Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1
12、多晶体内，每个小晶粒中多晶体内，每个小晶粒中的原子排列是规则和周期的原子排列是规则和周期的，但各晶粒之间，原子的，但各晶粒之间，原子排列的取向并不相同。排列的取向并不相同。金属大都属于多晶体。金属大都属于多晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1 1 1，适当条件下生长的单适当条件下生长的单晶体，外形呈规则的几何晶体，外形呈规则的几何形状；形状；原子排列的规则性，宏观原子排列的规则性，宏观上决定了单晶体具有以下上决定了单晶体具有以下共性：共性：Semiconductor PhysicsSemiconducto
13、r PhysicsChapter 1Chapter 1 2 2，不同方向上原子排列不同方向上原子排列情况不一样，物理性质也情况不一样，物理性质也不相同，具有不相同，具有各向异性各向异性。锗、硅，砷化镓和其它制锗、硅，砷化镓和其它制作器件的半导体材料都是作器件的半导体材料都是人工拉制的单晶体。人工拉制的单晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1固体除晶体外，还有非晶固体除晶体外，还有非晶体。非晶体中的原子排列体。非晶体中的原子排列都是无规则的，非晶体有都是无规则的，非晶体有时也称时也称过冷液体过冷液体。玻璃、。
14、玻璃、塑料等都是非晶体。塑料等都是非晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1固体物理学是研究晶体中固体物理学是研究晶体中原子和电子运动规律及其原子和电子运动规律及其性质的学科。性质的学科。半导体物理学是固体物理半导体物理学是固体物理学的分支，研究半导体晶学的分支，研究半导体晶体中原子和电子的运动规体中原子和电子的运动规律及其性质。律及其性质。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1晶体性质主要决定于它们晶体性质主要决定于它们的化学
15、组成和内部结构。的化学组成和内部结构。晶体组成的化学成分不同晶体组成的化学成分不同其性质当然不同；晶体化其性质当然不同；晶体化学成分相同，但内部结构学成分相同，但内部结构不同，性质也不相同。不同，性质也不相同。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1表明内部结构对晶体性质表明内部结构对晶体性质有决定性影响。有决定性影响。下面以氢化钠晶体为例，下面以氢化钠晶体为例，筒单说明描述晶体结构周筒单说明描述晶体结构周期性的方法。期性的方法。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsC
16、hapter 1Chapter 1 NaCl 晶晶体体由由氯氯和和钠钠两两种种元元素素的的原原子子组组成成。形形成成 NaCl 晶晶体体时时，每每个个 Na+离离子子的的近近邻邻是是 C1-离离子子，C1-离离子子的近邻是的近邻是 Na+离子。离子。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Na+Cl-0abcNaCl 晶体的空间晶格晶体的空间晶格Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1依依靠靠带带正正电电离离子子和和带带负负电电离离子子
17、间间的的静静电电吸吸引引形形成成的的结结构构，称称为为离离子子键键，由由离离子子键键构构成成的的晶晶体体称称为为离离子子晶晶体体。NaCl 是是典典型型的的离离子子晶体。晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1整整个个晶晶体体可可以以看看成成是是由由一一个个基基本本的的结结构构单单元元沿沿三三个个不不同同方方向向，各各自自按按一一定定间间距距，周周期期地地重重复复堆堆积积的的结结果。果。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1xy
18、zSemiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1不不同同晶晶体体的的基基本本结结构构单单元元是不同的。是不同的。基基本本结结构构单单元元可可以以是是一一个个原原子子，也也可可是是若若干干个个原原子子组成的集团。组成的集团。NaCl 晶晶体体的的基基本本结结构构单单元元，由由一一个个 Na+离离子子和和一一个个 C1-离子组成。离子组成。Semiconductor PhysicsSemiconductor
19、 PhysicsChapter 1Chapter 1为为简简单单描描述述晶晶体体内内部部结结构构的的周周期期性性，可可把把每每个个最最小小的的重重复复单单元元用用一一个个点点来来表表示。示。每每个个基基本本结结构构单单元元的的代代表表点点，必必须须选选在在各各单单元元中中的的同同类类原原子子上上（NaCI 的的 Na 或或 Cl），Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1也也可可以以选选在在在在基基本本结结构构单单元的元的“重心重心”上。上。显显然然，这这些些代代表表点点空空间间分分布布的的周周期期性性与与晶晶体体
20、中中原原子子排列的周期性完全一致。排列的周期性完全一致。代表点的整体称为代表点的整体称为空间晶格空间晶格，或，或 布拉伐格子布拉伐格子（Bravias Lattice）。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1布布拉拉伐伐格格点点是是晶晶体体基基本本结结构构单单元元的的代代表表点点，每每个个格格点是一个原子集团的代表。点是一个原子集团的代表。格格点点所所代代表表的的原原子子集集团团，彼彼此此之之间间有有相相同同的的结结构构，即即原原子子的的成成分分、排排列列和和取取向均相同。向均相同。Semiconductor P
21、hysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1需需要要特特别别注注意意的的是是，应应把把布布拉拉伐伐格格子子同同晶晶体体结结构构区区分分开开来来。晶晶体体结结构构是是指指晶晶体体中中的的原原子子排排列列，而而布布拉拉伐伐格格子子则则是是指指晶晶体体基基本本结结构构单单元元代代表表点点在在空空间间的的分分布。布。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1任任何何晶晶体体，只只要要知知道道它它的的布布拉拉伐伐格格子子，那那么么，该该晶晶体体原原子子排排列列的的周周期期性性也也就
22、就充分清楚地反映出来了。充分清楚地反映出来了。因因为为布布拉拉伐伐格格点点的的排排列列情情况况与与实实际际原原子子相相同同，两两者者的周期性完全一致。的周期性完全一致。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1那那么么一一定定晶晶体体的的基基本本结结构构单元包括多少个原子呢？单元包括多少个原子呢？如如果果把把化化学学成成分分不不同同或或者者所所处处环环境境不不同同的的原原子子看看成成类类型型不不同同的的原原子子，显显然然存存在下面的关系：在下面的关系：Semiconductor PhysicsSemiconducto
23、r PhysicsChapter 1Chapter 1基本结构单元中的原子数基本结构单元中的原子数 =晶体中的原子类型数晶体中的原子类型数NaCl 晶晶体体是是由由两两种种化化学学成成分分不不同同的的原原子子组组成成的的，每每个个基基元元应应包包含含一一个个 Na+离离子子和和一一个个 C1-离离子子。表表明明上面的等式是成立的。上面的等式是成立的。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1单胞与原胞单胞与原胞 Unit Cell Primitive Cell描述晶体内部结构周期性描述晶体内部结构周期性的另一种方法是
24、把晶体划的另一种方法是把晶体划分成一些周期性的重复区分成一些周期性的重复区域域单胞单胞或或原胞原胞。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1单单胞胞是是以以格格点点为为顶顶点点，以以三三个个独独立立方方向向上上的的周周期期为为边边长长构构成成的的平平行行六六面面体体，它它是是晶晶体体中中的的一一个个小小体体积积，一个周期性重复的区域。一个周期性重复的区域。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1单单胞胞是是晶晶体体内内部部结结构构的的缩
25、缩影影。单单胞胞的的重重复复堆堆积积，可可以得到整个晶体。以得到整个晶体。原原胞胞也也是是单单胞胞，只只不不过过是是体积最小的单胞。体积最小的单胞。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1每每个个原原胞胞只只能能包包含含一一个个基基元元，即即一一个个布布拉拉伐伐格格点点，且且该该布布拉拉伐伐格格点点只只能能在在原原胞胞的的顶顶角角上上，体体心心和和面面心心不能有布拉伐格点。不能有布拉伐格点。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1由由于
26、于原原胞胞是是体体积积最最小小的的周周期期性性重重复复区区域域，所所以以用用它它们们来来描描述述晶晶体体内内部部结结构构的的周周期期性性，一一定定最最充充分分、最最细致。细致。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1很很多多情情况况下下，原原胞胞的的形形状状不不便便反反映映晶晶体体中中原原子子排排列列的的对对称称性性。为为既既能能描描述述原原子子排排列列的的周周期期性性，又又可可反反映映它它们们的的对对称称性性，习习惯惯上上都采用体积较大的单胞。都采用体积较大的单胞。Semiconductor PhysicsSem
27、iconductor PhysicsChapter 1Chapter 1NaCl 晶晶体体的的单单胞胞通通常常选选择择图示立方体图示立方体Na+Cl-abcSemiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1现现在在计计算算单单胞胞中中含含多多少少个个布拉伐格点。布拉伐格点。立立方方体体共共有有六六个个面面。每每个个面面心心格格点点被被两两个个立立方方体体平平分分，因因而而平平均均来来说说，它它面面心心格格点点对对一一个个立立方方体体的的贡贡献是献是 1 2。Semiconductor PhysicsSemiconductor
28、 PhysicsChapter 1Chapter 1立立方方体体八八个个顶顶角角上上有有八八个个格格点点，每每个个顶顶角角格格点点被被八八个个立立方方体体平平分分，所所以以顶顶角角格格点点对对每每个个立立方方体体的的贡贡献献是是1 1 8 8。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1由此可知，一个单胞中布由此可知，一个单胞中布拉伐格点的平均数为：拉伐格点的平均数为：Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1就就是是说说，面面心心立立方方体
29、体单单胞胞，包含四个布拉伐格点。包含四个布拉伐格点。相相应应地地，该该单单胞胞中中包包含含有有四四个个基基元元，即即四四个个 Na Na+离离子子，四四个个 C1C1 -离离子子。这这样样的的单单胞胞显显然然不不是是体体积积最最小小的单胞。的单胞。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1体体积积最最小小的的单单胞胞，即即原原胞胞，应应该该只只包包含含一一个个布布拉拉伐伐格格点点，其其中中有有一一个个NaNa+离离子子和和 C1 C1-离子。离子。abca1a2a3Semiconductor PhysicsSemic
30、onductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1原原胞胞中中，因因为为格格点点都都在在顶顶角角上上，所所以以每每个个原原胞胞中中平平均均只只包包含含个个格格点点。容容易易计计算算，面面心心立立方方格格子子的的原原胞胞体体积积为为立立方方单单胞胞体体积积的的 1 14 4，Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1 基矢基矢（Basic Sector）为便于数学上进行分析，为便于数
31、学上进行分析，晶体内部结构的周期性也晶体内部结构的周期性也可用一组可用一组基本平移矢量平移矢量(简称基矢量基矢量或基矢基矢)来描述。来描述。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1基矢量是沿单胞三个边长基矢量是沿单胞三个边长方向上，长度等于单胞边方向上，长度等于单胞边长的独立矢量。或者说是长的独立矢量。或者说是支撑起单胞的三个独立矢支撑起单胞的三个独立矢量，常用量，常用 a，b，c 表示。表示。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1a
32、bcSemiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1原基矢量是支挥起原胞的三个独立矢量，通原基矢量是支挥起原胞的三个独立矢量，通常表为常表为 a1 1，a2 2，a3 3 。a1a2a3Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1a1a2a3abcabca1a2a3a1a2a3Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1选选沿沿立立方方体体三三条条边边方方向向上上的的单单位
33、位矢矢量量 i、j、k ，以以晶晶格格常常数数 a a 表表示示边边长长，则则面面心心立立方方晶晶格格的的基基矢矢量量 a、b、c 可表示为可表示为Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1aaaac cbijkSemiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1面心立方格子的原基矢量面心立方格子的原基矢量a1、a2、a3,则则为为a=a a ib=a a jc=a a ka3 a1 a2 aaaSemiconductor PhysicsSemico
34、nductor PhysicsChapter 1Chapter 1利用原基矢量表示布拉伐利用原基矢量表示布拉伐格点的位置非常简便：格点的位置非常简便：任选一格点作坐标原点，任选一格点作坐标原点，以一组原基矢量为坐标轴以一组原基矢量为坐标轴构成参考坐标系。构成参考坐标系。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1由于每个布拉伐格点都处由于每个布拉伐格点都处在原胞的顶角上，因此，在原胞的顶角上，因此，所有布拉伐格点的径向矢所有布拉伐格点的径向矢量，即晶格矢量量，即晶格矢量 R R 都可表都可表为为 Semiconduct
35、or PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1a 1a 2RR=4a1+2a2+0a3Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1描描述述晶晶体体内内部部结结构构周周期期性性的的上上述述方方法法，彼彼此此是是相相关关的的，知知道道一一种种方方法法，便便可可以导出其它方法。以导出其它方法。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1应应指指出出的的是是，一一定定的的晶晶体体，其其内内部部结结构构
36、的的周周期期性性是是一一定定的的，即即布布拉拉伐伐格格子子是是一一定定的的，不不过过单单胞胞、原原胞胞、基基矢矢量量和和原原基基矢矢量量的的选选择择却并不是唯一的。却并不是唯一的。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1引入上述这些概念后，晶引入上述这些概念后，晶体内部结构的周期性，可体内部结构的周期性，可以这样来描述：以这样来描述：各个原胞中的点，原子排各个原胞中的点，原子排列情况是相同的。列情况是相同的。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Cha
37、pter 1任意两个原胞中相应点的任意两个原胞中相应点的径向矢量，仅差一个晶格径向矢量，仅差一个晶格矢量矢量 R R 。所以，晶体中任。所以，晶体中任意一点意一点 r r 和另一点和另一点 r r1 1 若若式式中中 mm1 1、mm2 2、mm3 3 为为任任意意整数。整数。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1则则这这两两点点上上晶晶体体原原子子的的分分布布情情况况完完全全相相同同，晶晶体体的的微观物理性质也完全一样。微观物理性质也完全一样。Semiconductor PhysicsSemiconductor
38、 PhysicsChapter 1Chapter 1再强调一次，布拉伐格子再强调一次，布拉伐格子不是晶体。不是晶体。布拉伐格子只是用一个点布拉伐格子只是用一个点表示的晶体中周期性重复表示的晶体中周期性重复单元。单元。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1三维空间中布拉伐格子的三维空间中布拉伐格子的分布方式只有分布方式只有 1414 种类型。种类型。也就是说，三维晶体的布也就是说，三维晶体的布拉伐格子类型只有拉伐格子类型只有 1414 种。种。Semiconductor PhysicsSemiconductor P
39、hysicsChapter 1Chapter 114 14 种不同类型的布拉伐格子种不同类型的布拉伐格子(1)简单三斜 (2)简单单斜 (3)底心单斜 (4)简单正交 (5)底心正交(6)体心正交 (7)面心正交 (8)简单正方 (9)体心正方（10）简单立方(11)体心立方 (12)面心立方（13）三角（14）六角Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1表中，按单胞形式将表中，按单胞形式将141
40、4 种种布拉伐格子分成七大晶系布拉伐格子分成七大晶系所谓单胞形式指的是晶系所谓单胞形式指的是晶系的划分均以支撑起单胞的的划分均以支撑起单胞的三个基矢量三个基矢量 a，b，c 的相的相对长度和它们之间的夹角对长度和它们之间的夹角作标志。作标志。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1因习惯选取的单胞形式直因习惯选取的单胞形式直接反映了布拉伐格子点群接反映了布拉伐格子点群的对称性，故晶系划分的的对称性，故晶系划分的依据依据 ，实际上是布拉伐格，实际上是布拉伐格子的点群对称性。对称性子的点群对称性。对称性相同，属于同一晶
41、系；不相同，属于同一晶系；不相同则属于不同晶系。相同则属于不同晶系。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1三斜晶系三斜晶系布拉伐格子：简单三斜布拉伐格子：简单三斜单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征abcabc；Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1单斜晶系单斜晶系单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征abcabc；=90=90简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜Semiconductor PhysicsSemiconductor Physics
42、Chapter 1Chapter 1正交晶系正交晶系单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征abcabc；=90=90Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1正方晶系正方晶系四角四角单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征a=b ca=b c；=90=90Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1立方晶系立方晶系单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征a=b=ca=b=c；=90=90Semiconductor PhysicsSemiconductor Phys
43、icsChapter 1Chapter 1三角晶系三角晶系单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征a=b=ca=b=c；=120 90=120 90Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1六角晶系六角晶系单胞基矢量的特征单胞基矢量的特征a=b ca=b c；=90=120=90=120Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1金刚石结构金刚石结构金刚石金刚石结构是结构是碳原子碳原子组成的组成的一种晶一种晶体结构体结构Semiconductor P
44、hysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1把金刚石晶体划分成正立把金刚石晶体划分成正立方体形式的单胞，则除了方体形式的单胞，则除了在立方体顶角和面心上有在立方体顶角和面心上有碳原子外，在碳原子外，在 4 4 个体对角个体对角线约线约 1/41/4 处也有碳原子存处也有碳原子存在。在。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor
45、PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1立方体底面上原子排列的投影图立方体底面上原子排列的投影图Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1凡原子排列情况和金刚石凡原子排列情况和金刚石相同的晶体属于金刚石结相同的晶体属于金刚石结构。构。元素半导体硅和锗都是金元素半导体硅和锗都是金刚石结构。刚石结构。Semiconductor PhysicsSemic
46、onductor PhysicsChapter 1Chapter 1结结构构上上，金金刚刚石石结结构构由由两两套套面面心心立立方方格格子子组组成成，一一套套格格子子的的原原子子是是另另一一套套格格子子上上原原子子的的近近邻邻，两两套套格格子子上上原原子子与与近近邻邻原原子子形形成成共价键，只是方位不相同。共价键，只是方位不相同。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor P
47、hysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1金刚石结构中，金刚石结构中，每个原子有四每个原子有四个分布在以该个分布在以该原子为中心的原子为中心的正四面体四个正四面体四个顶角上的近邻顶角上的近邻原子。原子。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1碳、硅和锗都是第碳、硅和锗都是第 IV 族元族元素，每个原子有四个价电素，每个原子有四个价电子，近邻原子的价电
48、子形子，近邻原子的价电子形成共价键，每个共价键包成共价键，每个共价键包含两个自旋相反结成一对含两个自旋相反结成一对的电子。正是这些共价键的电子。正是这些共价键把原子联系起来构成整个把原子联系起来构成整个晶体。晶体。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1几种金刚石结构晶体的晶格常数几种金刚石结构晶体的晶格常数晶体晶体金刚石金刚石硅硅锗锗灰锡灰锡晶格常数晶格常数3.563.565.435.435.655.656.466.46Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapt
49、er 1Chapter 1晶体中，规则、周期地在晶体中，规则、周期地在空间重复排列起来的原子空间重复排列起来的原子将组成一系列直线以及平将组成一系列直线以及平面。面。晶列与晶面晶列与晶面Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1晶体中原子排列成的平面晶体中原子排列成的平面称称晶面晶面。晶体中，原子排列成的直晶体中，原子排列成的直线称线称晶列晶列Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1111面面100面面110面面立方体晶格的三个常见晶面S
50、emiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1密勒指数密勒指数（Miller Indices）通过液相还是汽相生长晶通过液相还是汽相生长晶体时，生成的原子相对于体时，生成的原子相对于可选的有效位置，呈现在可选的有效位置，呈现在某种优先位置上定位的趋某种优先位置上定位的趋向，便形成了宏观上的晶向，便形成了宏观上的晶面。面。Semiconductor PhysicsSemiconductor PhysicsChapter 1Chapter 1英国的矿物学家英国的矿物学家 William H.Miller 开发了一套今天仍被普遍