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
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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
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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。
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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。
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。
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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
26
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
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
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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