- •Физика полупроводников
- •Глава 1. Физические модели полупроводников 22
- •Введение
- •В.1. Основные этапы развития физики полупроводников.
- •1) Дискретная электроника на электровакуумных приборах.
- •«Закон Мура» скоро умрет?
- •В.3. Классификация веществ по удельной электрической проводимости. Основные представления о свойствах полупроводников.
- •Глава 1. Физические модели полупроводников
- •1.1. Модельные представления о структуре твердых тел
- •1.1.1. Агрегатные состояния вещества (конспективно)
- •1) Газообразное вещество
- •2) Жидкое состояние
- •3) Твердые тела (вещества)
- •4) Особые состояния вещества:
- •1.1.2. Типы связей в кристаллах (конспективно)
- •1. Ионная связь ( рис. 1.1) :
- •2. Металлическая связь.
- •3. Связь Ван-дер-Вальса
- •4. Ковалентная связь.
- •1.1.3. Кристаллические решетки. Операции симметрии.
- •1.1.4. Положение и ориентация плоскостей и направлений в кристалле
- •1.1.5. Обратная решетка
- •1.1.6. Примеры кристаллических структур материалов электроники
- •1.1.7. Тепловые колебания атомов решетки
- •1.1.8. Дефекты кристаллического строения
- •Линейные дефекты (дислокации, стержнеобразные дефекты и др.);
- •Поликристаллические и аморфные материалы
- •1.1.9. Жидкие кристаллы
- •1.1.10. Фазовые диаграммы и твердые растворы
- •1.1.11. Выращивание кристаллов кремния
- •Получение металлургического кремния.
- •Получение трихлорсилана
- •Осаждение из парогазовой смеси поликрист. Кремния.
- •1.2. Модели электропроводности полупроводников
- •1.2.1. Электропроводность собственного полупроводника в рамках модели ковалентной связи
- •1.2.2. Электропроводность примесных полупроводников в рамках модели ковалентной связи
- •1.2.3. Элементарная теория электропроводности полупроводников
1.1.3. Кристаллические решетки. Операции симметрии.
В зависимости от структурных особенностей твердых тел различают:
аморфные вещества, не имеющие какой-либо определенной структуры;
поликристаллические вещества, состоящие из отдельных зерен или малых областей. Каждое зерно имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация зерен в соседних областях совершенно произвольны;
монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.
Кристаллическая решётка – это пространственная сетка, в узлах которой расположены частицы (атомы, молекулы) вещества.
Наименьший многогранник, который можно выделить в кристаллической решетке и при перемещении которого по трем взаимно перпендикулярным направлениям можно получить эту решетку называют элементарной ячейкой.
В полупроводниках элементарная ячейка состоит всего лишь из нескольких атомов. Пространственно она очень мала и может быть размещена внутри куба со стороной около 0,5 нм. Следует отличать элементарную ячейку и примитивную ячейку (последняя, по определению, является областью минимального объема кристалла и содержит один узел решетки).
Кристаллическая решётка может быть охарактеризована (описана) набором величин, которые называются постоянными (параметрами) решётки:
a, b, c – длины рёбер элементарной ячейки;
- углы между рёбрами.
Направления, определяемые ребрами элементарной ячейки, называются кристаллографическими осями. В общем случае элементарную ячейку представляющую собой косоугольный параллелепипед, можно задать с помощью трех векторов, которые не обязательно ортогональны друг к другу и не обязательно имеют одинаковую длину.
Операцию перемещения элементарной ячейки как целого параллельно самой себе, описываемую вектором R равным
R = n1 a +n2 b + n3 c, (1.1)
где n1, n2, n3 - произвольные целые числа, будем называть трансляцией. Вектор трансляции R кристаллической решетки связывает любые две точки решетки, называемые узлами. Вектора a, b, c - определяющие элементарную решетку называют примитивными векторами трансляции. Любую точку кристаллической решётки (узел) можно определить вектором трансляции (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Пример определения вектора трансляции r32 плоской кристаллической решетки с примитивными векторами трансляции a1 и a2.
Кристаллическое строение приводит к симметрии внешних форм кристалла, а следовательно – симметрии внутренних свойств материала.
Симметрия может быть описана следующими операциями:
Центр симметрии (центр инверсии): точка, пересечение линий, соединяющих части фигуры, противоположные, равные и параллельные, но противоположно направленные!
Ось симметрии n-ого порядка – ось, при повороте вокруг которой на угол 360/n кристалл полностью совместиться.
Плоскость симметрии – делит кристалл на 2 части, являющимися зеркальным отражением.
Сингония – совокупность элементов симметрии одной категории с одинаковым числом осей одного порядка. Все кристаллы, существующие в природе, можно отнести только к 7 сингониям и 14 решёткам Браве (таблица 1.1).
Наиболее высокой симметрией обладают решетки КУБИЧЕСКОЙ сингонии. Чем выше симметрия – тем более изотропен материал.
Таблица1.1. Семь сингоний и четырнадцать решеток Браве в кристаллографии
Сингония |
Длина осей и углы |
Решетка Браве |
Кубическая (рис.1.3) |
a = b = c, = = = 90O |
Простая-(a) Объемно-центрированная-(b) Гране-центрированная-(c) |
Тетрагональная |
a = b c, = = = 90О |
Простая Объемно-центрированная |
Орторомбическая |
a b c, = = = 90О |
Простая Объемно-центрированная Гране-центрированная Базо-центрированная |
Ромбоэдрическая (тригональная) |
a = b = c, = = 90О |
Простая |
Гексагональная |
a = b c, = = 90О, = 120О |
Простая |
Моноклинная |
a b c, = = 90О |
Простая Базо-центрированная |
Триклинная |
a b c, 90О |
Простая |
|
Рис. 1.3. Изображение кристаллических решеток Браве решеток кубической сингонии: (а) – простая кубическая; (b) – объемно-центрированная кубическая (ОЦК); (с) – гране-центрированная кубическая (ГЦК). |
Среди всевозможных видов решеток можно выделить кубическую решетку, имеющую несколько разновидностей.
Простая кубическая решетка. В каждой вершине такой решетки располагается один атом, принадлежащий одновременно восьми соседним элементарным ячейкам (рис 1.3, а). В такой форме кристаллизуется лишь полоний (Ро).
Кубическая объемно-центрированная (ОЦК) решетка. Здесь, помимо атомов в вершинах кубов имеется еще один атом в центре (рис. 1.3, б). К данному типу относятся кристаллические решетки молибдена и вольфрама.
Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК). Имеет шесть атомов в центрах граней и, кроме того, восемь атомов в вершинах куба (рис. 1.3, в). В такой форме кристаллизуется алюминий и ряд других химических элементов.
Решетку типа алмаза можно представить как две вложенные друг в друга ГЦК решетки, смещенные на расстояние четверти диагонали куба (рис. 1.4 а). В данной форме кристаллизуются углерод (алмаз), Si, Ge и (серое олово).
Решетка типа сфалерита (или цинковой обманки- ZnS) получается из решетки типа алмаза в том случае, когда атомы одного сорта (например, Ga) совпадают-с узлами одной гранецентрированной решетки, а атомы другого сорта (например, Аs) —с узлами другой (на рис. 1.4, b атомы Gа обозначены светлыми (желтыми) кружками, а атомы Аs—темными (красными)).
(a) |
(b) |
Рис. 1.4. Изображение кристаллических решеток типа алмаза (а) или типа сфалерита (b). На рисунках большой куб – элементарная ячейка, маленький – примитивная. |
Не все атомы элементарной ячейки принадлежат только ей. Например, в объемноцентрированной решетке атомы, находящиеся в вершинах, принадлежат и соседним элементарным ячейкам, то есть на долю каждой элементарной ячейки приходится 1/8. Каждой элементарной ячейке, таким образом принадлежит всего два атома: 1+(1/8)*8. В гранецентрированной решетке элементарной ячейке принадлежат четыре атома: (1/8)*8 + (6*1/2).
В зависимости от типа решетки различно не только число частиц в элементарной ячейке, но и расстояние между ними, а, значит и плотность упаковки частиц. Число ближайших к рассматриваемому атому соседних атомов называют координационным числом. Чем оно больше, тем плотнее упакованы частицы в кристалле.
Элементарную ячейку можно задавать множеством способов. Один из наиболее распространенных – построение ячейки Вигнера –Зейтца. Для этого необходимо:
провести линию, соединяющую данную точку со всеми соседними точками;
через середины этих линий перпендикулярно к ним провести новые линии или плоскости.
Полученная таким образом ячейка наименьшего объема есть примитивная решетка Вигнера-Зейтца.
Классические полупроводники – германий и кремний- имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Координационное число здесь равно 4.
Полиморфизм: явление, когда вещество одного и того же химического состава существует в различных кристаллических модификациях (аллотропных состояниях). Примеры: 1) Углерод (графит, алмаз, фуллерен и т. д.); 2) Олово ( C и ниже – куб. ,серое).