第12章 晶体结构20110919修

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1、第12章晶体结构固体物理和半导体物理固体物理12.1晶体结构的周期性V晶体结构12.2常见的晶体结构V晶格振动12.3密堆积配位数12.4晶系布拉菲晶胞V晶体中的电子状态12.5晶体的对称性半导体物理12.6晶向指数与晶面指数V平衡状态下的半导体12.7倒格子与布里渊区V半导体导电性V非平衡状态下的半导体V半导体器件基础第12章晶体结构第12章晶体结构固体的分类：晶体、非晶体、准晶体非晶体——原子的排列没有明确的周期性(短程有序)晶体——原子按一定的周期排列规则的固体(长程有序)玻璃、橡胶、塑料BeO晶体和BeO玻璃天然的岩盐、水晶、半导体锗、硅单晶……2

2、323铁铜铝等金属……规则外形由一个核心⎧单晶体生长而成⎨固定熔点⎧⎩长程有序⎨各向异性⎩多晶体有许多不同位相的小晶粒组成电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军第12章晶体结构12.1晶体结构的周期性准晶体——介于晶体与非晶体之间，具有完全有序的1.格点与基元结构，但是又不具备晶体的平移特性；（可以有一些晶体中无法出现的宏观对称性）aaa基元Al65Co25Cu10合金格点ba……格点：将晶体中的单个原子中心或者原子集团中心抽象成周期性排列的几何点；基元：格点所代表的物理实体（原子或者原子集团）；点阵：格点的总体叫做空间点阵；晶格：格

3、点+基元晶体结构电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军112.1晶体结构的周期性12.1晶体结构的周期性1.格点与基元2.简单格子与复式格子a简单格子aa⎫⎬复式格子ba⎭简单格子：基元仅包含一个原子的晶格，Bravaislattices复式格子：基元包含两个或者两个以上原子的晶格可以是同类也可是异类格点应该能够体现周期性——平移特性a、每一种等价的原子形成一个简单格子；b、不同等价的原子形成的简单格子是相同的；每个格点的周围环境应该都相同，所代表的物理化学性质也相同c、复式格子就是由各等价原子组成的简单格子套构而成；Bavais证明

4、，空间点阵只有14种类型，不同的基元构成了成千上万中晶体电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军12.1晶体结构的周期性12.1晶体结构的周期性3.原胞与晶胞3.原胞与晶胞vvv平移矢量：晶格具有三维周期性，以一格点为原点，按平平移矢量a、a、a123移的方向和长度取三个矢量，就叫平移矢量vvva、a、a原胞基矢123a20a1方向各不相同也不相反原胞：由平移矢量所构成的平行六面体，叫做固体物理学原胞构成三维原胞选取不唯一，但是不同的选取得到的体积相同；所围成的体积原胞是体积最小的周期性重复单元；最小a20a1一个原胞只包含一个格点；电

5、子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军12.1晶体结构的周期性12.1晶体结构的周期性3.原胞与晶胞3.原胞与晶胞同时考虑晶格周期性和对称单胞（结晶晶胞性的重复单元，称为晶胞学原胞）vvv格点的位晶胞基矢a、b、c格矢置矢量晶胞的基矢一般选择在一些重要的对称轴上rRrrrrrR（r）=(la+la+la)晶轴：被选为晶胞基矢的对称轴a11223320a称为晶轴1vvvR=5a+4a晶格常数：晶轴上布拉菲格子的r12相邻格点的距离，a、b、c物理性质的平移crrrrr轴矢间夹角：αβγβαQ（r）=Q(r+na+na+na)γb11223

6、3a二维三角晶格电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军212.1晶体结构的周期性12.1晶体结构的周期性3.原胞与晶胞3.原胞与晶胞晶胞与原胞的区别晶胞与原胞的体积计算a、原胞只反映晶格的周期性而不反映其对称性，而晶胞vvv二者都要涵盖；原胞：Ω=a⋅(a×a)123vvvb、原胞的顶点必须是晶格中的一个格点，而晶胞的顶点Ω=a⋅(b×c)晶胞：不一定；c、每个原胞所包含的原子个数与基元所包含的原子个数二者体积之比，就是二者所包含的格点个数之比相同，而晶胞不一定，可能是其若干倍；原胞只包含一个格点，而晶胞可以包含多个d、原胞为重复单元

7、中体积最小的单元，而晶胞一般是其若干倍；具体的体积相差倍数与原胞和晶胞中原子个数相差的倍数相同；电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军12.1晶体结构的周期性12.2常见的晶体结构3.原胞与晶胞本小节要设计几个立方晶系，先将立方晶系的共性做一介绍既满足体积最小的重复单Wigner-Seitz原胞对称原胞元，又满足宏观对称性是以晶胞外形及棱边长度之间的关系以及晶系晶轴夹角的情况加以归类的一种分类方式七大晶系，14种布拉菲格子a=b=cα=β=γ=900外形立方晶系“立方”晶格常数晶轴夹角SCBCCFCC电子科技大学光电信息学院陈德军电子

8、科技大学光电信息学院陈德军12.2常见的晶体结构12.2常见的晶体