半导体物理实验 01 - | 晶体结构构建仿真与分析

Posted 2021-08-07 Neutionwei

一、实验目的和任务

1. 熟悉典型半导体晶体结构，掌握Material Studio软件构建晶体结构；
2. 理解晶体电子结构，使用Material Studio进行晶体电子结构仿真与分析。

二、实验原理

晶体的主要特点是原子的排列是长程有序的，或者说原子的排列具有周期性。因此整个晶体可以看做是由构成晶体的基本的结构单元（单个原子、多个原子、离子、分子或者某些基团等）沿三个不同的方向周期性地重复堆积的结果。这些“构成晶体的基本结构单元”简称为基元。空间点阵学说认为晶体的内部结构可以概括为一些相同的阵点在空间有规则地做周期性的无限分布。阵点就是基元的代表点。每个基元的代表点，必须选择在基元中的同类原子上，也可以选择在基元的重心上。

三、实验设备

硬件设备：电脑，软件：Material Studio 7.0。

基于密度泛函平面波赝势方法的Material Studio 的CASTEP包可以对许多体系包括象半导体、陶瓷、金属、矿石、沸石等进行第一原理量子力学计算。典型的功能包括研究表面化学、带结构、态密度、和光学性质。它也能够研究体系电荷密度的空间分布和体系波函数。CASTEP 还可以用来计算晶体的弹性模量和相关的机械性能，如泊松系数等。CASTEP中的过度态搜索工具提供了研究气相或者材料表面化学反应的技术。

四、实验结论

    通过这次试验，接触到了Material Studio这款仿真软件，跟着课件指示进行构建晶体结构、构建超胞、构造晶面、构建化合物晶体，以GaAs为例、优化晶体、计算电子性质等操作。由于第一次使用操作Material Studio，刚开始实验时对一些功能、操作不熟悉了解，创建文件程序过多过杂，导致结果有点不清晰和程序有点卡，经过详细阅读课件和多次重复操作、慢慢熟悉了软件的使用。理论课本的半导体结构，需要良好的空间想象能力去消化，不是那么好理解，通过观察实验构建的典型半导体晶体硅、锗和砷化镓晶胞图，（100）、（110）和（111）晶面，更深刻的理解了半导体晶体结构和各晶面的原子密度。