[理学]固体电子导论第四章

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1、第四章晶体中的缺陷实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。缺陷：把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。4.1晶体缺陷的主要类型晶体缺陷按范围和尺寸分类：1、点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，原子尺寸大小的晶体缺陷。2、线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。3、面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。一、点缺陷：填隙原子1、点缺陷的类型：1）空位在

2、晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。2）填隙原子在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。空位3）杂质原子不同种类的原子替换原有的原子占据其应有的位置，或进入间隙位置。在实际晶体内部，点缺陷附近，原子排列会出现畸变，其他地方则仍然规则排列杂质原子填隙原子杂质原子2、点缺陷的形成：1）热缺陷——依靠原子的热涨落形成晶体内部的空位和同类填隙原子，也叫做本征缺陷。a.夫伦克耳缺陷：由于热涨落，一个原子从正常格点跳到间隙位置，同时产生一个空位和一个填隙原子.弗伦克尔缺陷的特点是空位和填隙原子同时出现，晶体体积不发

3、生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。空位＋填隙原子b.肖脱基缺陷：晶格内部原子能量集聚，迁移到表面位置，而在原来格点处留下空位。空位+表面原子肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。温度越高，晶体体内的热缺陷数目越多。2）杂质缺陷由外加杂质的引入所产生的缺陷，亦称为组成缺陷。杂质缺陷的浓度与温度无关。为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。例如：个硅原子电导率增加倍硅半导体中：红宝石激光器中：刚玉晶体形成发光中心3、点缺陷对材料性能的一般影响原因：无论那种点缺陷的存在，

4、都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。效果改变材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了电阻；离子晶体中，空位可以帮助离子扩散，增加电导率加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站。形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。改变材料的光学性能会使材料的颜色改变。二、线缺陷位错1、位错的类型1）刃型位错：有刃型位错的晶体当晶体中存在刃型位错，就象刀劈柴一样，将半个晶面插入晶体的上半部分，“刀刃”所在位置即为“刃型位错”，简称刃位错。刃型位错的形成，是在

5、外力作用下，晶体的上半部分相对于下班部分向左平移一个原子间距，使晶体内有一个原子平面在晶体内部中断，其中断处的边沿即刃型位错有螺型位错的晶体2）螺型位错：螺位错的形成，是在外力作用下，将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，而在分界线的区域形成一螺旋面，分界线即螺型位错当晶体中存在螺型位错，原来的一个晶面形成类似螺旋阶梯的螺旋面，旋转轴所在的位置即为“螺型位错”，简称螺位错。位错在晶体表面的露头抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边型且排列有一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。薄膜透射电镜观察

6、将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。2、位错的观察：位错客观的存在于晶体中。离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体；离位错线较近处，原子排列有较大错乱3、位错的特征：线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。三、面缺陷1、表面在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏，表面上的原子排列不同于晶体内部，因此是一种面缺陷。表面处的原子的排列一般具有二维的周期性。单晶体多晶体2、晶界内部的晶体位向完全一致包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，

7、彼此的位向却不相同。晶界附近的原子排列较混乱，是一种面缺陷3、堆积层错抽出型层错插入型层错4.2空位、填隙原子的运动和统计计算一、空位、填隙原子的运动空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关.以填隙原子为例说明势垒势垒约为几个原子热振动能量:填隙原子的跳跃靠偶然性的热涨落实现跳跃率:能量超过的几率：原子的跳跃频率：二、空位、填隙原子的统计计算尽管空位和填隙原子在不断的产生和复合，但在一定的宏观条件下，达到统计平衡时，点缺陷的数目是一定的.平衡时空位的统计计算设晶体中有N个原子，系统平衡状态下若存在个空位,形成一个空位的能量为晶体

8、内部的一个原子运动到表面，形成一个空位所需的能量系统平衡的自由能判据——在保持系统的温度和体积不变的条件下，对于各种可能的变动，平衡态的自由能为最小。系统内能增加：系统熵增加系统自由能改变平衡条件只有与有关系统自由能空位