理學(xué)固體電子導(dǎo)論第四章

第四章晶體中的缺陷實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。缺陷：把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差異稱為晶體缺陷。理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。1精選ppt4.1晶體缺陷的主要類型晶體缺陷按范圍和尺寸分類：1、點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，原子尺寸大小的晶體缺陷。2、線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)。3、面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)

的晶體缺陷。2精選ppt一、點(diǎn)缺陷：

填隙原子1、點(diǎn)缺陷的類型：1〕空位在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位〞。2〕填隙原子在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子?？瘴?精選ppt3〕雜質(zhì)原子不同種類的原子替換原有的原子占據(jù)其應(yīng)有的位置，或進(jìn)入間隙位置。在實(shí)際晶體內(nèi)部，點(diǎn)缺陷附近，原子排列會出現(xiàn)畸變，其他地方那么仍然規(guī)那么排列雜質(zhì)原子填隙原子雜質(zhì)原子4精選ppt2、點(diǎn)缺陷的形成：1〕熱缺陷——依靠原子的熱漲落形成晶體內(nèi)部的空位和同類填隙原子，也叫做本征缺陷。a.夫倫克耳缺陷：由于熱漲落，一個(gè)原子從正常格點(diǎn)跳到間隙位置，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空位和一個(gè)填隙原子.弗倫克爾缺陷的特點(diǎn)是空位和填隙原子同時(shí)出現(xiàn)，晶體體積不發(fā)生變化，晶體不會因?yàn)槌霈F(xiàn)空位而產(chǎn)生密度變化?？瘴唬钕对?精選pptb.肖脫基缺陷：晶格內(nèi)部原子能量集聚，遷移到表面位置，而在原來格點(diǎn)處留下空位?？瘴?外表原子肖特基缺陷的特點(diǎn)是晶體外表增加了新的原子層，晶體內(nèi)部只有空位缺陷，且晶體體積膨脹，密度下降。溫度越高，晶體體內(nèi)的熱缺陷數(shù)目越多。6精選ppt2）雜質(zhì)缺陷由外加雜質(zhì)的引入所產(chǎn)生的缺陷，亦稱為組成缺陷。雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)。為了有目的地改善器件性能，人為地引入雜質(zhì)原子。例如：個(gè)硅原子電導(dǎo)率增加倍硅半導(dǎo)體中：紅寶石激光器中：剛玉晶體形成發(fā)光中心7精選ppt3、點(diǎn)缺陷對材料性能的一般影響原因：無論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。

效果改變材料的電阻定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力(陷阱)，增加了電阻；離子晶體中，空位可以幫助離子擴(kuò)散，增加電導(dǎo)率加快原子的擴(kuò)散遷移空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。形成其他晶體缺陷過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。改變材料的光學(xué)性能會使材料的顏色改變。8精選ppt二、線缺陷位錯(cuò)1、位錯(cuò)的類型1〕刃型位錯(cuò)：有刃型位錯(cuò)的晶體當(dāng)晶體中存在刃型位錯(cuò)，就象刀劈柴一樣，將半個(gè)晶面插入晶體的上半局部，“刀刃〞所在位置即為“刃型位錯(cuò)〞，簡稱刃位錯(cuò)。9精選ppt刃型位錯(cuò)的形成，是在外力作用下，晶體的上半局部相對于下班局部向左平移一個(gè)原子間距，使晶體內(nèi)有一個(gè)原子平面在晶體內(nèi)部中斷，其中斷處的邊沿即刃型位錯(cuò)10精選ppt有螺型位錯(cuò)的晶體2〕螺型位錯(cuò)：螺位錯(cuò)的形成，是在外力作用下，將晶體的上半局部向后移動(dòng)一個(gè)原子間距，而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，分界線即螺型位錯(cuò)當(dāng)晶體中存在螺型位錯(cuò)，原來的一個(gè)晶面形成類似螺旋階梯的螺旋面，旋轉(zhuǎn)軸所在的位置即為“螺型位錯(cuò)〞，簡稱螺位錯(cuò)。11精選ppt位錯(cuò)在晶體外表的露頭拋光后的試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)那么的多邊型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。薄膜透射電鏡觀察將試樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原子層(500nm以下)，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見到位錯(cuò)線。2、位錯(cuò)的觀察：位錯(cuò)客觀的存在于晶體中。12精選ppt離位錯(cuò)線較遠(yuǎn)處，原子排列接近于完整晶體；離位錯(cuò)線較近處，原子排列有較大錯(cuò)亂3、位錯(cuò)的特征：線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。13精選ppt三、面缺陷1、外表在晶體外表，垂直于外表方向上平移對稱性被破壞，外表上的原子排列不同于晶體內(nèi)部，因此是一種面缺陷。外表處的原子的排列一般具有二維的周期性。14精選ppt單晶體多晶體2、晶界內(nèi)部的晶體位向完全一致包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。晶界附近的原子排列較混亂，是一種面缺陷15精選ppt3、堆積層錯(cuò)抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)16精選ppt4.2空位、填隙原子的運(yùn)動(dòng)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算一、空位、填隙原子的運(yùn)動(dòng)空位和填隙原子的跳躍依靠熱漲落，與溫度緊密相關(guān).以填隙原子為例說明勢壘勢壘約為幾個(gè)原子熱振動(dòng)能量:填隙原子的跳躍靠偶然性的熱漲落實(shí)現(xiàn)跳躍率:能量超過的幾率：原子的跳躍頻率：17精選ppt二、空位、填隙原子的統(tǒng)計(jì)計(jì)算盡管空位和填隙原子在不斷的產(chǎn)生和復(fù)合，但在一定的宏觀條件下，到達(dá)統(tǒng)計(jì)平衡時(shí)，點(diǎn)缺陷的數(shù)目是一定的.平衡時(shí)空位的統(tǒng)計(jì)計(jì)算設(shè)晶體中有N個(gè)原子，系統(tǒng)平衡狀態(tài)下若存在個(gè)空位,形成一個(gè)空位的能量為晶體內(nèi)部的一個(gè)原子運(yùn)動(dòng)到表面，形成一個(gè)空位所需的能量系統(tǒng)平衡的自由能判據(jù)——在保持系統(tǒng)的溫度和體積不變的條件下，對于各種可能的變動(dòng)，平衡態(tài)的自由能為最小。18精選ppt系統(tǒng)內(nèi)能增加：系統(tǒng)熵增加系統(tǒng)自由能改變平衡條件只有與有關(guān)系統(tǒng)自由能空位的平衡濃度：填隙原子的平衡濃度：夫倫克爾缺陷的平衡濃度：形成一個(gè)填隙原子所需能量玻爾茲曼關(guān)系〔了解〕19精選ppt補(bǔ)充：晶體中的擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象對于固體在生產(chǎn)技術(shù)中的應(yīng)用有很廣泛的影響。擴(kuò)散是制造半導(dǎo)體器件的一種重要技術(shù)，對擴(kuò)散現(xiàn)象的研究增進(jìn)了對固體的原子結(jié)構(gòu)和固體中原子的微觀運(yùn)動(dòng)的深入了解。晶體中的擴(kuò)散是通過點(diǎn)缺陷的熱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。勢壘跳躍率:20精選ppt由于密度不均勻所產(chǎn)生的擴(kuò)散現(xiàn)象：將擴(kuò)散物質(zhì)涂抹或沉積在經(jīng)過磨光的固體表面，高溫?cái)U(kuò)散在擴(kuò)散物質(zhì)濃度不大的情況下，單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的擴(kuò)散無的量〔簡稱擴(kuò)散流〕，決定于濃度n的梯度。擴(kuò)散流=-D▽nD——擴(kuò)散系數(shù)。——費(fèi)克第一定律——費(fèi)克第二定律〔了解〕21精選ppt擴(kuò)散現(xiàn)象密切依賴于溫度，一般只有在幾百度的高溫時(shí)才有顯著的擴(kuò)散，溫度越高，擴(kuò)散越強(qiáng)?！l率因子——激活能擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間存在下列規(guī)律：22精選ppt擴(kuò)散物質(zhì)在晶體中的分布通?？杀硎緸椋簄t擴(kuò)散分布23精選ppt4.3位錯(cuò)及其滑移一、滑移滑移面滑移線滑移面:由某一平面分割的材料兩邊有相對移動(dòng)，出現(xiàn)的面?；葡?滑移的方向。一般為原子密度較大的晶面。如面心立方的〔111〕面一般為滑移面上原子線密度最高的方向.如面心立方的<110>向24精選ppt如果晶體的滑移是整體的發(fā)生的,那么使滑移發(fā)生的臨界應(yīng)力大約為,這一數(shù)值比實(shí)驗(yàn)值高出個(gè)數(shù)量級即原因：存在于晶體內(nèi)部的位錯(cuò)極大地降低了產(chǎn)生滑移所需的臨界應(yīng)力.一局部原子先運(yùn)動(dòng)〔形成位錯(cuò)〕位錯(cuò)滑移其它原子相繼運(yùn)動(dòng)晶體沿滑移面的整體滑移25精選ppt二、刃位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)線附近原子結(jié)構(gòu)已有明顯畸變，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，施加較小的切變力，畸變后的原子將在滑移面上平行于切變力方向移動(dòng)；當(dāng)位錯(cuò)線移出，在晶體表面形成一個(gè)原子臺階。26精選ppt類比1：地毯鼓包的移動(dòng)使地毯一邊隆起一個(gè)鼓包，鼓包從一邊移動(dòng)到另一邊比地毯整塊移動(dòng)所花的力氣要小得多位錯(cuò)就類似一個(gè)“原子地毯〞的鼓包，幫助原子滑移27精選ppt三、螺位錯(cuò)的滑移類比撕紙位錯(cuò)線附近原子結(jié)構(gòu)已有明顯畸變，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，施加較小的切變力，畸變后的原子將在滑移面上平行于切變力方向移動(dòng)；當(dāng)位錯(cuò)線移出，在晶體表面形成一個(gè)原子臺階。28精選ppt四、刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)滑移的異同相同點(diǎn)：位錯(cuò)線周圍晶格結(jié)構(gòu)均發(fā)生局域畸變，只需較小的切變力即可使位錯(cuò)滑移；切變力的方向與滑移方向平行。不同點(diǎn)：刃位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移方向垂直；螺位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移方向平行.返回29精選ppt第一章小結(jié)：1〕晶體結(jié)構(gòu)的周期性：幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)：簡立方、體心立方、面心立方〔晶胞、原胞、基矢、致密度、配位數(shù)〕金剛石型、六角密排〔基的組成和布拉菲格子、致密度、配位數(shù)〕氯化鈉型、氯化銫型〔基的組成和布拉菲格子〕30精選ppt2〕晶體結(jié)構(gòu)的方向性晶面的概念晶面指數(shù)的定義方法3〕晶體結(jié)構(gòu)的宏觀對稱性幾種對稱操作：旋轉(zhuǎn)軸、中心反演、晶面對稱等7大晶系、14種布拉菲格子31精選ppt4〕倒格子倒格子的意義倒格子基矢的定義，幾種典型晶格的倒格子倒格子與正格子的幾個(gè)關(guān)系。32精選ppt第二章小結(jié)：原子間的相互作用力、相互作用能與原子間距關(guān)系曲線晶體的結(jié)合能與單個(gè)原子結(jié)合能的關(guān)系1〕晶體結(jié)合的普遍性質(zhì)原子間的平衡距離33精選ppt2〕原子結(jié)合的不同類型離子性結(jié)合、共價(jià)型結(jié)合、金屬性結(jié)合、范德瓦爾斯結(jié)合〔粒子的價(jià)電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、吸引能的來源、排斥能的來源、晶體的特點(diǎn)〕氫鍵〔混合鍵的組成〕34精選ppt第三章小結(jié)：1〕一維布拉菲晶格和復(fù)式晶格振動(dòng)的分析和結(jié)論簡諧近似和最近鄰原子近似振動(dòng)方程的建立過程，格波解〔聲學(xué)波、光學(xué)波〕的形式和意義色散關(guān)系圖的理解：意義、布里淵區(qū)、波矢點(diǎn)的均勻分布、波矢的取值數(shù)、振動(dòng)模式數(shù)2〕晶格振動(dòng)簡化為簡諧振動(dòng)的疊加，對