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1、固体电子导论第四章第1页，本讲稿共36页4.1 晶体缺陷的主要类型晶体缺陷的主要类型晶体缺陷按晶体缺陷按范围范围和和尺寸尺寸分类：分类：1、点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，原子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。尺寸大小的晶体缺陷。2、线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大，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另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大原子尺寸大 小小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中 的位错的位错。3、面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大，在三维空间的两个方向上的尺寸很大，
2、另外一个方向上的尺寸很小另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。第2页，本讲稿共36页一、点缺陷：一、点缺陷：填隙原子1、点缺陷的类型：、点缺陷的类型：1）空位空位 在晶格结点位置应有原在晶格结点位置应有原 子的地方空缺，这种缺子的地方空缺，这种缺 陷称为陷称为“空位空位”。2）填隙原子填隙原子 在晶格非结点位置，在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。出现了多余的原子。空位第3页，本讲稿共36页3）杂质原子杂质原子 不同种类的原子替换原不同种类的原子替换原 有的原子占据其应有的有的原子占据其应有的 位置，或进入间隙位置。位置
3、，或进入间隙位置。在实际晶体内部，点缺陷在实际晶体内部，点缺陷附近，原子排列会出现畸附近，原子排列会出现畸变，其他地方则仍然规则变，其他地方则仍然规则排列排列杂质原子填隙原子杂质原子第4页，本讲稿共36页2、点缺陷的形成：、点缺陷的形成：1）热缺陷热缺陷依靠原子的热涨落形成晶体内部的空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。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弗伦克尔缺陷的特点是空空位和填隙原子同时出现位和填隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶晶体体积不发
4、生变化，晶体不会因为出现空位而产体不会因为出现空位而产生密度变化。生密度变化。空位填隙原子空位填隙原子第5页，本讲稿共36页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。空位空位+表面原子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，肖特基缺陷的特点是晶体表面增加了新的原子层，晶晶体内部只有空位缺陷体内部只有空位缺陷，且晶体体积膨胀，密度下降。，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。温度越高，晶体体内的热缺陷数目越多。第6页，本讲稿共36页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。杂质缺陷的
5、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。为了有目的地改善器件性能，人为地引入杂质原子。例如：例如：个硅原子电导率增加 倍硅半导体中：硅半导体中：红宝石激光器中：红宝石激光器中：刚玉晶体形成发光中心第7页，本讲稿共36页3、点缺陷对材料性能的一般影响、点缺陷对材料性能的一般影响原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结无论那种点缺陷的存在，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。点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。效果1)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
6、离子扩散，增加电导率2)加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。3)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。4)改变材料的光学性能 会使材料的颜色改变。第8页，本讲稿共36页二、线缺陷二、线缺陷 位错位错1、位错的类型、位错的类型1）刃型位错：）刃型位错：有刃型位错的晶体当晶体中存在刃型位错，就当晶体中存在刃型位错，就象刀劈柴一样，将半个晶面象刀劈柴一样，将半个晶面插入晶体的上半部分，插入晶体的上半部分，“刀刀刃刃”所在位置即为所在位置即为“刃型位刃型位错错”，简称刃位错。，简称刃位错。第9页，本讲稿共36页刃型位错的形成，是在外力作用下，晶体的上半
7、部刃型位错的形成，是在外力作用下，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，内有一个原子平面在晶体内部中断，其中断处的边其中断处的边沿即刃型位错沿即刃型位错第10页，本讲稿共36页有螺型位错的晶体2）螺型位错：）螺型位错：螺位错的形成，是在外力作螺位错的形成，是在外力作用下，将晶体的上半部分向用下，将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，而在后移动一个原子间距，而在分界线的区域形成一螺旋面，分界线的区域形成一螺旋面，分界线即螺型位错分界线即螺型位错 当晶体中存在螺型位错，原来的当晶体中存在螺型位错，原来的一
8、个晶面形成类似螺旋阶梯的螺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旋面，旋转轴所在的位置即为“螺型位错螺型位错”，简称螺位错。，简称螺位错。第11页，本讲稿共36页位错在晶体表面的露头位错在晶体表面的露头 抛光后的试样抛光后的试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现侵蚀坑，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，位错较一定规律。只能在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。少时才有明显效果。薄膜透射电镜观察薄膜透射电镜观察 将试样将试样减薄到几十到数百个原子层减薄到几十到数百个原子层(500nm(500nm以下以
9、下)，利用透射电，利用透射电镜进行观察，可见到位错线。镜进行观察，可见到位错线。2、位错的观察：、位错的观察：位错客观的存在于晶体中。位错客观的存在于晶体中。第12页，本讲稿共36页离位错线较远处，原子排列接近于完整晶体；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离位错线较近处，原子排列有较大错乱3、位错的特征：、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。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。第13页，本讲稿共36页三、面缺陷三、面缺陷 1、表面、表面在晶体表面，垂直于表面方向上平移对在晶体表面，垂直于表面方向上平移对称性被破坏，表面上的
10、原子排列不同于称性被破坏，表面上的原子排列不同于晶体内部，因此是一种面缺陷。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。表面处的原子的排列一般具有二维的周期性。第14页，本讲稿共36页单晶体多晶体2、晶界、晶界内部的晶体位内部的晶体位向完全一致向完全一致包含着许许多多的包含着许许多多的小晶体，每个小晶小晶体，每个小晶体的内部，晶格位体的内部，晶格位向是均匀一致的，向是均匀一致的，而各个小晶体之间，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相彼此的位向却不相同。同。晶界附近的原子排列较混乱，是一种面缺陷第15页，本讲稿共36页3、堆积层错、堆积层错抽出型层错插入型层错第16页，本讲
11、稿共36页4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算空位、填隙原子的运动和统计计算一、空位、填隙原子的运动一、空位、填隙原子的运动空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相空位和填隙原子的跳跃依靠热涨落，与温度紧密相关关.以填隙原子为例说明以填隙原子为例说明势势垒垒势垒 约为几个原子热振动能量:填隙原子的跳跃填隙原子的跳跃靠偶然性的靠偶然性的热涨落实现热涨落实现跳跃率:能量超过 的几率：原子的跳跃频率：第17页，本讲稿共36页二、空位、填隙原子的统计计算二、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
12、时，点缺陷的数目定的宏观条件下，达到统计平衡时，点缺陷的数目是一定的是一定的.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系统平衡 的自由能判据的自由能判据在保持系统的温度和体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。由能为最小。第18页，本讲稿共36页系统内能增加：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的平衡浓度：空位的平衡浓度：填隙原子的平衡浓度：夫伦克尔缺陷的平衡浓度：形成一个填隙
13、原子所需能量玻尔兹曼关系（了解）第19页，本讲稿共36页补充：晶体中的扩散现象补充：晶体中的扩散现象扩散现象对于固体在生产技术中的应用有很广泛的扩散现象对于固体在生产技术中的应用有很广泛的影响。扩散是制造半导体器件的一种重要技术，对影响。扩散是制造半导体器件的一种重要技术，对扩散现象的研究增进了对固体的原子结构和固体中扩散现象的研究增进了对固体的原子结构和固体中原子的微观运动的深入了解。原子的微观运动的深入了解。晶体中的扩散是通过点缺陷的热运动实现的。晶体中的扩散是通过点缺陷的热运动实现的。势势垒垒跳跃率:第20页，本讲稿共36页由于密度不均匀所产生的扩散现象：由于密度不均匀所产生的扩散现象：
14、将扩散物质涂抹或沉积在经过磨光的固体表面，高温扩散在扩散物质浓度不大的在扩散物质浓度不大的情况下，单位时间内，情况下，单位时间内，通过单位面积的扩散无通过单位面积的扩散无的量（简称扩散流），的量（简称扩散流），决定于浓度决定于浓度n的梯度。的梯度。扩散流扩散流=-DnD 扩散系数。扩散系数。费克第一定律费克第一定律费克第二定律费克第二定律（了解）第21页，本讲稿共36页扩散现象密切依赖于温度，一般只有在几百度的扩散现象密切依赖于温度，一般只有在几百度的高温时才有显著的扩散，温度越高，扩散越强。高温时才有显著的扩散，温度越高，扩散越强。频率因子频率因子激活能激活能扩散系数与温度之间存在下列规律：
15、第22页，本讲稿共36页扩散物质在晶体中的分布通常可表示为：nt扩散分布第23页，本讲稿共36页4.3 位错及其滑移位错及其滑移一、滑移一、滑移滑滑移移面面滑滑移移线线滑移面滑移面:由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面。由某一平面分割的材料两边有相对移动，出现的面。滑移向滑移向:滑移的方向。滑移的方向。一般为原子密度较大的晶面一般为原子密度较大的晶面。如面心立方的（如面心立方的（111）面）面一般为滑移面上原子线密度最高的方向一般为滑移面上原子线密度最高的方向.如面心立方如面心立方的的向向第24页，本讲稿共36页如果晶体的滑移是整体的发生的,那么使滑移发生的临界应力大约为 ,这一数值比
16、实验值高出 个数量级即原因：原因：存在于晶体内部的位错极大地降低了产存在于晶体内部的位错极大地降低了产生滑移所需的临界应力生滑移所需的临界应力.一部分原子先运动一部分原子先运动（形成位错）（形成位错）位错滑移其它原子相继运动晶体沿滑移面的整体滑移第25页，本讲稿共36页二、刃位错的滑移二、刃位错的滑移位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳定状态，施加较小的切变力 ，畸变后的原子将在滑移面上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶体表面形成一个原子台阶。第26页，本讲稿共36页类比1：地毯鼓包的移动使地毯一边隆起一个鼓包，鼓包从一边移动到另一边比地毯整块移动所花的力气要小得多位错就类似一
17、个位错就类似一个“原子地毯原子地毯”的鼓包，帮助原子滑移的鼓包，帮助原子滑移第27页，本讲稿共36页三、螺位错的滑移三、螺位错的滑移类比类比 撕纸撕纸位错线附近原子结构已有明显畸变，使原子处于不稳定状态，施加较小的切变力 ，畸变后的原子将在滑移面上平行于切变力方向移动；当位错线移出，在晶体表面形成一个原子台阶。第28页，本讲稿共36页四、刃位错与螺位错滑移的异同四、刃位错与螺位错滑移的异同相同点：位错线周围晶格结构均发生局域畸变，只需较小的切变力即可使位错滑移；切变力的方向与滑移方向平行。不同点：刃位错中，位错线与滑移方向垂直；螺位错中，位错线与滑移方向平行.返回第29页，本讲稿共36页第一章
18、 小结：1）晶体结构的周期性：几种典型的晶体结构：简立方、体心立方、面心立方 （晶胞、原胞、基矢、致密度、配位数）金刚石型、六角密排 （基的组成和布拉菲格子、致密度、配位数）氯化钠型、氯化铯型（基的组成和布拉菲格子）第30页，本讲稿共36页2）晶体结构的方向性晶面的概念晶面指数的定义方法3）晶体结构的宏观对称性几种对称操作：旋转轴、中心反演、晶面对称等7大晶系、14种布拉菲格子第31页，本讲稿共36页4）倒格子倒格子的意义倒格子基矢的定义，几种典型晶格的倒格子倒格子与正格子的几个关系。第32页，本讲稿共36页第二章小结：原子间的相互作用力、相互作用能与原子间距关系曲线晶体的结合能与单个原子结合
19、能的关系1）晶体结合的普遍性质原子间的平衡距离第33页，本讲稿共36页2）原子结合的不同类型离子性结合、共价型结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合（粒子的价电子结构特点、吸引能的来源、排斥能的来源、晶体的特点）氢键（混合键的组成）第34页，本讲稿共36页第三章小结：1）一维布拉菲晶格和复式晶格振动的分析和结论简谐近似和最近邻原子近似振动方程的建立过程，格波解（声学波、光学波）的形式和意义色散关系图的理解：意义、布里渊区、波矢点的均匀分布、波矢的取值数、振动模式数2）晶格振动简化为简谐振动的叠加，对晶格振动的分析简化为对简谐振动的分析3）声子的概念和应用4）频率分布函数的概念和计算第35页，本讲稿共36页第四章小结：1、点缺陷的类型：空穴、填隙原子、杂质原子2、点缺陷的形成：夫伦克耳缺陷、肖脱基缺陷（热缺陷）杂质缺陷（组成缺陷）3、点缺陷的运动：依靠偶然性的热涨落。4、点缺陷对材料性能的影响（理解）5、位错的类型：刃型位错、螺型位错6、位错的滑移特点7、面缺陷的种类：表面、晶界等第36页，本讲稿共36页