2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体结构中的缺陷

这是一份2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体结构中的缺陷，共14页。PPT课件主要包含了晶体结构中的缺陷，点缺陷，点缺陷的运动，n为点缺陷数目等内容，欢迎下载使用。

　　理想完整的晶体中，原子处在有规则的、周期性排列的格点上，但在实际的晶体中，原子的排列不可能那么完整和规则，经常存在着偏离了理想晶体结构的区域，这些与完整晶体中周期性点阵结构发生偏离的区域就构成了缺陷。缺陷的存在破坏了晶体本身的对称性和周期性。　　根据缺陷的几何形状和所涉及的范围可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。　　晶体中的缺陷虽然一般数量不是太大，但它对晶体的许多性质会产生重要影响。如半导体的导电性，金属的力学性质等。
　　点缺陷是晶体在一个或几个晶格常数范围内偏离理想周期性结构的一种缺陷。　特点：在三维方向的尺寸都与原子尺寸相近。　包括空位、间隙原子、杂质原子等。一、点缺陷的形成及种类　　晶格点阵中的原子总是在不停地在做热振动，振动的平均能量为Ei，但在一定的温度下，总有一些原子存在一定的概率获得较大的能量而克服平衡位置势阱的束缚，脱离原来的格点而迁移到其他位置上，而在原来的位置上出现空格点，称为空位，空位的出现破坏了原来各原子的力学平衡，使周围的原子都要略微偏离原来的平衡位置，达到新的平衡状态，这样就在空位周围产生了三个方向都很小的点阵畸变，形成点缺陷。
　　１、肖特基缺陷－－只形成空位　　晶体中的原子由于热振动的涨落而脱离其平衡位置，如果该原子脱离格点后并不在晶体内部形成间隙原子而是迁移到晶体表面上正常格点的位置或者迁移到晶粒间界或位错处。即只形成空位。就属于肖特基缺陷。　　具体的形成过程可能是　(1)　靠近表面或界面的原子迁移到晶体表面或界面，形成空位，内部的原子再迁移到该空位上，最后在晶体内部形成空位；(2)　晶体内的原子通过多次跳跃到达晶体表面上格点的位置，而在晶体内部形成空位。　　需要注意的是也存在上述过程的逆过程，即表面的原子和内部的空位发生复合而使空位数目减小。　　一定的温度下，空位应达到平衡浓度。　
　2、弗兰克尔缺陷－－产生一个空位和一个间隙原子　　晶体中的原子由于热涨落，获得能量，脱离平衡位置，如果原子迁移到晶格点阵的间隙之中，同时产生一个空位和一个间隙原子。　　这种缺陷是由弗兰克尔首先发现的，因此称为弗兰克尔缺陷。　　在一定的温度下，晶体中弗兰克尔缺陷也保持一平衡浓度，它的复合和产生也保持动态平衡。
　3、间隙原子　　由于热振动能量的涨落，使晶体表面的原子获得足够的动能进入晶体内部格点之间的间隙位置，这些位置在理想情况下是不被原子所占据的，从而在这些被占据的间隙位置形成缺陷，称为间隙原子。
肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷和间隙原子这三种缺陷都是靠原子热振动能量的涨落产生和运动的，所以称为热缺陷。
　　4、杂质原子　　实际晶体不可避免含有或多或少的杂质，为了改善晶体的电学光学性能，经常有控制地向晶体掺入少量杂质原子，如向Si中掺入Al,Ga,或As，P等。　　向晶体掺入杂质的方法有很多，如在晶体生长过程中掺入杂质，也可以利用扩散或离子注入的方法掺入杂质。　　组成晶体的主体原子称为基质原子，掺入晶体中的异类原子或同位素原子称为杂质原子。　　杂质原子在晶体中占据位置的方式有两种：一种是杂质原子取代基质原子而占据规则的格点位置，称为替位式杂质；一种是杂质原子占据格点之间的间隙位置，称为间隙式杂质。　　原子半径较小的原子常常以间隙式杂质的方式出现在晶体中，如C,N,O等原子。
　　　　(a) (b) (C) 晶体中的点缺陷并不是静止不动的，而是处于不断的运动过程中。以空位为例，由于原子热振动能量的起伏，有可能使空位周围的原子获得足够的能量而跳入空位中，使空位发生迁移。空位迁移能：原子处于C处的能量比格点处高，高出的那部分能量即为空位迁移能。
　　空位周围原子的热振动能量起伏是随机的，因而空位的迁移也是随机的，整体上，空位在作不规则的布朗运动。但如果晶体内部空位分布不均匀或者晶体内应力场分布不均匀，就有可能导致大量空位作定向迁移。　　类似的，间隙原子也可以由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置，但一般间隙原子的迁移能比空位的迁移能小得多，间隙原子的迁移要远远超过空位。　　在点缺陷的运动过程中，如果一个间隙原子和一个空位相遇，间隙原子将落入空位而使两者彼此消失，这一过程称为复合（或者湮灭）。如果点缺陷移动到晶界或位错处，点缺陷将在那里消亡。
二、热缺陷的统计平衡理论　　点缺陷是由于晶体中原子的热振动而产生的，在一定的温度下总是对应着一定数量的点缺陷，可以利用晶体的热力学平衡条件计算出点缺陷的平衡浓度。
　　在一定的温度下，点缺陷将从两个方面改变晶体的自由能，一方面，点缺陷的产生需要能量，因而点缺陷的存在使系统的内能增加U，另一方面，由于点缺陷的存在使系统的无序度增加，因此晶体的熵增大S，结果使晶体自由能减小，而自由能总的变化为
晶体的稳定性与其导致的自由能的变化有关。在一定的温度下，点缺陷的数量应使晶体的自由能达到最小值。这时点缺陷的浓度称为在该温度下的平衡浓度ns。
根据上式确定点缺陷的平衡浓度与温度之间的关系必须做如下假设：(1)晶体中含有N个完全相同的原子，晶体的体积与温度无关；(2)点缺陷的形成能与温度无关；(3)点缺陷的数目较少，之间没有相互作用，是相互独立的；(4)晶格振动的频率不受缺陷的影响。对于肖特基缺陷，设晶体有N个格点位置，ns表示点缺陷数目，在N个格点位置形成ns个空格点的方式有
对于弗兰克尔缺陷，设晶体有N个格点位置，N’个间隙位置，要在N个格点位置产生nF个空位，并且在N’ 个间隙位置填入nF个原子，其几率为