第五章 晶体中的缺陷
院 ( ：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留 下了空格点，即空位 填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。 即位于理想晶体中间隙中的原子 杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子 定义：由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数 的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称 为热缺陷 弗仑克尔缺陷：若晶体中的空位与填隙原子的数目相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷：空位和填隙原子可以成对地产生(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产生。若脱 离格点的原子变成填隙原子，经过扩散跑到晶体表面占据正常格点位置，则在晶体 内只留下空位，而没有填隙原子，仅由这种空位构成的缺陷称之为 肖特基缺陷 色心：是一种非化学计量比引起的空位缺陷。该空位能够吸收可见光使原来透明的晶体出 现颜色，因而称它们为色心 点缺陷 定义：离子晶体中的一个负离子空位束缚一个电子构成的点缺陷 常见类型 把碱卤晶体在碱金属蒸汽中加热而后骤冷的过程称为增色过程，把具经过这样处理后 具有F心的碱卤晶体称为增色的碱卤晶体 色心 F心 着色原理：加热过程中过量的碱金属原子进入晶体占据碱金属格点位置。晶体为保持 电中性，会产生相应数目的负离子空位。同时，处于格点的碱金属原子被 电离，失去的电子被带正电的负离子空位所束缚，从而在空位附近形成F 心，F心可以看成是束缚在负离子空位处的一种?电子陷阱 定义：当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线的周围则称为线缺陷，通常又称之为位错 晶体的缺陷 基本类型 刃位错：原子的滑移方向与位错线的方向相垂直 基本类型 螺位错：是原子的滑移方向与位错线平行，且晶体内没有多余的半个晶面。垂直于位错线的各个 晶面可以看成由一个晶面以螺旋阶梯的形式构成 1.滑移区与未滑移区的分界线 2.位错线附近原子排列失去周期性 位错线的特征 3.位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果 4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，在晶体表面露头，不可能在体内 线缺陷 中断 位错是晶体滑移部分与未滑移部分的分界线 晶体的一部分相对与另一部分的滑移，实际是位错线的移动 刃位错的滑移 特点 位错线的移动是逐步进行的 使位错线移动的切应力较小 位错的滑移 螺位错的滑移：螺位错的滑移情况与刃位错的滑移类似，只是螺位错的滑移方向与晶体所受切 应力的方向垂直 定义：当晶格周期性的破坏发生在晶体内部一个面的周围则称为面缺陷 层错：是由于晶面堆积顺序发生错乱而引入的面缺陷，又称堆垛层错 面缺陷 常见类型 小角晶界：具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度的倾斜，在角 里的部分是 由少数几个多余的半晶面所组成的过渡区，这个区域称小角晶界 体缺陷：在体缺陷中比较重要的是包裹体。包裹体是晶体生长过程中界面所捕获的夹杂物。它可能是晶体原料中某 一过量组分形成的固体颗粒，也可能是晶体生产过程中坩埚材料带入的杂质微粒。这是一种严重影响晶体 性质的体缺陷，如造成光散射，或吸收强光引起发热从而影响晶体的强度。另一方面，由于包裹体的热膨 胀系数一般与晶体不同，在单晶体生长的冷却过程中会产生体内应力，造成大量位错的形成
1 E1 / kBT e 与空位相邻的原子跳入空位所要等待的时间（ 2 1） 1 01 nn 热缺陷的产生几率 空位与填隙原子的复合率：n1个空位单位时间内复合掉的填隙原子数目为 1 2 1 N nn nn 1 E2 / kBT 热缺陷统计理论 e 填隙原子的产生率：P 12 2 ，若 1 2，P 12 2 ， 2 N N 02 1 2 u / k T 空位数：n1 Ne 1 B 空位和填隙原子的数目 u2 / k BT 填隙原子数：n2 Ne 热缺陷的数目 u /2 k BT 弗仑克耳缺陷数：n Ne C 扩散的连续性方程： j ( DC ) t 扩散方程 C ( x, t ) 2 C ( x, t ) 一维扩散： D t x 2 1、一定量Q的粒子由晶体的表面向内部扩散 扩散条件 2、扩散粒子在晶体表面的浓度C0保持不变 1、粒子的平均位移平方与扩散系数D的关系： x 2 2 Dt （ 1）粒子以填隙原子的形式进行扩散 2）粒子借助于空位进行扩散 2、晶体中粒子的扩散方式（ 3）这两种形式都同时发生 晶体的缺陷 缺陷的扩散 （ 扩散的微观机制 ( u1 E1 )/ k BT 2 1）空位机构：D1 1 （ 2 a 01 e 1 扩散的两种微观机构 （ 2 ( u2 E2 )/ k BT 2）填隙原子机构：D2 02 a e 2 1、外来原子的半径比基本原子小得多时，总是以填隙的方式存在于晶体中，并且也是 1 以填隙的方式在晶体中扩散。填隙杂质原子的扩散系数为D a 2 e E / kBT 杂质原子的扩散 2 2、替位式杂质的情形，对于替位式的杂质原子,由于杂质原子占据了正常格点， 所以其扩散方式同自扩散方式很相象 1、离子晶体中点缺陷的特点是带有一定的电荷 2、在没有外加电场时，离子晶体中的点缺陷都作无规则的布朗运动，宏观上不产生电流。 当有外电场存在时，外电场对它们所带电荷的作用，使布朗运动产生一定的“偏向”， 即这些热缺陷除了作布朗运动外，还有一个定向漂移行为，从而引起宏观电流 ea 2 02 E2 / kBT 离子晶体中的点缺陷和离子导电性 e 填隙离子的迁移率： kBT A +间隙离子在外场E作用下的运动 填隙离子定向漂移产生的电流密度：je Cevd Ce E eD 爱因斯坦关系： k BT