晶体的缺陷及其在半导体中的应用内容摘要缺陷对晶体来说是很难被消除的，缺陷的存在会影响晶体的某些性质。

晶体中的缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷以及体缺陷。

不管是哪种类型的缺陷，它都会对晶体材料的性质产生影响。

人们可以根据实际需要，通过人为地向晶体引入缺陷来开发制备出对人们有用的材料。

该文简要介绍了缺陷的类型、定义、运动以及一些缺陷的简单应用。

【关键词】缺陷运动半导体影响Crystal defects and the application of defects in semiconductorAbstractDefects in the crystal is very difficult to be eliminated, the defect will affect some properties of the crystal. Crystal defects including point defects, line defects, surface defects and bulk defects. No matter what type of defect, it will affect some properties of the crystal . People can produce some crystal material which is useful by artificially introducing defects to the crystal according to actual needs. This paper briefly describes the type of defect, definitions, sports, and some applications of defects.【Key Words】Defects Movement Semiconductor Impact晶体的缺陷及其在半导体中的应用学生姓名：指导老师：引言金无足赤，人无完人。

晶体也不例外。

看似完美的晶体也有缺点。

实际晶体中，组成晶体的粒子中有一部分并不是按一定的周期性有规则地排列在它们的格点位置上，而是与想象中的完美晶体有一定的偏差【1】。

这种偏差产生于晶体的形成过程中，它破坏了晶体的完美结构，使其拥有了某些性质。

在自然界中，完美的晶体是不存在的，人们也不能通过人工制造出完美的晶体来。

人们有时候为了使材料具有某种特性，往往有意地向其中引入这种偏差。

有时候晶体正是由于存在缺陷而具有某种特殊性质。

研究晶体的缺陷，可以使人们更好地认识晶体，同时也可以使人们利用缺陷开发制备出具有某些特殊性质的材料，应用于生产实践当中。

一、晶体缺陷的定义和类型（一）晶体缺陷的定义在晶体中，组成晶体的原子、离子或分子中的一部分的排列与完整晶体的周期性结构不相一致的区域被称为晶体缺陷【1】。

在任何温度下，晶体中都存在缺陷。

（二）晶体缺陷的分类1．点缺陷（1）定义晶体中在空位、间隙原子或杂质原子附近的几个晶格常数范围内，晶格结构偏离格点位置而形成的畸变区域，该畸变区域的大小为原子尺度。

这种畸变区域就是所谓的点缺陷。

（2）类型晶体中典型的点缺陷可以根据它的形成机理分为热缺陷和杂质缺陷两种。

热缺陷是由晶体中原子、离子或分子的热运动而产生的在一定的环境温度下普遍存在的一种点缺陷。

热缺陷中有两种缺陷是人们在研究晶体时经常见到的，一种是夫伦克尔缺陷,另外一种是肖脱基缺陷【2】。

由于组成晶体的微观粒子（原子、离子或分子）在不停地做热运动，其中的一部分粒子可以从这种运动中获得比较多的能量，用来摆脱附近其它粒子对它的吸引，从而可以离开格点位置跑到晶体内晶格的间隙位置上，变成填隙原子，把自己原来占据的格点位置空了出来，造成晶体中晶格空位和填隙原子总是成对出现，这种形式的缺陷叫做夫伦克尔缺陷。

如果晶体内部格点位置上的一部分粒子从这种运动中获得了比较大的能量从而能够摆脱周围粒子的吸引，通过像接力赛那样的运动移动到表面的格点位置，造成晶体内格点不能被全部占据，有空的格点存在，这种形式的缺陷叫做肖脱基缺陷【2】。

一些微量杂质总是存在于实际晶体中，这是难以避免的。

其中的外来物质有两个来源：一个来源是晶体在天然形成过程中由于外界因素的干扰，外来物质混入其中；另一个来源是在生产实践中人们为了使晶体具有某种特殊性质而人为地向其中掺入极少量的外来物质。

被掺入到晶体中的外来物质（即杂质）可以分成两类：一类是占据组成晶体的粒子的格点位置；另一类是不在正常的格点上，而是存在于格点之间。

2．线缺陷（1）定义晶体内部的原子在某一条线附近的排列偏离严格的周期性结构，这叫做线缺陷。

（2）类型。

最基本的类型有两种：一种叫刃位错，另一种叫螺位错。

刃位错：一个平面的原子在晶体内部的一条直线处发生断裂，在断裂处形成的缺陷。

或者是晶体内多出半个平面。

图1 刃位错图螺位错：晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面绕一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个面间距，在中央轴线处形成的缺陷。

图2 螺位错图3．面缺陷（1）定义晶体中点阵结构的二维缺陷叫做面缺陷。

（2）类型层错是在结构为密堆积的晶体中，原子面的排列顺序不是按正常顺序排列所造成的面缺陷。

层错又包括：外层错——向原子面按正常顺序排列的密排结构中的任意位置加入一层原子，破坏了原来的正常结构，形成…efgefgef(e)gefg…的排列(e、f、g分别表示三个不同的排列面)内层错——从排列顺序正常的密排结构中抽去一密排层，形成…efgefgfgefg…的排列。

孪生——晶体中一个晶面的两侧的排列对称…efgegfegfe…的排列【2】。

晶粒间界：晶粒之间的交界区域。

4．体缺陷晶体中相对尺寸较大的三维方向上的缺陷被称为体缺陷。

二、缺陷在晶体中的运动（一）点缺陷的运动点缺陷在晶体中的运动是靠原子的扩散来进行的。

扩散有四种机制，它们分别是空位、间隙、复合和易位等。

（二）线缺陷的运动位错的滑移——如果把晶体沿着滑移面分成两半，由于受到外力的作用，一半发生极微小的滑动而另一半保持不动，使得位错线在晶体内部运动直至其运动到表面，这样的后果是晶体不可能恢复到以前的状态【3】。

图3 刃位错的滑移图图4 螺位错的滑移图位错的攀移——在热缺陷的作用下，位错在垂直于滑移方向的运动，这样的后果是使其中的空位或者是填隙原子的数目增加或者是减少。

螺位错的伯格斯矢量与它位错线平行，晶体内部没有多出来的半原子面，所以它没有攀移运动。

图5 刃位错的攀移图三、缺陷和晶体的性能晶体的某些特殊的性能一般不是因为其完美的周期性结构而是因为它体内存在的某种缺陷。

例如缺陷的存在可以使半导体的电阻发生变化，因此可以通过控制缺陷的量来改变它的导电性。

如果人们能够合理的利用缺陷，就可以使材料的某种性能得到改善和提高，进而使材料得到广泛的应用。

（一）缺陷与电阻1．晶体电阻我们把电子所处的状态在其运动过程中被改变的几率用电阻来表征。

事实上，原子（或离子）在晶体中的格点位置上不停地做热运动——振动，它以与电子发生相互作用的方式来改变电子的状态，这就是金属晶体具有电阻的原因。

由于随着温度的升高，组成晶体的原子的热运动越剧烈，因此随着温度的升高，电阻会增大。

而由于缺陷使得组成晶体的原子或离子不在其格点位置，从而使缺陷电阻存在于晶体【4】。

2．点缺陷电阻缺陷可以从以下三个方面影响晶体的周期场。

第一方面：一般说来存在缺陷的地方，它的电荷量和基质离子的电荷量是不一样的，因此屏蔽场在缺陷周围产生。

第二方面：杂质原子的大小与基质原子的大小不相同，附近原子由于空位的存在而发生位移，基质原子离开格点位置运动到晶格的间隙位置而成为填隙原子，这些都会形成附加位，这种附加位被称为变型位。

第三方面：就算代替组成晶体的原子的杂质原子的大小和原子价都与晶体本身的原子的大小和原子价相同，又由于替代原子的原子位和组成晶体本身的原子的原子位有差别，替代原子附近的晶体周期场也会受到破坏。

这些也都能使其具有电阻。

另外晶体还具有位错电阻，因为人们在探求晶体的散射位时遇到了很大的困难，目前还没有办法来解决所遇到的困难，所以目前为止还没有人对位错电阻进行过精确的计算【4】。

（二）缺陷对能级和载流子的影响位于第四主族的硅、锗等元素是以共价键结合在一起的，形成的是原子晶体。

这种类型的晶体在绝对零度时为绝缘体，导电率随温度升高有所增加，但远远没有金属晶体的电导率大。

因为晶体能带中，能带与能带之间有间隙，这种间隙被称为禁带，而这类晶体的价带和导带之间的禁带的宽度比绝缘体的要窄，所以就表现出半导性【5】，因此把这种晶体称为半导体。

当温度升高时，晶体内的一些电子可以从中获得一部分能量，因此它具有一定的能量穿过禁带运动到上面的空带而成为导电电子。

晶体能带之间的禁带宽度、参与导电的载流子(电子或者空穴)的浓度以及它的迁移率都可以影响它的半导体性能。

而晶体能带的禁带的宽度、载流子的浓度以及迁移率都会受到缺陷的影响，这就是晶体的半导体性能很大程度上与缺陷有关的原因。

1．能级在硅、锗的晶体中，组成这两种晶体的每个原子都是以共价键的形式与最靠近它的四个原子结合形成晶体。

在晶体中留下的空位或向其中引入的杂质原子都改变了参与结合形成共价键的电子数目，从而影响晶体的能级分布。

人们可以通过向本征半导体中掺入一些第三主族或者第五主族的元素形成掺杂半导体来达到改善其性能的目的。

除了第三主族和第五主族以外的其他的杂质原子和其他点缺陷（如空位）也会在晶体中形成附近能级【5】。

半导体的性能也和位错有关，但目前人们研究较多的只是晶体结构为金刚石结构的硅、锗晶体中的位错，对其他晶体结构中的位错了解甚微。

2．载流子由于晶体中点缺陷的存在，它的能带和能带之间的区域会出现一个能级，它被称为附加能级。

位错在晶体中扮演着施主或受主的角色，此外位错可以俘获电子，结果使得晶体中载流子的数目有所减少。

四、缺陷对半导体的影响（一）半导体的定义半导体是指电导率介于106～104（Ω·cm）-1和10-10（Ω·cm）-1之间的材料。

（二）特点及其应用往半导体里面加入的杂质可以使半导体具有多样化的特性，使得形成P-N结，进而制备各种二极管和三极管【7】。

一些特殊的半导体的电阻会因光照而改变，这就为光敏电阻的产生提供了条件。

温差效应是一些特殊的半导体所特有的性质，特殊制冷剂就是利用这一性质来制备的。

超高速，低功耗，多功能，抗辐射等是化合物半导体所具有的优点，因此这种半导体广泛的应用于光线通信，智能化等领域。

纯净半导体材料的电阻会由于温度的变化而发生明显的变化，于是开发出了对温度敏感的电阻。

（三）掺杂对半导体性能的影响极其少量的杂质加到半导体中就会改变它的电导率。