晶体缺陷

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 semiconductor

Abstract

Defects 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。