固体物理第四章.ppt
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《固 体 物 理》
教 师：
周静
学生专业：材料学院2005级材料物理
School of Materials Science and Engineering / WHUT
第四章 晶体中的缺陷与运动
晶体缺陷的主要类型 热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律 扩散的微观机制 热缺陷在外力作用下的运动
School of Materials Science and Engineering / WHUT
点 了晶体的局部势场，使一部分电子能级从许可带中分离了出来，形成
缺
禁带能级，因而容易提供电子或空穴，使电导率增加。根据提供的载
陷
流子种类的不同分为施主杂质和受主杂质。
施主杂质：杂质掺进去后，能提供给导带以电子，我们称这种杂质 为施主杂质，形成的是n型半导体； 受主杂质：杂质掺进去后，能接受满带的电子，满带中出现电子空 穴，我们们称这种杂质为受主杂质，形成的是p型半导体。
➢晶体缺陷的主要类型
缺
类
陷 的
分
点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
School of Materials Science and Engineering / WHUT
缺
类
陷 的
分
➢晶体缺陷的主要类型
点缺陷 线缺陷
热缺陷
弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷
杂质缺陷 置换型 填隙型
色心 极化子
刃型位错
位错 螺旋位错 混合位错
受主：空穴与硼形成弱束缚，
能级在ED，很易接受电子， ED—受主能级
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷 ✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
色心：由于电子在离子晶体中出现正、负离子缺位所引起的局
点
部能级变化而导致的电子缺陷，我们称之为色心。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷 ✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）
磷（P）、硼（B）掺入硅（Si）中后，禁带中出现能级ED
点 缺 陷
施主：电子与磷形成弱束缚，
能级在ED，很易被激发， ED—施主能级
Ga-Si ；③ 红宝石： Al2O3（刚玉晶体）掺Cr2O3形成， Cr3+-Al3+
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
电子缺陷：在固体晶格中，由于本征点缺陷或杂质点缺陷
点 缺
的存在，晶格的周期性势场局部地受到破坏，在这 些局部地区，电子的能态同晶体中其它部分的能态 有所不同，将这类缺陷统称为电子缺陷。
面缺陷：晶界、缺陷堆积、表面
体缺陷：微裂纹、孔洞、集聚
<本征缺陷>
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
点缺陷（零维缺陷）
点缺陷：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起
对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常
点
数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子
陷
✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴） ✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）
在纯净半导体中掺加杂质，在形成替位式杂质点缺陷的同时，改变
点
叫本征缺陷。
缺
陷
常见的本征缺陷有弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
Frenkel缺陷：原子由正常格点跳到填隙位置，同时产生一个
空位和一个填隙原子。通常移动到间隙位置上
的离子其半径都较小，多为阳离子。（空位与
缺
陷
F心（负离子缺位）
V心（正离子缺位）
其它色心
极化子
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
点
填隙原子成对产生）
缺 Schottky缺陷：晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，
陷Hale Waihona Puke Baidu
同时产生一个空位和一个新的正常格点。（对
于离子晶体正负离子空位成对出现）
对Schottky缺陷的产生还有另一种理解：表面上某个原子 由其固有位置迁移到表面上另一个新的位置，在表面上形成 一个空位，内部原子迁移到表面填充这个表面空位，而在内
部形成空位。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
点
缺
陷
✓ Frenkel缺陷和Schottky缺陷都是由于晶格振动（热运动）而产生的，称为 热缺陷，且为本征缺陷（固有原子缺陷），所以上图中C填隙不为Frenkel
➢晶体缺陷的主要类型
➢杂质点缺陷
杂质缺陷： 在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引
起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。
点
✓ 填隙式杂质点缺陷：①能源材料——贮氢材料，H进入
缺
金属或合金原子间隙；②某些合金就是由C、H、O、N
陷
等较小元素进入金属元素间隙而形成的。③钢就是铁掺
碳，C进入Fe原子间隙； ✓ 替代式杂质点缺陷：①N型半导体：P-Si；②P型半导体：
缺
大小的尺寸）。
陷
空位：指正常格点上某个位置的原子不存在。
填隙原子：指正常晶格中的固有原子或外来原子挤进晶
格间隙位置。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
本征缺陷：由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也
缺陷（杂质缺陷）。
✓ 通常要产生填隙缺陷，需固有原子挤进正常晶格间隙位置，这时所需能量 要远高于形成空位的能量，故在温度不太高时，对大多数晶体而言，形成 Schottky的几率要远大于形成Frenkel的几率，当然如果外来原子较小时， 也可进入间隙（不是Frenkel缺陷）。
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教 师：
周静
学生专业：材料学院2005级材料物理
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第四章 晶体中的缺陷与运动
晶体缺陷的主要类型 热缺陷数目的统计计算 晶体中的扩散定律 扩散的微观机制 热缺陷在外力作用下的运动
School of Materials Science and Engineering / WHUT
点 了晶体的局部势场，使一部分电子能级从许可带中分离了出来，形成
缺
禁带能级，因而容易提供电子或空穴，使电导率增加。根据提供的载
陷
流子种类的不同分为施主杂质和受主杂质。
施主杂质：杂质掺进去后，能提供给导带以电子，我们称这种杂质 为施主杂质，形成的是n型半导体； 受主杂质：杂质掺进去后，能接受满带的电子，满带中出现电子空 穴，我们们称这种杂质为受主杂质，形成的是p型半导体。
➢晶体缺陷的主要类型
缺
类
陷 的
分
点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
School of Materials Science and Engineering / WHUT
缺
类
陷 的
分
➢晶体缺陷的主要类型
点缺陷 线缺陷
热缺陷
弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷
杂质缺陷 置换型 填隙型
色心 极化子
刃型位错
位错 螺旋位错 混合位错
受主：空穴与硼形成弱束缚，
能级在ED，很易接受电子， ED—受主能级
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷 ✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
色心：由于电子在离子晶体中出现正、负离子缺位所引起的局
点
部能级变化而导致的电子缺陷，我们称之为色心。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷 ✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）
磷（P）、硼（B）掺入硅（Si）中后，禁带中出现能级ED
点 缺 陷
施主：电子与磷形成弱束缚，
能级在ED，很易被激发， ED—施主能级
Ga-Si ；③ 红宝石： Al2O3（刚玉晶体）掺Cr2O3形成， Cr3+-Al3+
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➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
电子缺陷：在固体晶格中，由于本征点缺陷或杂质点缺陷
点 缺
的存在，晶格的周期性势场局部地受到破坏，在这 些局部地区，电子的能态同晶体中其它部分的能态 有所不同，将这类缺陷统称为电子缺陷。
面缺陷：晶界、缺陷堆积、表面
体缺陷：微裂纹、孔洞、集聚
<本征缺陷>
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➢晶体缺陷的主要类型
点缺陷（零维缺陷）
点缺陷：空位、填隙原子、杂质原子等类型缺陷所引起
对晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常
点
数的限度范围内，故称点缺陷（约占一个原子
陷
✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴） ✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
✓ 半导体中的电子缺陷（导带电子和价带空穴）
在纯净半导体中掺加杂质，在形成替位式杂质点缺陷的同时，改变
点
叫本征缺陷。
缺
陷
常见的本征缺陷有弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
Frenkel缺陷：原子由正常格点跳到填隙位置，同时产生一个
空位和一个填隙原子。通常移动到间隙位置上
的离子其半径都较小，多为阳离子。（空位与
缺
陷
F心（负离子缺位）
V心（正离子缺位）
其它色心
极化子
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢电子缺陷
✓ 碱卤晶体中的电子缺陷（色心）
点
填隙原子成对产生）
缺 Schottky缺陷：晶体内部的原子迁移到晶体表面的正常格点上，
陷Hale Waihona Puke Baidu
同时产生一个空位和一个新的正常格点。（对
于离子晶体正负离子空位成对出现）
对Schottky缺陷的产生还有另一种理解：表面上某个原子 由其固有位置迁移到表面上另一个新的位置，在表面上形成 一个空位，内部原子迁移到表面填充这个表面空位，而在内
部形成空位。
School of Materials Science and Engineering / WHUT
➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
点
缺
陷
✓ Frenkel缺陷和Schottky缺陷都是由于晶格振动（热运动）而产生的，称为 热缺陷，且为本征缺陷（固有原子缺陷），所以上图中C填隙不为Frenkel
➢晶体缺陷的主要类型
➢杂质点缺陷
杂质缺陷： 在偏离理想状态的固体点缺陷中，除了热运动引
起的本征点缺陷之外，其余都为杂质点缺陷。
点
✓ 填隙式杂质点缺陷：①能源材料——贮氢材料，H进入
缺
金属或合金原子间隙；②某些合金就是由C、H、O、N
陷
等较小元素进入金属元素间隙而形成的。③钢就是铁掺
碳，C进入Fe原子间隙； ✓ 替代式杂质点缺陷：①N型半导体：P-Si；②P型半导体：
缺
大小的尺寸）。
陷
空位：指正常格点上某个位置的原子不存在。
填隙原子：指正常晶格中的固有原子或外来原子挤进晶
格间隙位置。
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➢晶体缺陷的主要类型
➢本征点缺陷
本征缺陷：由热起伏产生的空位和填隙原子叫做热缺陷，也
缺陷（杂质缺陷）。
✓ 通常要产生填隙缺陷，需固有原子挤进正常晶格间隙位置，这时所需能量 要远高于形成空位的能量，故在温度不太高时，对大多数晶体而言，形成 Schottky的几率要远大于形成Frenkel的几率，当然如果外来原子较小时， 也可进入间隙（不是Frenkel缺陷）。
School of Materials Science and Engineering / WHUT