《晶体的缺陷与运动》PPT课件

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1、第五章晶体的缺陷与运动掌握缺陷的基本类型、性质，了解缺陷的统计理论、扩散和缺陷在外场中的迁移。教学目的：§5－1点缺陷晶格中的填隙原子、空位、俘获电子的空位、杂质原子等，称为点缺陷，尺度只有一个或几个原子大小。点缺陷是指发生在一个或几个晶格常数的线度内的晶格周期性破坏，包括空位、填隙原子、杂质原子等。杂质原子：杂质原子进入晶体后，可以处在间隙位置上形成填隙式杂质原子，也可以占据空位形成替位式原子。填隙原子：如果脱离格点的原子进入晶格中的间隙位置，从而形成填隙原子；空位：晶体某些原子振动剧烈，脱离格点而跑到表面上，在内部留下了空格点，形成空位。1弗仑克尔缺陷（Fre

2、nkeldefect）金属和离子晶体中都会由于热运动的能量涨落，使原子或离子脱离格点进入晶体中的间隙位置，从而同时出现空位和填隙原子（离子）。这种成对的空位和填隙原子称为弗仑克尔缺陷。一、热缺陷：由热起伏引起的空位和填隙原子在离子晶体中，正、负离子都可以各自形成“空穴—填隙离子对”（弗仑克尔缺陷）。2肖特基缺陷（Schottkydefect）。在一定温度，晶体中原子由于热涨落获得足够能量，离开格点位置，迁移至晶体表面，于是在晶体中出现不被原子占据的空格点，称为空位，也称肖特基缺陷。肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的位置，晶体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基

3、缺陷时，伴随表面原子的增多，晶体的质量密度会有所减小。形成填隙原子时，原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大，因此当温度不太高时，肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。3晶体内部只有填隙原子晶体表面上的原子跑到晶体内部的间隙位置，这样晶体内部只有填隙原子，填隙原子与晶体表面上原子处于平衡二替位式杂质原子(离子)替位杂质：落在晶体的正常格点位置的杂质原子。○形成原因：1、化学不纯2、掺杂（有目的）半导体制备过程中，在高纯Si、Ge单晶内掺杂微量三价B、Al、Ga、In或五价P、As、Sn等，占据正常格点的原子位置刚玉（－Al2O3）是白色

4、的，掺杂少量Cr2O3，Cr3＋代替Al3＋，变成红宝石，红宝石激光器所用的红宝石，Cr3＋产生的替位式缺陷就是发光中心，即激活中心。将碱卤晶体放在碱金属的蒸气中加热，然后骤冷到室温，原来透明的晶体就出现了颜色，氯化钠变成淡黄色，氯化钾变成紫色，氟化锂变成粉红色等等。这些晶体的吸收光谱在可见光区有一个钟形的吸收带，称为F带，产生这个吸收带的吸收中心称为F心。吸收光的波长与晶格常数的平方成正比。λ∝a2三色心在中性的离子晶体中出现空位而改变晶体颜色，这种能改变晶体颜色的空位称为色心F心：机制：在增色过程中，碱金属原子扩散到晶体内，并以一价离子的形式占据晶格正离子位置

5、并多余一个电子，该电子可以在晶体中巡游。如果过多的碱金属原子进入到晶体中，会破坏原来的化学配比，必然在晶格中形成负离子空位，而原来碱金属原子上的一个电子被负离子空位所俘获。负离子空位是一个带正电的缺陷，要吸收多余的电子以保持电中性F心=负离子空位+电子F心的组态与氢原子相似，可以用类氢模型处理，F吸收带可看成是电子从氢基态1s到第一激发态2p跃迁产生，本来是一条吸收线，但是由于晶格振动影响使谱线加宽成吸收带。V心：将碱卤晶体放在卤素的蒸气中加热，然后骤冷到室温，造成卤素过剩，在晶体中出现正离子空位，形成负电中心，将束缚一个电子空穴，称为V心。V心=正离子空位+电子

6、空穴在晶体紫外区域出现新的吸收带，称为V带。此外还有R、M、N、V2、V3等色心当电子进入完整离子晶体后，会使原来的周期性势场发生局部的畸变，从而构成点缺陷。四、极化子极化子（准粒子）＝电子＋晶格的极化畸变电子吸引正离子，排斥负离子，从而导致极化，离子极化产生库仑力阻止电子逃逸，即电子“自陷”§5－2热缺陷的统计理论1热缺陷的数目晶体中格点位置上的原子或离子可以看作是处于自己的势能最低的平衡位置，实际上是在平衡位置附近振动。它们的热振动的能量有涨落，当能量大到一定程度时，原子有可能脱离原来的格点，移到邻近的原子空隙中，失去多余的动能后就被束缚在那里成为填隙原子。填

7、隙原子经过一段时间后，可能返回原来位置，和空位复合；也可能移到较远的间隙中去。这样形成的空位和填隙原子称为热缺陷。热缺陷的数目越多，所需要的能量就越多，内能的增加也越大。因此系统的自由能是热缺陷数目的函数。由平衡时系统的自由能取极小值可求出热缺陷的数目。设热平衡时空位的数目为n1，每形成一个空位所需的能量为u1，由于这n1个空位的形成，晶体的熵改变量为S1，则自由能的改变量为：其中W为相应的微观状态数假设空位的产生不引起振动的微观状态数的改变，则在每一种排列方式中，都包含了由原来振动所决定的微观状态数W0，由于空位的出现，原子排列的可能方式增加了W1，晶格中有n1

8、个空位时，