固體電子第六章

1、第四章第四章 晶體缺陷晶體缺陷 缺陷：原子排列偏離嚴格的周期性。缺陷：原子排列偏離嚴格的周期性。 晶體中缺陷的存在，影響到晶體的許多物理性質(zhì)晶體中缺陷的存在，影響到晶體的許多物理性質(zhì)和物理過程。和物理過程。 v缺陷的分類缺陷的分類v 費侖克缺陷費侖克缺陷v 熱缺陷熱缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷v 點缺陷點缺陷 雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子 反肖特基缺陷反肖特基缺陷v 色心色心v 棱位錯棱位錯v缺陷缺陷 線缺陷線缺陷 位錯位錯v 螺位錯螺位錯v 面缺陷面缺陷 層錯層錯 小角晶界小角晶界 晶粒間界晶粒間界v v 體缺陷體缺陷4.1 點缺陷一、點缺陷一、點缺陷點缺陷：范圍在點缺陷：范圍在1幾個晶格常數(shù)幾個晶格常數(shù)

2、 a 內(nèi)的缺陷。內(nèi)的缺陷?？瘴唬赫駝觿×視r，原子脫離格點后，運動空位：振動劇烈時，原子脫離格點后，運動 到表面或間隙位置，內(nèi)部留下的空格點。到表面或間隙位置，內(nèi)部留下的空格點。間隙原子：脫離格點的原子，進入晶格間隙位間隙原子：脫離格點的原子，進入晶格間隙位 置。置。二、熱缺陷：由于晶體中原子或離子熱運動二、熱缺陷：由于晶體中原子或離子熱運動 產(chǎn)生的點缺陷。產(chǎn)生的點缺陷。1、費侖克費侖克Frenkel缺陷缺陷： 離開格點的原子全部進入間隙位置，離開格點的原子全部進入間隙位置，晶體內(nèi)空位與間隙原子數(shù)相等。晶體內(nèi)空位與間隙原子數(shù)相等。費侖克缺陷費侖克缺陷2、肖特基肖特基Schottky缺陷缺陷： 離

3、開格點的原子全部運動到表面，形離開格點的原子全部運動到表面，形成新表面，晶體內(nèi)只存在空位。成新表面，晶體內(nèi)只存在空位。新表面新表面3、反肖特基缺陷反肖特基缺陷：晶體表面原子進入體內(nèi)形晶體表面原子進入體內(nèi)形 成間隙原子。成間隙原子。無位錯單晶空位腐蝕坑無位錯單晶空位腐蝕坑高溫退火后空位腐蝕坑高溫退火后空位腐蝕坑4、形成能、形成能空位形成能空位形成能：原子脫離格點后運動到晶體表原子脫離格點后運動到晶體表 面所需要的能量。面所需要的能量。間隙原子形成能：原子脫離格點后運動到間間隙原子形成能：原子脫離格點后運動到間 隙位置所需要的能量。隙位置所需要的能量。 一般而言，空位形成能小于間隙原子形成能。一般

4、而言，空位形成能小于間隙原子形成能。5、空位運動與復(fù)合、空位運動與復(fù)合空位運動：空位和間隙原子是運動的，空位附近的空位運動：空位和間隙原子是運動的，空位附近的 原子跳到空位上叫空位運動。原子跳到空位上叫空位運動。復(fù)合：間隙原子與空位相遇時，產(chǎn)生復(fù)合。復(fù)合：間隙原子與空位相遇時，產(chǎn)生復(fù)合。空位運動空位運動6、熱缺陷數(shù)目的統(tǒng)計計算(1)肖特基缺陷數(shù)目肖特基缺陷數(shù)目 晶體有晶體有 N 個粒子組成，空位形成能為個粒子組成，空位形成能為 u1。溫溫度度T下，空位產(chǎn)生和復(fù)合達到平衡，缺陷數(shù)目不下，空位產(chǎn)生和復(fù)合達到平衡，缺陷數(shù)目不變。形成變。形成 n1個空位，晶體內(nèi)能的增加個空位，晶體內(nèi)能的增加11unu

5、 N個粒子占據(jù)個粒子占據(jù) N+n1個格點的組合方式（簡并函數(shù)）個格點的組合方式（簡并函數(shù)）!)!(111nNnNCNnN 系統(tǒng)熵變系統(tǒng)熵變 lnkS 系統(tǒng)自由能變化系統(tǒng)自由能變化!)!(ln1111nNnNkTunSTUF 系統(tǒng)平衡時自由能最小系統(tǒng)平衡時自由能最小運用大數(shù)公式dxxxdln!ln 01 TnF空位數(shù)空位數(shù)：kTueNn11 同理可證明，溫度為 T 時，N 個原子形成的晶體中費侖克缺陷對數(shù)目kTuffNen2 三、色心：空位能吸收可見光使透明的晶體三、色心：空位能吸收可見光使透明的晶體 出現(xiàn)顏色。出現(xiàn)顏色。四、雜質(zhì)原子四、雜質(zhì)原子1、間隙式雜質(zhì)原子間隙式雜質(zhì)原子：雜質(zhì)原子的半徑比

6、晶 格原子半徑小時，易形成間隙式。2、替位式雜質(zhì)原子替位式雜質(zhì)原子：雜質(zhì)原子的半徑與晶 格原子半徑相近時，易形成替位式。r雜雜 r晶晶r雜雜 r晶晶間隙式間隙式替位式替位式半導(dǎo)體中的雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)v半導(dǎo)體中的摻雜（極微量），對半導(dǎo)體的性質(zhì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。產(chǎn)生決定性的影響。 例，105個Si摻入1個B原子，電導(dǎo)率提高103倍。 無意摻雜無意摻雜 源材料源材料 工藝工藝 控制材料性質(zhì)控制材料性質(zhì) 制成各類器件制成各類器件雜質(zhì)來源雜質(zhì)來源有意摻雜有意摻雜1、形變、形變 彈性形變：晶體受外力較小時，形變遵從虎克定律。彈性形變：晶體受外力較小時，形變遵從虎克定律。 范性形變：晶體受外力

7、較大時，永久形變或斷裂。范性形變：晶體受外力較大時，永久形變或斷裂。 2、滑移、滑移:當晶體發(fā)生范性形變時，某晶面沿某方向移動。當晶體發(fā)生范性形變時，某晶面沿某方向移動。一般而言，一般而言，滑移總是沿著原子排列較密的晶向和晶面進滑移總是沿著原子排列較密的晶向和晶面進 行行。3、位錯：某一條線（位錯線）附近的原子排列與完整、位錯：某一條線（位錯線）附近的原子排列與完整 的晶格不同。的晶格不同。4.2 線缺陷線缺陷 位錯位錯一、形變與位錯一、形變與位錯二、位錯的類型二、位錯的類型1、棱位錯（刃位錯棱位錯（刃位錯）xbABCD沿沿ABCD面把晶體切開，沿面把晶體切開，沿 x 反方向推，使表面向負反方

8、向推，使表面向負x方向方向滑移一個原子間距滑移一個原子間距 b . ABCD 滑移面滑移面 AD 位錯線位錯線 b 滑移矢量滑移矢量棱位錯的特點：棱位錯的特點：b AD 從從 z 的反方向（由上向下）看的反方向（由上向下）看多余半晶面多余半晶面yxz推推2、螺位錯、螺位錯xz沿沿ABCD面把晶體切開，面把晶體切開，沿沿 z 反方向推，使表面向反方向推，使表面向下滑移一個原子間距下滑移一個原子間距 b . ADEF 滑移面滑移面 AD 位錯線位錯線 b 滑移矢量滑移矢量螺位錯的特點：螺位錯的特點：b AD b3、混合位錯、混合位錯 實際晶體中通常既有棱位錯也有螺位錯。實際晶體中通常既有棱位錯也有

9、螺位錯。yxzEABCDF棱位錯棱位錯 螺位錯螺位錯多余半晶面bb棱位錯腐蝕坑棱位錯腐蝕坑螺位錯腐蝕坑螺位錯腐蝕坑1、位錯特性、位錯特性（1）位錯線是非幾何線，而是）位錯線是非幾何線，而是“管道管道”線。位錯線線。位錯線 延伸到表面才終止。延伸到表面才終止。（2）器件擊穿多是在位錯地方。）器件擊穿多是在位錯地方。（3）位錯附近原子能量大，不穩(wěn)定，易被雜質(zhì)原子）位錯附近原子能量大，不穩(wěn)定，易被雜質(zhì)原子 代替、易被腐蝕。代替、易被腐蝕。（4）位錯在有條件時發(fā)生運動，從高能位置轉(zhuǎn)移倒）位錯在有條件時發(fā)生運動，從高能位置轉(zhuǎn)移倒 低能位置。低能位置。三、位錯的特性三、位錯的特性 位錯密度位錯密度2、位錯

10、密度、位錯密度（1）位錯體密度：單位體積內(nèi)位錯線的長度。）位錯體密度：單位體積內(nèi)位錯線的長度。（2）位錯面密度：單位面積內(nèi)腐蝕坑數(shù)。）位錯面密度：單位面積內(nèi)腐蝕坑數(shù)。VLD SnEPS SiGe圖形外延剖面結(jié)構(gòu)示意圖 SiGe材料材料MBE圖形外延圖形外延圖形外延薄膜位錯顯微照片圖形外延薄膜位錯顯微照片 CrO3:HF1:1腐蝕液腐蝕液 室溫下腐蝕樣片室溫下腐蝕樣片7分鐘分鐘 襯底為（襯底為（100）晶面，位錯腐蝕坑為正方形）晶面，位錯腐蝕坑為正方形圖形邊界處未發(fā)生位錯堆積圖形邊界處未發(fā)生位錯堆積 位錯密度為位錯密度為0.3103cm-2 1.2103cm-2 三、位錯的運動三、位錯的運動 晶

11、體的滑移，理論上臨界切應(yīng)力比實驗大晶體的滑移，理論上臨界切應(yīng)力比實驗大34倍。實際晶體與理想晶體的差值，歸因于實際晶倍。實際晶體與理想晶體的差值，歸因于實際晶體的非完整性，即晶體的缺陷。體的非完整性，即晶體的缺陷。1、位錯的滑移、位錯的滑移FGKHF GH切應(yīng)力切應(yīng)力b刃位錯附近原子受力與位錯滑移BBCCBBCC螺位錯的滑移螺位錯的滑移2、位錯的攀移、位錯的攀移多余半晶面的延伸或縮短多余半晶面的延伸或縮短4.4 原子的擴散及微觀機制一、擴散類型一、擴散類型 自擴散自擴散：晶體中的自身原子的擴散。 雜質(zhì)原子擴散雜質(zhì)原子擴散：外來雜質(zhì)原子在晶體中擴散。二、擴散的微觀機制 空位機制空位機制：空位鄰近的原子有一定幾率跳到空位上去，從而實現(xiàn)空位擴散。 間隙機制間隙機制： 原子從