固體物理第課晶體缺陷PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1固體物理第課晶體缺陷固體物理第課晶體缺陷4.1 4.1 晶體缺陷的分類晶體缺陷的分類微缺陷：漩渦缺陷物體缺陷：包裹體、夾雜界面缺陷：堆垛層錯、晶線缺陷：位錯 點缺陷)雜質(zhì)原子、色心(化學(xué)結(jié)構(gòu)缺陷)空位、間隙原子(本征點缺陷：按缺陷的幾何構(gòu)型分：第1頁/共47頁4.2 點缺陷點缺陷第2頁/共47頁1. 1. 熱缺陷：熱缺陷：由于熱振動的能量起伏離開晶格位置由于熱振動的能量起伏離開晶格位置(1)夫倫克耳缺陷：因為熱漲落由格點跳進間隙位置，晶體中空位和間隙原子成對出現(xiàn)。(2)肖特基缺陷：鄰近表面的原子由于熱漲落跳進晶體表面，晶體內(nèi)部留有空位（容易產(chǎn)生）。(3)反向過程：上述過程反向。(4)間

2、隙原子：夫倫克爾缺陷和反向肖特基缺陷的組合。由于形成間隙原子要做功,因此一般形成肖特基缺陷的可能性大。缺陷演示缺陷演示第3頁/共47頁熱缺陷的統(tǒng)計理論熱缺陷的統(tǒng)計理論達到熱力學(xué)平衡狀態(tài)時，晶體的自由能最小。度度的的物物理理量量熵熵，描描述述宏宏觀觀系系統(tǒng)統(tǒng)無無序序絕絕對對溫溫度度晶晶體體的的內(nèi)內(nèi)能能自自由由能能 STUFTSUF自由能：熱力學(xué)中描述物態(tài)的函數(shù)數(shù)數(shù)對對應(yīng)應(yīng)的的可可能能的的微微觀觀狀狀態(tài)態(tài)系系統(tǒng)統(tǒng)的的某某一一宏宏觀觀狀狀態(tài)態(tài)所所玻玻爾爾茲茲曼曼熵熵公公式式： lnBkS第4頁/共47頁第5頁/共47頁以肖特基缺陷為例：以肖特基缺陷為例：設(shè)晶體中有N+n個格點，n個空位，每個空位的形

3、成能為u1。則：!)!(ln !)!(ln !)!( 11nNnNTknuFSTUFTSUFnNnNkSnNnNCnNnuUBBnnN系統(tǒng)自由能的改變導(dǎo)致熵的增加量的排列方式為個格點，因而N個原子整個晶體包含，其內(nèi)能增加晶體中存在n個空位時第6頁/共47頁TkuTkuBTBBNeenNnnnNTkunF/111)(0)(ln0 ：晶體中的空位數(shù)為于是有與n有關(guān)，平衡條件，且只有F根據(jù)自由能取極小值的 )( ln)ln(x!d 斯特令公式斯特令公式時：時：xdxx )!( !nmnmCnm 第7頁/共47頁2. 雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子(1) 替代式雜質(zhì) 容易產(chǎn)生（E增加小，組態(tài)熵S的變化S相當大，引起

4、自由能降低。）(2) 間隙式雜質(zhì)（ E和S變化相當大）溶劑原子 溶質(zhì)原子 彈性畸變中心間隙原子很小第8頁/共47頁雜質(zhì)原子的作用雜質(zhì)原子的作用濃度/cm31019N型輕摻雜N-N重摻雜N+P型輕摻雜P-P重摻雜P+第9頁/共47頁第10頁/共47頁3. 輻照缺陷輻照缺陷 1.5 Mev中子 撞擊晶格中的原子，形成初級原子，能量為105 eV（銅），假設(shè)初級原子在進一步撞擊其它原子時，每個原子的位移能為25eV，則能夠撞出4000個銅原子。 快中子累積強度1023/m2 撞出的銅原子數(shù)約為 41028/m3，約是固體中銅原子的 1% 嚴重空洞，大小約為100第11頁/共47頁4. 4. 色心：能

5、吸收可見光的點缺陷色心：能吸收可見光的點缺陷第12頁/共47頁鹵鹵 化化 堿堿 晶晶 體體 的的 F 帶帶返回第13頁/共47頁返回 F F心模型心模型第14頁/共47頁F F心的電子能態(tài)心的電子能態(tài)電子能態(tài)可用類氫模型處理，F(xiàn)帶的吸收是由于電子從基態(tài)1s到第一激發(fā)態(tài)2P 態(tài)的躍遷形成的。第一激發(fā)態(tài)2PF吸收基態(tài)1S第15頁/共47頁第16頁/共47頁作業(yè)作業(yè)1)2(TkWBBeNn第17頁/共47頁4.3 晶體中的擴散晶體中的擴散擴散是通過點缺陷的遷移來實現(xiàn)的 基基質(zhì)質(zhì)原原子子自自擴擴散散外外來來雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子合合金金擴擴散散擴擴散散 1. 擴散的宏觀規(guī)律(1) 費克第一定律33222mo

6、l/m /m ),(/m mol/m /m 個。：原子濃度，?？炻牧浚簲U散系數(shù)，反映擴散物質(zhì)的量。個通過單位面積的擴散：擴散流，單位時間內(nèi)tzyxnnSDSSJnDJ原子在晶體中遷移過程，是熱缺陷的重要原因。第18頁/共47頁kznjynixngradnnnkzjyixnDJ ：濃濃度度梯梯度度。：哈哈密密爾爾頓頓算算子子。 )(0 0tn 洞洞有有匯匯有有源源：擴擴散散流流的的散散度度。：擴擴散散物物質(zhì)質(zhì)的的連連續(xù)續(xù)性性方方程程 JJzJyJxJJdivJJJzyx(2) 費克第二定律費克第二定律擴散流的方向和濃度梯度的方向相反第19頁/共47頁邊界條件：N(0,t)=N, N( ,t)=

7、0 初始條件：N(x,0)=04exp),(2DtxDtQtxN第20頁/共47頁)(022222222)(tn TkBeDDznynxnnnDnDJ在一定范圍內(nèi)：第21頁/共47頁2 擴散的微觀機制擴散的微觀機制(1) 空位機制（演示）(2) 間隙機制（演示）(3) 復(fù)合機制（演示）(4) 易位機制（演示）返回第22頁/共47頁4. 易位機制 2. 間隙機制擴散的微觀機制（圖）擴散的微觀機制（圖）1. 空位機制4. 易位機制 3. 復(fù)合機制 2. 間隙機制第23頁/共47頁3 點缺陷的遷移率點缺陷的遷移率振動頻率和周期。分別是空位近鄰原子的和 由上式可知：1010/10/1011/10111

8、111 veevpePTkETkETkEBBB第24頁/共47頁2：間隙原子在某個間隙位置上的平均停留時間。20：振動頻率 20：振動周期，201/ 20TkEBeE/22 玻爾茲曼統(tǒng)計：玻爾茲曼統(tǒng)計：勢壘高度：勢壘高度對于間隙原子，可用類似方法求得。P2：間隙原子的遷移率，即指該原子在單位時間內(nèi)從一個間隙位置跳到相鄰間隙位置的幾率 TkETkEBBeeP/202/20222 間隙原子：間隙原子：221P 第25頁/共47頁4擴散系數(shù)和溫度的關(guān)系擴散系數(shù)和溫度的關(guān)系擴散運動是粒子的布朗運動。擴散運動是粒子的布朗運動。 時間時間：一次布朗行程的平均：一次布朗行程的平均：布朗行程的方均值：布朗行程

9、的方均值布朗運動：布朗運動： 22 21llD1122 nnN，nnNnNnaal才靠近擴散原子，因此時間間隔n步，經(jīng)歷nN即空位平均跳躍位的幾率為在擴散原子附近出現(xiàn)空是晶格常數(shù)空位機制：第26頁/共47頁TkEuTkEuBBeaDeaD/ )(2022/ )(102122112121 間隙機制：間隙機制：空位機制：空位機制：直線的斜率確定過滿足線性關(guān)系，可以通和：激活能：常數(shù)TDTkDDDeDDBTkB1ln 1lnln 00/0TkEuTkETkuBBBeaeeaPnNnannNaD/ )(102/10/21212111112121 2121 第27頁/共47頁4.4 離子晶體的點缺陷及導(dǎo)

10、電性離子晶體的點缺陷及導(dǎo)電性E無外場E有外場間隙離子的勢壘間隙離子的勢壘( (正負離子的差別正負離子的差別) )2(10)2(10TkeVaETkeVaEBBePeP右左)()(20愛因斯坦關(guān)系DTkeVeaTkevBVTkEBdB在室溫k時，VT為0.026V，即第28頁/共47頁4.5 位錯位錯范性形變: 應(yīng)力超過彈性極限后,晶體發(fā)生的永久形變. 1950 滑移現(xiàn)象（示意圖）沿密勒指數(shù)較低面，F(xiàn)CC111,BCC110112123沿原子最密排方向，F(xiàn)CC,BCC（1）刃型位錯 （示意圖）特點：位錯線 滑移矢量b. 運動：(演示)(2) 螺型位錯 （示意圖）特點：位錯線 / 滑移矢量b. 運

11、動：第29頁/共47頁滑滑 移移 示示 意意 圖圖返回滑移面：密勒指數(shù)比較低的晶面滑移方向：原子的最密排方向第30頁/共47頁刃刃 型型 位位 錯錯 示示 意意 圖圖 返回滑移面：ABCD晶面滑移方向：AD方向刃型位錯 “”位錯線)()(衡距離衡距離滑移方向的原子間的平滑移方向的原子間的平為為方向沿滑移方向，大小方向沿滑移方向，大?。翰袼故噶坎袼故噶炕剖噶炕剖噶縝第31頁/共47頁刃刃 型型 位位 錯錯 的的 運運 動動返回滑移運動：位錯線移動方向、外界切應(yīng)力方向和滑移矢量方向一致第32頁/共47頁第33頁/共47頁螺螺 型型 位位 錯錯 示示 意意 圖圖返回滑移運動：滑移方向/外界切應(yīng)力方向滑移方向位錯線移動方向位錯線滑移方向滑移矢量位錯線移動方向位錯線可以在以b為軸的任意圓柱面內(nèi)移動第34頁/共47頁第35頁/共47頁第36頁/共47頁4.6 晶體中的其它缺陷晶體中的其它缺陷1. 堆垛層錯 （示意圖）(1) 抽出型層錯（演示）(2) 插入型層錯范 （演示）2. 小角晶界 （示意圖） （演示）3. 體缺陷：包裹體4. 微缺陷：漩渦缺陷（硅、GaAs）第37頁/共47頁第38頁/共47頁第39頁/共47頁堆堆 垛垛 層層 錯錯 示示 意意 圖圖返回抽出型層錯插入型層錯第40頁/共47頁原子鋪排方式：密排