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晶体

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：

电子与电气工程学院

专业：

微电子技术

班号：

微电071

学生姓名：

周阳

学生学号：

0706033139

设计（论文）题目：

晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

指导教师：

刘民建

设计地点：

常州职业技术学院

起迄日期：

2009.7.1—2009.8.22

毕业设计（论文）任务书

专业微电子技术班级微071姓名周阳

一、课题名称：

晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

2、主要技术指标：

1、晶体缺陷的定义和分类2、半导体材料的分类

3、本征点缺陷及本征半导体4、本征点缺陷的定义

5、本征半导体的定义6杂质点缺陷及杂质半导体

7、掺杂半导体的定义和导电原理杂8、质点缺陷和掺杂半导体的实际应用

3、工作内容和要求：

1、晶体缺陷的定义和分类，充分了解晶体缺陷的定义以及晶体缺陷的分类；2、半导体材料的分类，充分了解半导体材料的类型；3、本征点缺陷及本征半导体，充分了解点缺陷的分类以及本征半导体的定义等；4、本征点缺陷的定义，了解点缺陷的定义；5、本征半导体的定义，了解本正半导体的定义；6杂质点缺陷及杂质半导体，了解杂质点缺陷和杂志半导体的基本定义和类型；7、掺杂半导体的定义和导电原理，充分了解参杂半导体的定义和导电原理的基本定义；8、杂质点缺陷和掺杂半导体的实际应用，充分了解杂质点缺陷和杂志半导体在现实生活和研究中的应用

四、主要参考文献：

1、于长凤,朱小平.缺陷化学概论.武汉:

武汉理工大学出版社,2006:

4-16,33~42

2、张兴,黄如,刘晓彦.微电子学概论.第二版.北京:

北京大学出版社,2005:

15

3、晁月盛,张艳辉.功能材料物理.沈阳:

东北大学出版社,2006

学生（签名）2009年6月26日

指导教师（签名）2009年6月26日

教研室主任（签名）2009年6月27日

系主任（签名）2009年6月28日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

一、选题的背景和意义：

在二十世纪初叶，人们为了探讨物质的变化和性质产生的原因，纷纷从微观角度来研究晶体内部结构，特别是X射线衍射的出现，揭示出晶体内部质点排列的规律性，认为内部质点在三维空间呈有序的无限周期重复性排列，即所谓空间点阵结构学说。

晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。

对于半导体材料的制备和研究，研究晶体缺陷具有尤其重要的指导性意义。

二、课题研究的主要内容：

1、晶体缺陷的定义和分类2、半导体材料的分类

3、本征点缺陷及本征半导体4、本征点缺陷的定义

5、本征半导体的定义6杂质点缺陷及杂质半导体

7、掺杂半导体的定义和导电原理杂8、质点缺陷和掺杂半导体的实际应用

三、主要研究（设计）方法论述：

主要的研究方法包括以下三个方面：

整理搜集相关的知识；提纲法；逻辑整理分析法。

1、在整理搜集相关知识方面：

我这次论文主要是关于太阳能电池方面的知识，所以主要搜集这方面的基本知识，制造工艺之类的；通过查阅书本资料，学习的相关专业课程的书本知识，以及上网搜索的一些资料，准备资料。

2、提纲法：

主要是通过列出自己所要论述的主要提纲，在这一阶段，我们必须把自己论文的主要思路搞明白，搞清楚，为书写论文打下一个良好的基础。

3、逻辑整理分析法：

把自己搜集的相关资料结合自己所学习的专业知识搞懂、掌握，然后根据资料来书写自己的论文，这一步骤主要是建立在前两步的基础之上的；

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2009.7.1～2009.7.15

重点工作是确定论文题目，搜集相关资料，为写论文打基础

2009.7.16～2009.7.30

重点工作是列出论文提纲，根据提纲写出论文主要内容

2009.8.1～2009.8.13

根据论文提纲，完成论文初稿

2009.8.14～2009.8.20

对论文初稿进行修改，完成论文，并准备答辩

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

2009年7月3日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

2009年7月4日

目录

【摘要】

【关键词】

【引言】

第一章晶体缺陷的定义和分类

1．1晶体缺陷的定义………………………………………………………………5

1．2晶体缺陷的分类………………………………………………………………5

1.2.1H.Pick分类法…………………………………………………………………6

1.2.2几何分类法……………………………………………………………………6

第二章半导体材料简介

2.1半导体材料的定义…………………………………………………………11

2.2半导体材料的特点…………………………………………………………11

2.3半导体材料的应用…………………………………………………………11

第三章几种重要的晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

3.1本征点缺陷及本征半导体…………………………………………………11

3.1.1本征点缺陷的定义…………………………………………………………11

3.1.2本征半导体的定义……………………………………………………………11

3.1.3本征半导体的导电原理………………………………………………………11

3.1.4本征点缺陷的实际应…………………………………………………………11

3.2杂质点缺陷及杂质半导体……………………………………………………12

3.2.1杂质点缺陷的定义……………………………………………………………12

3.2.2掺杂半导体的定义和导电原理………………………………………………12

3.2.3杂质点缺陷和掺杂半导体的实际应用………………………………………12

第四章结束语………………………………………………………………………13

第五章答谢词………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………………………13

晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

摘要：

少量晶体缺陷对于晶体的电磁学性能就能够产生重要影响，因而可以根据不同的晶体缺陷，开发制备具有不同性能的半导体材料，以适应人们不同的实际需要。

本文简要介绍了晶体缺陷的定义和分类，以及不同晶体缺陷在半导体材料方面的应用。

关键词：

晶体缺陷迁移半导体材料

Crystaldefectsinsemiconductormaterialsandtheirapplications

Abstract:

Forasmallamountofcrystaldefectsoftheelectromagneticpropertiesofcrystalscanhaveasignificantimpact,andthusenablethedifferentcrystaldefects,developmentofdifferentpropertiesofthepreparationofsemiconductormaterialsinordertoadapttotheactualneedsofdifferentpeople.Thispaperintroducesthedefinitionofcrystaldefectsandclassification,aswellasthedifferentcrystaldefectsintheapplicationofsemiconductormaterials.

Keywords:

Crystaldefects

Migration

Semiconductor

Material

0．引言

在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。

这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。

相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。

晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。

对于半导体材料的制备和研究，研究晶体缺陷具有尤其重要的指导性意义。

本文着重对晶体缺陷及其在半导体材料工业方面的应用进行介绍。

第一章、晶体缺陷的定义和分类

1．1晶体缺陷的定义

在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。

1926年Frenkel首先指出，在任一温度下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。

我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷（defectsofcrystals）。

1．2晶体缺陷的分类

1.2.1H.Pick分类法

H.Pick建议将晶体缺陷分为三类：

化学缺陷、结构缺陷和电的缺陷。

①化学缺陷：

存在于晶体中的异类原子（杂质或溶质原子）在晶体中呈间隙性或置换型；

②结构缺陷：

晶体中某些原子或离子不作规则排列，偏离或不在点阵位置上；

③电的缺陷：

晶体中某些区域的电荷不作严格周期性分布。

显然，前两类缺陷必然伴随有电荷的不严格周期性分布，所以，这里的第三类缺陷是指在不发生第一、第二类缺陷时存在的电缺陷，比如自由电子、空穴等。

本文主要讨论前两类晶体缺陷，即原子尺度的晶体缺陷。

1.2.2几何分类法

传统一般按照晶体缺陷的几何线度来划分不同类型。

相对于无限大的完整晶体，我们可以将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等几类。

[1]其中点缺陷是基本形式，其他的晶体缺陷都可以看成是由点缺陷构成的。

根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：

点缺陷：

在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。

线缺陷：

在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。

面缺陷：

在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。

体缺陷：

在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。

①点缺陷

也称为零维缺陷，指在晶体各方面的延伸都很小，属于原子尺度的缺陷；

按形成的原因不同分三类：

1热缺陷（晶格位置缺陷）

在晶体点阵的正常格点位出现空位，不该有质点的位置出现了质点（间隙质点）。

2组成缺陷

外来质点（杂质）取代正常质点位置或进入正常结点的间隙位置。

3电荷缺陷

晶体中某些质点个别电子处于激发状态，有的离开原来质点，形成自由电子，在原来电子轨道上留下了电子空穴。

1.缺陷符号及缺陷反应方程式

缺陷符号以二元化合物MX为例

1） 晶格空位：

正常结点位没有质点，VM，VX

2） 间隙离子：

除正常结点位置外的位置出现了质点，Mi，Xx

3） 错位离子：

M排列在X位置，或X排列在M位置上，若处在正常结点位置上，则MM，XX

4） 取代离子：

外来杂质L进入晶体中，若取代M，则LM，若取代X，则LX，若占据间隙位，则Li。

5） 自由电子e’（代表存在一个负电荷），，表示有效电荷。

6） 电子空穴h·（代表存在一个正电荷），·表示有效正电荷

如

从NaCl晶体中取走一个Na+，留下一个空位造成电价不平衡，多出负一价。

相当于取走Na原子加一个负有效负电荷，e失去→自由电子，剩下位置为电子空穴h·

7） 复合缺陷

同时出现正负离子空位时，形成复合缺陷，双空位。

VM+VX→（VM-VX）

缺陷反应方程式

必须遵守三个原则

1） 位置平衡——反应前后位置数不变（相对物质位置而言）

2） 质点平衡——反应前后质量不变（相对加入物质而言）

3） 电价平衡——反应前后呈电中性

例：

将CaCl2引入KCl中：

将CaO引入ZrO2中

注意：

只从缺陷反应方程看，只要符合三个平衡就是对的，但实际上往往只有一种是对的，这要知道其它条件才能确定哪个缺陷反应是正确的。

确定

（1）式密度增加，要根据具体实验和计算。

2.热缺陷（晶格位置缺陷）

只要晶体的温度高于绝对零度，原子就要吸收热能而运动，但由于固体质点是牢固结合在一起的，或者说晶体中每一个质点的运动必然受到周围质点结合力的限制而只能以质点的平衡位置为中心作微小运动，振动的幅度随温度升高而增大，温度越高，平均热能越大，而相应一定温度的热能是指原子的平均动能，当某些质点大于平均动能就要离开平衡位置，在原来的位置上留下一个空位而形成缺陷，实际上在任何温度下总有少数质点摆脱周围离子的束缚而离开原来的平衡位置，这种由于热运动而产生的点缺陷——热缺陷。

热缺陷两种基本形式：

a-弗仑克尔缺陷,b-肖特基缺陷

图1.1两种基本热缺陷形式

（1）弗仑克尔缺陷

具有足够大能量的原子（离子）离开平衡位置后，挤入晶格间隙中，形成间隙原子离子），在原来位置上留下空位。

特点：

空位与间隙粒子成对出现，数量相等，晶体体积不发生变化。

在晶体中弗仑克尔缺陷的数目多少与晶体结构有很大关系，格点位质点要进入间隙位，间隙必须要足够大，如萤石（CaF2）型结构的物质空隙较大，易形成，而NaCl型结构不易形成。

总的来说，离子晶体，共价晶体形成该缺陷困难。

（2）肖特基缺陷

表面层原子获得较大能量，离开原来格点位跑到表面外新的格点位，原来位置形成空位这样晶格深处的原子就依次填入，结果表面上的空位逐渐转移到内部去。

特点：

体积增大，对离子晶体、正负离子空位成对出现，数量相等。

结构致密易形成肖特基缺陷。

晶体热缺陷的存在对晶体性质及一系列物理化学过程，导电、扩散、固相反应、烧结等产生重要影响，适当提高温度，可提高缺陷浓度，有利于扩散，烧结作用，外加少量填加剂也可提高热缺陷浓度，有些过程需要最大限度避免缺陷产生,如单晶生产，要非常快冷却。

3.组成缺陷

主要是一种杂质缺陷，在原晶体结构中进入了杂质原子，它与固有原子性质不同，破坏了原子排列的周期性，杂质原子在晶体中占据两种位置

（1）填隙位

（2）格点位

4.电荷缺陷（Chargedefect）

从物理学中固体的能带理论来看，非金属固体具有价带，禁带和导带，当在OR时，导带全部完善，价带全部被电子填满，由于热能作用或其它能量传递过程，价带中电子得到一能量Eg，而被激发入导带，这时在导带中存在一个电子，在价带留一孔穴，孔穴也可以导电，这样虽末破坏原子排列的周期性，在由于孔穴和电子分别带有正负电荷，在它们附近形成一个附加电场，引起周期势场畸变，造成晶体不完整性称电荷缺陷。

例：

纯半导体禁带较宽，价电带电子很难越过禁带进入导带，导电率很低，为改善导电性，可采用掺加杂质的办法，如在半导体硅中掺入P和B，掺入一个P，则与周围Si原子形成四对共价键，并导出一个电子，叫施主型杂质，这个多余电子处于半束缚状态，只须填加很少能量，就能跃迁到导带中，它的能量状态是在禁带上部靠近导带下部的一个附加能级上，叫施主能级，叫n型半导体。

当掺入一个B，少一个电子，不得不向其它Si原子夺取一个电子补充，这就在Si原子中造成空穴，叫受主型杂质，这个空穴也仅增加一点能量就能把价带中电子吸过来，它的能量状态在禁带下部靠近价带顶部一个附加能级，叫受主能级，叫P型半导体，自由电子，空穴都是晶体一种缺

图1.2施主能带图1.3受主能带

点缺陷在实践中有重要意义：

烧成烧结，固相反应，扩散，对半导体，电绝缘用陶瓷有重要意义，使晶体着色等。

②线缺陷

实际晶体在结晶时，受到杂质，温度变化或振动产生的应力作用或晶体由于受到打击，切割等机械应力作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，不再符合理想晶体的有序排列，形成线状缺陷。

位错直观定义：

晶体中已滑移面与未滑移面的边界线。

这种线缺陷又称位错，注意：

位错不是一条几何线，而是一个有一定宽度的管道，位错区域质点排列严重畸变，有时造成晶体面网发生错动。

对晶体强度有很大影响。

位错的基本类型及特征

位错主要有两种：

刃型位错和螺型位错。

1.刃型位错

图1.4刃型位错图1.5刃型位错截面的晶格情况

其形式可以设想为：

在一完整晶体，沿BCEF晶面横切一刀，从BC→AD，将ABCD面上半部分，作用以压力δ，使之产生滑移，距离（柏氏矢量晶格常数或数倍）滑移面BCEF，滑移区ABCD，未滑移区ADEF，AD为已滑移区交界线—位错线。

正面看简图：

如上图

滑移上部多出半个原子面，就象刀刃一样（劈木材）称刃型位错。

特点：

滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。

2.螺型位错

其形成可设想为：

在一完整晶体，沿ABCD晶面横切一刀，在ABCD面上部分沿X方向施一力δ，使其生产滑移，滑移区ABCD未滑移区ADEF，交界线AD（位错线）

图1.6螺型位错图1.7螺型位错滑移面上的原子排列

特点：

滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。

刃型位错与螺型位错区别：

a-正常面网,b-刃型位错,c-螺型位错

图1.8晶体中原子面网示意图

主要从各自特点区别：

刃型：

滑移方向与位错线垂直，多半个原子面，位错线可为曲线。

螺型：

滑移方向与位错线平行，呈螺旋状，位错线直线。

由于位错的存在对晶体的生长，杂质在晶体中的扩散，晶体内镶嵌结构的形成及晶体的高温蠕变性等一系列性质和过程都有重要影响。

晶体位错的研究方法：

通常用光学显微镜，X光衍射电子衍射和电子显微镜等技术进行直接观察和间接测定。

位错具有以下基本性质：

（1）位错是晶体中原子排列的线缺陷，不是几何意义的线，是有一定尺度的管道。

（2）形变滑移是位错运动的结果，并不是说位错是由形变产生的，因为一块生长很完事的晶体中，本身就存在很多位错。

（3）位错线可以终止在晶体的表面（或多晶体的晶界上），但不能终止在一个完事的晶体内部。

（4）在位错线附近有很大应力集中，附近原子能量较高，易运动。

③面缺陷

也称为二维缺陷，其特征是只在一维方向上的尺度很小；

涉及较大范围（二维方向）、晶界、晶面、堆垛层错。

1.晶面：

由于晶体表面处的离子或原子具有不饱和键，有很大反应活性，表面结构出现不对称性，使点阵受到很大弯曲变形，因而能量比内部能量高，是一种缺陷。

2.晶界：

晶粒之间交界面，晶粒间取向不同出现晶粒间界，在晶粒界面上的排列是一种过渡状态与两晶粒都不相同。

1）小角度晶界（镶嵌块）

尺寸在10-6-10-8m的小晶块，彼此间以几秒到的微小角度倾斜相交，形成镶嵌结构，有人认为是棱位错，由于晶粒以微小角度相交，可以认为合并在一起，在晶界面是形成了一系列刃型位错。

2）大角度晶界，各晶面取向互不相同，交角较大，在多晶体中，晶体可能出现大角度晶界。

在这种晶界中，顶点排列接近无序状态，晶界处是缺陷位置，所以能量较高，可吸附外来质点。

晶界是原子或离子扩散的快速通道，也是空位消除的地方，这种特殊作用对固相反应，烧结起重要作用，对陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕变、强度等力学性能和极化、损耗等介电性能影响较大。

3.堆垛层错

离子堆垛过程中发生了层次错动，出现堆垛层错，如面心立方堆积形式为ABCABCA……→ABCACBABC中间的B层和C层发生了层次错动，出现缺陷（一般了解）

非化学计量化合物

定义：

化合物中各元素的原子数之比不是简单的整数而出现了分数，如Fe1-xO,Cu2-xO,Co1-xO等。

④体缺陷

也称为三维缺陷，指晶体中在三维方向上相对尺度比较大的缺陷，和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。

固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。

关于半导体材料研究中常见的各类晶体缺陷的主要特点，将在本文的第三部分进行详细介绍。

第二章、半导体材料简介

2.1半导体材料的定义

传统上自然界中的物质大致分为气体、液体、固体和等离子体四种基本形态。

固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属、半导体和绝缘体。

通常我们认为金属的电导率为10～10（Ω·cm），绝缘体的电导率小于10（Ω·cm），电导率介于两者之间，即在10～10（Ω·cm）之间，称为半导体材料。

（宋体小四号）

2.2半导体材料的特点

（1）在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而呈指数性增加；

（2）半导体中杂质的种类和数量决定其电导率，而且在掺杂情况下，温度对电导率的影响较弱；

（3）在半导体中可以实现非均匀掺杂；

（4）光的辐照、高能电子的注入等因素可以影响半导体的电导率。

2.3半导体材料的应用

由于半导体的p－n结以及半导体同某些金属相接触的边界层，都具有单向导电或在光照下产生电势差的特性，故可以利用这些特性制成各种器件，如半导体二极管、三极管和集成电路等。

第三章、几种重要的晶体缺陷及其在半导体材料方面的应用

3.1本征点缺陷及本征半导体

3.1.1本征点缺陷的定义

研究表明，在0K以上的任何温度下，纯物质晶体中都存在点缺陷。

当点缺陷的浓度<1%（原子分数）时，点缺陷彼此分立存在；当缺陷浓度增加时，点缺陷将发生相互作用形成复杂的缺陷团。

晶体中这类呈热力学平衡态且不能被任何热处理或退火过程所消除的缺陷叫做本征点缺陷。

3.1.2本征半导体的定义

本征半导体是指极纯的半导体单晶材料，即假定该半导体中不存在任何杂质原子，且原子在空间的排列也遵从严格的周期性。

这种纯净材料被广泛研究的是锗（Ge）和硅（Si）[3]。

3.1.3本征半导体的导电原理

本征半导体的导电过程依赖于从满的价带到空的导带的激发电子和在价带产生的空穴。

这种激发可借助于能给满带电子提供大于禁带宽度能量的任一物理作用。

最常见的则是热激发，即在一定的温度下，由于晶格上原子的热振动，一部分价带电子获得一定的附加能量而跃迁至导带。

3.1.4本征点缺陷的实际应用

3.1.4.1ZnO

过量的Zn原子可以溶解在ZnO晶体中，进入晶格的间隙位置，形成间隙型离子缺陷，同时它把两个电子松弛地束缚在其周围，对外不表现出带电性。

但这两个电子是亚稳定的，很容易被激发到导带中去，成为准自由电子，使材料具有半导性。

3.1.4.2Fe3O4

FeO晶体中，全部的Fe2+离子和1/2量的Fe3+离子统计地分布在由氧离子密堆所构成的八面体间隙中。

因为在Fe2+—Fe3+—Fe2+—Fe3+—……之间可以迁移，Fe3O4是一种本征半导体。

3.2杂质点缺陷及杂质半导体

3.2.1杂质点缺陷的定义

杂质缺陷是由外来杂质进入晶体而产生的缺陷。

任何物质都不可能达到100%的纯净，或多或少总含有其他成分。

因此杂质缺陷是材料中不可避免的一种缺陷形式，也是很重要