缺陷化学实用教案

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1、本章(bn zhn)内容 3.1 3.1 缺陷化学基础 3.2 3.2 缺陷化学反应(huxu fnyng)(huxu fnyng) 3.3 3.3 非化学计量化合物 3.4 3.4 缺陷与半导体 3.5 3.5 材料与光的相互作用 3.6 3.6 热电材料及应用第1页/共106页第一页，共106页。3.1 3.1 晶体缺陷的分类(fn (fn li)li) 线缺陷线缺陷(quxin)(quxin)体缺陷体缺陷(quxin)(quxin)电子缺陷电子缺陷晶体缺陷晶体缺陷面缺陷面缺陷点缺陷点缺陷第2页/共106页第二页，共106页。点缺陷（零维缺陷）线缺陷（一维缺陷）面缺陷（二维缺陷）体缺陷（三

2、维缺陷）电子缺陷本征缺陷杂质缺陷位错位错处的杂质原子小角晶粒间界挛晶界面堆垛层错包藏杂质沉淀空洞导带电子价态空穴晶体缺陷位错缺陷空位缺陷间隙缺陷取代缺陷第3页/共106页第三页，共106页。3.1 点缺陷 Point Defect空位空位(kn wi)(kn wi)间隙原子间隙原子错位原子或离子错位原子或离子外来原子或离子外来原子或离子双空位双空位(kn wi)(kn wi)等复合体等复合体 点缺陷点缺陷(quxin)(quxin)（零维缺陷（零维缺陷(quxin)(quxin)） 第4页/共106页第四页，共106页。 Vacancies:-vacant atomic sites in a

3、structure. Self-Interstitials:-extra atoms positioned between atomic sites.点缺陷CommonRare第5页/共106页第五页，共106页。缺陷(quxin)图示VacancyInterstitial第6页/共106页第六页，共106页。 3.1 缺陷(quxin)化学符号 点缺陷名称点缺陷所带有效电荷缺陷在晶体中所占的格点 中性 正电荷 负电荷第7页/共106页第七页，共106页。3.1化学(huxu)缺陷符号化学缺陷符号含义VM金属离子空位Mi金属离子处在晶格间隙XM非金属阴离子处在金属阳离子位置上MX金属阳离子处在

4、非金属阴离子位置上(VMVX)或(MiXi)缺陷缔合LM引入的溶质L处在金属离子的位置上SX引入的溶质S处在非金属离子的位置上e电子h空穴第8页/共106页第八页，共106页。3.1 Kroger-Vink 记号(j ho)总结总结(zngji)符符号规则：号规则：P P缺陷缺陷(quxin)种类：缺种类：缺陷陷(quxin)原子原子M 或或 空位空位 VC 有效电荷数有效电荷数P 负电荷负电荷 正电荷正电荷（x 中性）中性）缺陷位置缺陷位置 （i 间隙）间隙）Max. C = P P 的电价的电价 P上的电价上的电价 （V，i 的电价的电价= 0） 有效电荷有效电荷实际电荷。实际电荷。 对于

5、电子、空穴及原子晶体，二者相等；对于电子、空穴及原子晶体，二者相等； 对于化合物晶体，二者一般不等。对于化合物晶体，二者一般不等。注：注：第9页/共106页第九页，共106页。 3.1本征缺陷本征缺陷(quxin) intrinsic point defectsT E 热起伏热起伏(涨落涨落(zhn lu) E原子原子 E平均平均 原子脱离其平衡位置原子脱离其平衡位置 在原来位置上产生一个空位在原来位置上产生一个空位 表面位置表面位置(wi zhi) (间隙小间隙小/结构紧凑结构紧凑) 间隙位置间隙位置 (结构空隙大结构空隙大)Frenkel 缺陷缺陷MM VM + Mi M X:MX VM

6、+ VX Schottky 缺陷缺陷第10页/共106页第十页，共106页。 弗兰克尔缺陷(quxin)： 金属晶体：形成等量的金属离子空位和间隙中的金属 离子； 离子晶体：形成等量的正离子间隙和正离子空位 （ 正负离子半径大小不同）； 以离子晶体MX为例： 其弗兰克尔缺陷(quxin)就是 和 ， 和 分别表示它们的浓度，由热缺陷(quxin)的波尔兹曼分布，有如下的式子成立： 其中，E：生成一个正离子间隙和一个正离子空位所需要的能量； Em：生成一摩尔正离子间隙和一摩尔正离子空位所需要的能量，简称 缺陷(quxin)的生成能。MViMMViM mMiEEVMexpexpkTRT第11页/共

7、106页第十一页，共106页。 无外界干扰 间隙与空位等量(dn lin)，则 肖特基缺陷： 金属：形成金属离子空位； 离子晶体：形成等量(dn lin)的正离子和负离子空位， 即Vm和Vx ； 以MgO为例： ， miMEMVexp2RTmMgOEVMexpRTmMgEVexp2RT 第12页/共106页第十二页，共106页。 Point defect concentration varies with temperature!3.1点缺陷的平衡点缺陷的平衡(pnghng)浓度浓度第13页/共106页第十三页，共106页。5 We can get Q from an experiment.3

8、.1缺陷缺陷(quxin)活化能活化能第14页/共106页第十四页，共106页。定义: 体系中杂质 (2) 在本体(bnt)(1)中的含量 质量(zhling)百分比 (wt%)两种表述(bio sh): 原子百分比 (at%)3.1缺陷浓度的表示C1 = m1 + m2x 100C1 = n1 + n2x 100n1m1质量 ,m1 , 与摩尔数, n1, 的关系:n1 = m1A1A1 原子量第15页/共106页第十五页，共106页。杂质的两种典型(dinxng)掺入方式 Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defec

9、ts)或Substitutional alloy(e.g., Cu in Ni)Interstitial alloy(e.g., C in Fe)3.1 固体固体(gt)中的杂质中的杂质第16页/共106页第十六页，共106页。3.1杂质杂质(zzh)缺陷缺陷基质原子杂质原子基质原子杂质原子取代(qdi)式 间隙(jin x)式 （由于外来原子进入晶体而产生的缺陷）能量效应体积效应体积效应第17页/共106页第十七页，共106页。8 Impurities must also satisfy charge balance Ex: NaCl Substitutional cation impuri

10、ty Substitutional anion impurityinitial geometryCa2+ impurityresulting geometryCa2+Na+Na+Ca2+cation vacancy3.1陶瓷陶瓷(toc)中的杂质中的杂质第18页/共106页第十八页，共106页。 NaClNaNaClCaClVCaCl223.1陶瓷陶瓷(toc)中的杂质中的杂质第19页/共106页第十九页，共106页。3.1陶瓷陶瓷(toc)中的杂质中的杂质-固溶体固溶体Solvent 溶剂(rngj)Solute 溶质1. 原子半径(bnjng)差小于15%2. 相同晶体结构3. 相同电负性

11、4. 相同化学价5. If one or more of the above rules is violated only partial solubility is possible.For complete miscibility to occur in metallic solid solutions, the two metals must be quite similar as defined by the Hume-Rothery rules第20页/共106页第二十页，共106页。3.2 缺陷化学反应方程式 缺陷产生(chnshng) 复合 化学反应A B + C对于缺陷反应式对

12、于缺陷反应式 质量平衡质量平衡 P P 电中性电中性 C C： 格点数比例格点数比例(bl)(bl)关系：关系：格点增殖：格点增殖： P PPC化学反应化学反应(huxu fnyng)(huxu fnyng)式式中的中的 “ “配平配平” （V V的质量的质量=0=0）晶体必须保持电中性晶体必须保持电中性 S Sci = 0晶体晶体 Aa Bb NA: NB= a:b u 四个规则：四个规则：空位的的引入或消除空位的的引入或消除格点数的增加或减少格点数的增加或减少引起格点增殖的缺陷有：VM、Vx、MM、Mx、XM、Xx等；不发生格点增殖的缺陷有：e、h、Mi、Xi等 第21页/共106页第二十

13、一页，共106页。 例1 中掺入 ,缺陷反应(fnyng)方程式为： 例2 中掺入 和 中掺入 的方程式分别为：NaCl2CaClMgOMgO32OAl32OAlOMgMgMgOOAlVOAl32 32 OAlOOAlOMgVMgO22232 NaClNaNaClCaClVCaCl22第22页/共106页第二十二页，共106页。3.2 基本(jbn)的缺陷反应方程 1具有夫伦克耳缺陷（具有等浓度的晶格( jn )空位和填隙缺陷） 的整比化合物M2+X2-： 2具有反夫伦克耳缺陷的整比化合物M2+X2-： 3具有肖特基缺陷的整比化合物M2+X2-： （无缺陷态） .MiMVMM XiXVXX.

14、XMVV 0第23页/共106页第二十三页，共106页。u 基本(jbn)的缺陷反应方程 4肖特基缺陷的整比化合物M2+X2-： 5具有结构(jigu)缺陷的整比化合物M2+X2-： 例如: 在某些尖晶石型结构(jigu)的化合物AB2O4中具有这种 缺陷，即XMiiXMVVXMXM .MXXMXMXMAXBBABABA第24页/共106页第二十四页，共106页。3.23.2化学式举例如下：（1mol基体对应x mol置换离子） 向1mol 中掺入x mol 发生置换反应(fnyng)： 的化学式： (x mol 提供x mol的钙离子，置换了x mol的锆离子，并由于置换离子的价数不同，在基

15、体中造成了x mol氧空位) 电中性原则检验： OO ZrZrOVOCaCaO22ZrO12xxxZr Ca OCaO2ZrOCaO0)1 (42)2(2xxx第25页/共106页第二十五页，共106页。u 向1mol 中掺入 发生反应：u 与 的不同之处在于：u 一部分钙离子置换了锆离子，另一部分钙离子填在氧化锆晶格(jn )的间隙中形成间隙离子。u 的化学式为：u 向1mol的 中掺入x mol 发生置换反应：u 的化学式为：u 2ZrOCaO Oi ZrZrOO2CaCaCaO22 2ZrO122xxZr Ca O32OAlMgO OOAlOAlVO2Mg2MgO232 32OAl213

16、2xxxAlMg O第26页/共106页第二十六页，共106页。u 向1mol的 中掺入x mol 发生填隙反应(fnyng)：u 的化学式为：u 向1mol的 中掺入x mol 发生等价置换反应(fnyng)：u u 的化学式为：u 向1mol 中再掺入x mol ，发生置换反应(fnyng)：u 的化学式为：u u 32OAlMgO AlOiOAlV2O3Mg3MgO332 32OAl2323xxAlMg O32OAl32OCr232323Al OAlOCr OCrO 32OAl23xxAlCr O3xx2OCrAlNiO OOAlOAlVO2Ni2NiO23232OAl213y2x yx

17、yAlCr Ni O 第27页/共106页第二十七页，共106页。 6化合物密度计算 密度：单位晶胞内所有原子总质量与单位晶胞体积的商， 表示为： （单位： ） 设一个晶胞中有n个原子，则： 化合物的密度计算的应用(yngyng)： 判断在给定的化学式中，掺杂的物质是以填隙还是置换的形式进入基体的，因为填隙型和置换型化合物的密度不同，一般而言，置换型的密度较填隙型的小。 3.23.2化合物密度(md)(md)VW3cm/giAiiNiiWW原子的原子量）（实际占据的分数）原子的位置数）（晶胞中第28页/共106页第二十八页，共106页。以氧化钙掺杂(chn z)氧化锆为例： 图图3-8 ZrO

18、2中掺杂中掺杂CaO后理论密度后理论密度(md)和和CaO掺杂量之间的关系掺杂量之间的关系密度(md)Oi ZrZrOO2CaCaCaO22 OO ZrZrOVOCaCaO2第29页/共106页第二十九页，共106页。3.2缺陷(quxin)缔合反应 以“NaCl的热缺陷产生(chnshng)”来说明： （下标(xi bio)S：surface）一定条件下，部分Na和Cl空位组合形成 xClNaClNa)VV(VV（x代表缔合的缺陷呈电中性） 平衡常数平衡常数 K：)kTgexp(VV)VV(KaClNaClNa（ga：一个缺陷缔合的缔合能） exp()sNaClgVVkT又（gs：一个肖脱基

19、缺陷的生成能） 得：()exp()asNaClggVVkTssClNaClNaVVNaCl第30页/共106页第三十页，共106页。 热力学中，吉布斯自由能变与焓变及熵变有如下(rxi)关系： aaaghTS ，sssghTS （其中(qzhng)， 又称作“位形熵”， 又称作“相互作用能” ）aSah代入()exp()asNaClggVVkT得：() exp()asNaClhhVVKkTexp()asSSKk 常 数 （ 一 定 温 度 范 围 内 ）式中，)(21eVRqqha温度升高(shn o)使热骚动加剧，从而促进肖脱基缺陷的生成而不利于缺陷缔合；另外，缺陷缔合能为负绝对值较大的，有

20、利于缺陷缔合。 第31页/共106页第三十一页，共106页。p 例如(lr)：1. 向 中加入(jir) ：NaCl2CaCl22NaClNaNaClVClCaCaCl xNaNaNaNaVCaVCa)(2. 向 中加入(jir) ： 2CdF3SmxCdiCdFSmFSm)(3. 向 中加入 ： ZnS3Al )(ZnZnZnZnVAlVAl带电的缺陷缔合带电的缺陷缔合 第32页/共106页第三十二页，共106页。3.3非化学(huxu)计量化合物定义：某些金属与非金属的化合物的成分随合成气氛(qfn)的不同而变化，并不一定严格遵守化学式中的计量配比 ，称这种化合物为非化学计量化合物。 第3

21、3页/共106页第三十三页，共106页。 3.3 3.3非化学(huxu)(huxu)计量化合物举例 1缺阴离子型 典型化合物： ZrO2， TiO2， KCl，NaCl， KBr 特点：在还原(hun yun)气氛下易失氧而产生弱束缚电子。 如：TiO2在还原(hun yun)气氛中形成氧离子空位，正四价的钛离子降为正三价，过程如下： 第34页/共106页第三十四页，共106页。例如(lr)：TiO2在还原气氛中失去部分氧，生成TiO2-x应可写成 2oOTi2O21O3VTi2TiO2或写成 2oOTiOTiO21O3VTi2O4Ti2第35页/共106页第三十五页，共106页。 OTiT

22、iOOOTiOTiOTiVeTiOTiOVOTiOOTiOTiTiO22222212322142422 2321224OTiOTiVOTiOTi第36页/共106页第三十六页，共106页。 上述过程(guchng)实质为： 式333的反应达平衡时，弱束缚电子（3-3-3）（K为平衡常数）OO 100%21/2 3O1KPe 2又GKexp()f(T)RT OOVeOO2221 OOOOeVPK2212 OVe2第37页/共106页第三十七页，共106页。则在温度一定的情况下，由 得： TiO2 是电子导电， 故其电导率与氧分压的关系如下(rxi)：此类关系的应用：氧分压传感器、氧离子导体和燃料

23、电池； TiO2：电子 导电 ZrO2：氧离子空位扩散21/2 3O1KPe 2GKexp()f(T)RT21/6Oe P21/6OP区别区别(qbi)第38页/共106页第三十八页，共106页。Zn完全电离(dinl)为比较困难 3.3非化学计量(jling)化合物举例 2阳离子间隙( jin x)型 典型化合物：ZnO和CdO 特点：阳离子处在晶格间隙( jin x)的类型，并由此产 生弱束缚电子，是N型半导体材料。 如：将ZnO放入Zn蒸汽中加热，Zn进入ZnO的晶格间隙( jin x)， 缺陷反应方程式为： （主要） 或iZn221OeZnZnOi2212OeZnZnOi 第39页/共

24、106页第三十九页，共106页。 反应(fnyng)式 的平衡常数为： 的电导率为： 反应(fnyng)的实质： i21ZnOZneO221/2iOZnOKZn e PZnO21/4OeP 2212OeMMOi第40页/共106页第四十页，共106页。3.3非化学(huxu)计量化合物举例 3阴离子间隙型 典型化合物： 特点：电子空穴(kn xu)导电，是p型半导体材料。 电导率： 反应： 2UOhOOi221 2612OPh第41页/共106页第四十一页，共106页。3.3非化学(huxu)计量化合物举例 4缺阳离子型 典型化合物： （非化学(huxu)整比化合物） 特点：阳离子化合价升高，

25、产生空位。 如： 电导率： 实质：FeO 2222212FeOFeFeOFeFeVOhFeVOFeOFe612OPh 2221FeOVhOO第42页/共106页第四十二页，共106页。小结：四类(s li)(s li)非化学计量化合物之代表物 型（缺阴离子型）： 型（阳离子间隙型）： 型（阴离子间隙型）： 型（缺阳离子型）： 注 ： 对某种化合物来说，分类并不是固定的； 上述(shngsh)非化学计量化合物的电导率都与氧分压的次方成比例，故可以做图 ，从斜率判断该化合物的导电机制。 x1x1x1x2x2KBr,NaCl,KCl,TiO,ZrOOCd,OZnx1x1x2UOSCu, SPb, S

26、Fe, IK,BrK,OTi,OCo,ONi,OFe,OCux1x1x1x1x12x1x1x1x1x2ln2OPln第43页/共106页第四十三页，共106页。缺陷(quxin)化学的应用 OO ZrZrOVOCaCaO222323ZrOZrOOY OYOV 第44页/共106页第四十四页，共106页。氧分压传感器示意图 222O1O P (c)2eO2 222O1OO P (A)2e2 22OOE = (RT/4F)lnP (c)/P (A)电动势：第45页/共106页第四十五页，共106页。Solid Oxide Fuel Cell - A device that generates el

27、ectricity by combining a fuel and an oxidant gas across an electrolyte.第46页/共106页第四十六页，共106页。第47页/共106页第四十七页，共106页。3.4缺陷(quxin)与半导体（电子与空穴） 能带结构能带结构(jigu)和电子和电子密度密度第48页/共106页第四十八页，共106页。3.4半导体的基本知识半导体的基本知识 导电能力导电能力(nngl)(nngl)介于导体和绝缘体之间的物质称介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗。为半导体，半导体器件中用的最多的是硅和锗。半导体的特

28、点半导体的特点(tdin)(tdin)： 当受外界热和光的作用时，它的导电当受外界热和光的作用时，它的导电(dodin)(dodin)能能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。第49页/共106页第四十九页，共106页。3.43.4本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构一、本征半导体的结构(jigu)特点特点GeSi通过一定的工艺过程通过一定的工艺过程(guchng)，可以将半导体制成，可以将半导体制成晶体。晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的现代电子学中，用的最多的半导体

29、是硅和锗，它们的最外层最外层(wi cn)电子（价电子）都是四个。电子（价电子）都是四个。第50页/共106页第五十页，共106页。 本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度(chnd)要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。第51页/共106页第五十一页，共106页。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构(jigu)共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示(bios(biosh)h)除去除去价电子价电子后的原后的原子子第52页/共106页第五十二页，共106页。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束

30、缚电共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子(z yu din z)，因此本征半导体中的自由电子，因此本征半导体中的自由电子(z yu din z)很很少，所以本征半导体的导电能力很弱。少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子形成共价键后，每个原子的最外层电子(dinz)是八个，构成稳定结构。是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子共价键有很强的结合力，使原子(yunz)规则排列，形成晶体。规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第53页/共106页第五十三页，共

31、106页。3.43.4本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)(dodin)机理机理在绝对在绝对0 0度（度（T=0KT=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电子价电子完全被共价键束缚完全被共价键束缚(shf)(shf)着，本征半导体中没有着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为为 0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，使一些在常温下，使一些(yxi)(yxi)价电子获得足够价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称

32、为空穴。时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。第54页/共106页第五十四页，共106页。可见因热激发(jf)而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。 本征激发和复合(fh)在一定温度下会达到动态平衡。本征激发(jf)和复合的过程第55页/共106页第五十五页，共106页。3.4.本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)机理机理+4+4+4+4在外场作用下，空穴在外场作用下，空穴吸引附近的电子来填吸引附近的电子来填补，这样的结果相当

33、补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以荷的移动，因此可以(ky)认为空穴是载流认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子(z yu din z)和空穴。和空穴。第56页/共106页第五十六页，共106页。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个能的一个(y )重要的外部因素，这是半导重要的外部因素，这是半导体的一大特点。体的一大特点

34、。本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)能力取决于载流子的浓度。能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生自由电子移动产生(chnshng)的电流。的电流。 2. 空穴移动产生空穴移动产生(chnshng)的电流。的电流。第57页/共106页第五十七页，共106页。3.43.4杂质杂质(zzh)(zzh)半导体半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质在本征半导体中掺入某些微量的杂质(zzh)(zzh)，就，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大

35、大增加。半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴型半导体：空穴(kn xu)浓度大大增加的杂质半导体，浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴也称为（空穴(kn xu)半导体）。半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。第58页/共106页第五十八页，共106页。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中

36、四个与相邻磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定的半导体原子形成共价键，必定(bdng)多出一多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。施主原子。第59页/共106页第五十九页，共106页。+4+4+5+4多余多余(duy)电子电子磷原子磷原子(yunz)N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么么(shn me)？1 1、由施主原

37、子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第60页/共106页第六十页，共106页。二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻

38、的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴(kn xu)硼原子硼原子(yunz)P 型半导体中空穴是多子(du z)，电子是少子。第61页/共106页第六十一页，共106页。掺杂(chn z)的局域能级非金属固体中由于出现了空穴和电子而带正电荷和负电荷，故在原子周围形成了一个附加电场，进而引起周期性势场的畸变，造成晶体的不完

39、整性而产生的缺陷称为(chn wi)电子缺陷(或称电荷缺陷) 。电子电子(dinz)缺陷示意图缺陷示意图第62页/共106页第六十二页，共106页。ED1ED2D*DEA1ED2AA”D*+ED1 D + eD +ED2 D + eA*+EA1 A + h A+EA2 A + h 施主施主(shzh)缺陷缺陷受主缺陷(quxin)第63页/共106页第六十三页，共106页。3.4掺杂掺杂(chn z)后的点缺陷的局域能级后的点缺陷的局域能级在本征半导体中进行在本征半导体中进行(jnxng)不等价掺杂，形成的点缺陷处在禁带中不等价掺杂，形成的点缺陷处在禁带中接近导带底或价带顶的局域能级上，使价电

40、子受激到导带中或使空穴受接近导带底或价带顶的局域能级上，使价电子受激到导带中或使空穴受激到价带中变得容易，大大增加了受激的电子或空穴的数量。激到价带中变得容易，大大增加了受激的电子或空穴的数量。1） 中加入中加入(jir)VA族的族的 ： eGsA eAsEAsGeDxGe可表示为：（式中，ED ：缺陷所处的局域能级距离导带底的能隙） 0.0127()DEeVEg Ge即：即：As的掺杂，产生了局域能级，使电子易于被激到导带中。“施主缺陷施主缺陷”：能提供“准自由电子”的缺陷叫“施主缺陷”， 对应的As掺杂Ge是n型半导体。 第64页/共106页第六十四页，共106页。3.4掺杂掺杂(chn

41、z)后的点缺陷的局域能级后的点缺陷的局域能级2） 中加入中加入(jir)VA族的族的B ： eG B的外层有3个电子，B 进入 的晶格后，容易(rngy)使价带中的电子被激至一距离价带顶很近的局域能级上去，形成 缺陷，同时在价带内形成空穴。 eGGeBxGeaGeBEBh表示为：aEGe（：B 缺陷所在能级与价带顶的能隙）0.0104()aEeVEg Ge即：即：由于B的掺入，产生了局域能级，使空穴易于被激发到价带中。 “受主缺陷受主缺陷”：“吸引”价带中的电子而在价带中产生空穴的缺陷，对应的B掺 杂 是p型半导体。 eG第65页/共106页第六十五页，共106页。ED=0.0127ev施主施

42、主(shzh)缺缺陷陷 eAsEAsGeDxGexGeAsEA=0.0104evEg=0.79evhBEBGeAxGe第66页/共106页第六十六页，共106页。3.4掺杂掺杂(chn z)后的点缺陷的局域能级后的点缺陷的局域能级“两性两性(lingxng)缺陷缺陷”（amphoteric defects）：）： 把既可以(ky)给出电子到导带，也可以(ky)“吸引”价带中的电子从而在价带中形成空穴的缺陷称为两性缺陷。 如：将 加入 中，生成 缺陷，表达式如下： AgKClxKAg)4 . 6(eAgeVEAgKDxKhAgeVEAgKAxK)6 . 5(第67页/共106页第六十七页，共10

43、6页。 当T = 0, 费米 EF 一下(yxi)被电子充满, 费米能级EF以上 空的. 电子在很小的电场下很容易进入空的导带形成导电 当 T 0, 电子很容易受热激发进入高于费米能级能带图:金属(jnsh)能带结构EFEC,VEFEC,VFermi “filling” function能带被充满能带被充满(chngmn)适中的温度 TT = 0 K低于费米能级的能带被低于费米能级的能带被电子充满电子充满.第68页/共106页第六十八页，共106页。能带图:宽禁带的绝缘体材料(cilio) Egap 在 T = 0, 价带充满电子, 导带是空的. 不导电(dodin) 费米能级 EF 在宽禁带

44、 (2-10 eV)的中央 在 T 0, 电子不能被热激发到导带中，因此电导率为零。EFECEV空的导带空的导带价带充满价带充满(chngmn)EgapT 0第69页/共106页第六十九页，共106页。能带图: 半导体的中等(zhngdng)禁带宽 Egap 在 T = 0, 价带充满电子(dinz), 导带是空的. 当T 0, 电子(dinz)受热激发进入导带, 产生部分空的价带和部分填充的导带EFECEV部分部分(b fen)填充的导带填充的导带部分空的价带部分空的价带T 0当温度变化时导带和禁带发生什么变化当温度变化时导带和禁带发生什么变化?当当 T 0?电导率发生什么变化？电导率发生什

45、么变化？第70页/共106页第七十页，共106页。 5价元素掺杂4价半导体形成n型半导体 处在导带下端(xi dun)EC的施主能级ED 提高载流子浓度 n可以增强电子导电. 更多的载流子导致费米能级EF向高端移动 掺杂(chn z)可以提高电导率(instead of heating it!) EFEDn-type SiECEV半导体掺杂(chn z)的能带结构第71页/共106页第七十一页，共106页。能带结构(jigu): 半导体的受主掺杂 四价Si中三价元素形成受主掺杂 价带中的电子被束缚在 高于价带顶端EV 的局域能级EA 上. 形成价带中的空穴导致电导率升高(shn o). 由于空

46、穴载流子浓度的提高导致费米能级EF 下移.EAECEVEFp-type Si第72页/共106页第七十二页，共106页。3.4 半导体能带结构半导体能带结构(jigu)和电子密度和电子密度 半导体中受激的电子浓度 ne可表示(biosh)如下：exp()CfeCEEnNkT式中，2/32*)2(2hkTmNeC*em（ ：电子的有效(yuxio)质量；h：普朗克常数 ） 电子态密度 ：导带底的能级：费米能级CEfE 半导体中受激的电子空穴浓度受激的电子空穴浓度np表示如下： exp()fVpVEEnNkT式中，2/32*)2(2hkTmNhV（ ：空穴的有效质量；h：普朗克常数 ） *hm 对

47、本征半导体， ehmm第73页/共106页第七十三页，共106页。 用途? 测定(cdng)半导体的 载流子类型 (electron vs. hole) 和载流子浓度 n. 如何测? 把半导体材料放在外磁场 B中, 沿一个方向通入电流, 测试在垂直电流方向产生 的Hall 电压 VH. 根据罗伦兹方程 FE (qE) = FB (qvB).载流子浓度载流子浓度 n = (电流电流 I) (磁场强度磁场强度 B) (载流子电荷载流子电荷 q) (样品样品(yngpn)厚度厚度 t)(Hall 电压电压 VH) 3.4半导体: 掺杂浓度与Hall效应(xioyng)的关系HoleElectron+

48、 charge chargeBFqvB第74页/共106页第七十四页，共106页。pn 结的 能带结构(jigu) 平衡状态时, 费米能级或载流子浓度必须平衡 因此(ync)电子由 n 扩散到 p 损耗区 在pn结有离子化的区域 形成内电场 (103 to 105 V/cm), 阻碍进一步的扩散. Depletion Zonepn regions “touch” & free carriers moveelectronspn regions in equilibriumEVEFECEFEVEFEC+p-typen-type第75页/共106页第七十五页，共106页。小电流(dinli)PN 结

49、: 在外加偏压(pin y)时的能带结构正偏压(pin y)负偏压平衡e正向: 在 n-型电极加负电压 降低内界面电位 产生由 n 到 p 的大电流. 反向: 在 n-型电极加正电压升高内界面电位 产生由 n 到 p 的小电流e大电流p-typen-typep-typen-typep-typen-typeV+V第76页/共106页第七十六页，共106页。 A-V 关系 正偏压: 电流指数增加 负偏压: 漏电流 Io. “调整” pn 结 使得电流单向(dn xin)流动pn 结: I-V 特性(txng)/1eV kToIIeReverse BiasForwardBias第77页/共106页第

50、七十七页，共106页。3.5半导体的光学(gungxu)性质 绝缘体的禁带宽度大，纯净的离子晶体大致几个电子伏特以上，Al2O3为9ev，NaCl为8ev，所以(suy)从可见光到红外区不会发生光吸收，透明的。但是对紫外光不透明。 掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3+有未充满的电子组态3d54S1，形成局域能级（1.7ev)可以吸收较高能量的光(蓝，绿光，造成氧化铝显红颜色。第78页/共106页第七十八页，共106页。光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470

51、 480 兰 470455 460 紫 455400 430 1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可见光七彩颜色的波长可见光七彩颜色的波长(bchng)和频率范围和频率范围人眼人眼(rn yn)最为敏感的光是黄绿光，即最为敏感的光是黄绿光，即nm555附近附近(fjn)。3.5光的基本性质光的基本性质电磁波谱电磁波谱 第79页/共106页第七十九页，共106页。3.5色中心(zhn

52、gxn)现象：白色的 在真空中煅烧，变成黑色，再退火，又变成白 色。原因：晶体中存在缺陷，阴离子空位能捕获(bhu)自由电子，阳离子空位能 捕获(bhu)电子空穴，被捕获(bhu)的电子或空穴处在某一激发态能级上，易受激而发出一定频率的光，从而宏观上显示特定的颜色。色心：这种捕获(bhu)了电子的阴离子空位和捕获(bhu)了空穴的阳离子空位叫色中心。 中易形成氧空位，捕获(bhu)自由电子。真空煅烧，色心形成，显出黑色；退火时色心消失，又恢复白色。32OY23Y O第80页/共106页第八十页，共106页。3.5色中心(zhngxn) 分类(fn li)： 1）带一个正电荷的阴离子空位 中心：

53、 2）捕获一个电子的阴离子空位 F色心： 3）捕获两个电子的阴离子空位 F色心： 4）捕获一个空穴的阳离子空位 V1中心： 5）捕获两个空穴的阳离子空位 V2中心：XVxXeV) () 2(eVXxMhV)()2(hVM第81页/共106页第八十一页，共106页。 定义 由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能(rnng)，导致光能的衰减，这种现象称为材料对光的吸收。3.5物质与光的作用(zuyng) （介质对光的吸收）第82页/共106页第八十二页，共106页。介质对光介质对光(du gung)的吸收的吸收在光束通过物质时，它的传播

54、情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个(gg)方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。 光在物质中的速度小于光在真空中的速度，并随频率而改变，这称为光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。 这是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。如红外光谱分析，拉曼光谱分析等技术第83页/共106页第八十三页，共106页。光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量

55、将用来提供这种受迫振动所需要(xyo)的能量。这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。介质对光介质对光(du gung)的吸收的吸收第84页/共106页第八十四页，共106页。如图所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限(wxin)薄层dx后光强变为I +dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即

56、 - dI = aIdxx+dxldxxII+dI光的吸收规律光的吸收规律式中a是与光强无关(wgun)的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorption coefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。第85页/共106页第八十五页，共106页。 为了求出光束(gungsh)穿过厚度为l的物质后光强的改变，可将上式改写为然后对x积分，即可得 换言之，若入射光强为I0，则通过l的物质后的光强为称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。 该定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年发现的，后来朗伯（，17281777）在1760

57、年又重新作了表述。6-2laeII0lIIa0lnlndxIdIa/第86页/共106页第八十六页，共106页。实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a =AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时可以写成 称为比尔定律（Beer law）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析(fnx)的原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。ACeII0二二 吸收吸收(xshu)(

58、xshu)定律定律 比尔定律比尔定律第87页/共106页第八十七页，共106页。 材料(cilio)对光的吸收机理电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射光子的能量与材料(cilio)的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料(cilio)中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料(cilio)中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。第88页/共106页第八十八页，共106页。可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是

59、红光：所以，Eg1.8eV的半导体材料，是不透明(tumng)的，因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.83.1的非金属材料，是带色透明(tumng)的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。eVhCeVhC8 . 1E m,0.7E1 . 3E m,0.4Emaxmingminminmaxgmax第89页/共106页第八十九页，共106页。 禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波(gungb)，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。第90页/共

60、106页第九十页，共106页。除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎(jh)(jh)都透明的，都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为为一般吸收；但是对于

61、波长范围为3.55.0m3.55.0m的红外光却是的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。有强烈的吸收。第91页/共106页第九十一页，共106页。 又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收(xshu)，是不透明的。 因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外

62、和红外端都有一定的透光极限。 任何物质都有这两种形式的吸收(xshu)只是出现的波长范围不同而已。 6-3第92页/共106页第九十二页，共106页。用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测(gunc)到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）。第93页/共106页第九十三页，共106页。光与固体光与固体(gt)(gt)的相的相互作用互作用 第94页/共106页第九十四页，共106页。3.5 p-n结的辐射(fsh)发光 受激发电子越过(yu gu)能

63、隙(禁带)与空穴结合，会发生半导体发光。 但是n半导体导带中有自由电子，价带中无空穴，因此不会发光。 p半导体价带中有空穴自，导带中无由电子，因此也不会发光。 n与p半导体结合成为p-n结，则在p-n结处使得电子与空穴复合发光。 一般要在p-n结处施加一个小的正向偏压。第95页/共106页第九十五页，共106页。3.5光导电(dodin)现象 由于光激发造成自由电子和空穴均可以成为载流子，对光导电产生(chnshng)贡献。 半导体材料中载流子存在激发，复合，俘获等现象。 被光激发的载流子，可以被复合中心消灭，也会在被消灭前在外电场的作用下运动一段距离。 外电场强度加大，则自由电子的漂移距离就

64、增大第96页/共106页第九十六页，共106页。LEDSolar Cell3.5 PN 器件(qjin): LED 和太阳能 Cell 发光二极管 (LED) 转换电为光输出: electron in photon out 生活光源, 低能耗, 集成设计. 应用: 交通(jiotng)指示和汽车照明, 大型显示器. 太阳能电池 转换光为电输出: photon in electron out(由pn 结的电场将光激发的电子输送除去 可再生能源!第97页/共106页第九十七页，共106页。3.5光相关(xinggun)器件: 光与材料的相互作用: 吸收: 吸收光子产生(chnshng)电子和空穴对

65、 (solar cell). 自发辐射: 电子空穴对自发湮灭放出光子 (LED). 激发辐射: 入射光子激发电子空穴对湮灭同时放出光子, 一个进 两个出 (激光).吸收吸收(xshu)自发辐射自发辐射激发辐射激发辐射EnergyE2E1121212321hcEE第98页/共106页第九十八页，共106页。GaAs Laser3.5器件(qjin): 激光 Laser creates inverted population of electrons in upper energy levels and then stimulates them to all coherently decay to

66、 lower energy levels.Applications: fiber optics, CD player, machining, medicine, etc. e.g. GaAs laser: 25% efficiency, 100 yr lifetime, mm size, IR to visible激光(jgung) = 光被受激发射而放大3.53.5第99页/共106页第九十九页，共106页。3.6热电材料(cilio)及其应用 Seebeck Effect Differential ThermocoupleMaterial BMaterial BMaterial AVTT + TabV = T第100页/共106页第一百页，共106页。3.6热电材料(cilio)及其应用TE Effects Peltier Effect Difference in F between Materials A and BMaterial AMaterial BHeat Absorbed or ExpelledElectric Current第101页/共106页第一百零一页，共106