《武汉理工-材料物理学课件12》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉理工-材料物理学课件12（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.4半导体物理 5.4.1半导体与p-n结5.4.2半导体的物理效应5.4.3能带理论在半导体中 的应用5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学 理论基础2个学时2个学时2个学时4个学时5.4.4半导体陶瓷的缺陷化学 理论基础5.4.4.1克鲁格维克符号系统 5.4.4.2准化学反应 5.4.4.3质量作用定律 5.4.4.4半导体陶瓷的能带结构 5.4.4.5BaTiO3半导瓷的缺陷化学研究 半导体陶瓷是由一种或数种金属氧化物，采 用陶瓷制备工艺制备的多晶体半导体材料 与通常的硅、锗元素半导体或GaAs等化 合物半导体相比有很大的差别 5.4.4半导体陶瓷的缺陷化 学理论基础半导体陶瓷的典型特性 （
2、1）材料的化学性质比较复杂，容易产生 化学计量比的偏离，在晶格中形成固有点 缺陷。（2）半导瓷氧化物分子是离子键，因此材 料中载流子的迁移机理比一般半导体材料 更为复杂 （3）半导瓷是多晶材料，存在晶界是其重要 特性，并将会产生诸PTC效应、压敏效应 等。 研究半导体陶瓷，采用一般的半导体理论是 不够的。为了深入了解半导体陶瓷材料的电 性能，就要研究晶体中存在的原子缺陷和电 子缺陷这些点缺陷的产生、存在状态、相互 依存、转化与运动的规律。为此，在统计热 力学的基础上建立了缺陷化学理论，即利用 热力学中的质量作用定律，研究各种缺陷的 浓度与温度及氧分压的关系，从中找出各种 缺陷形式的热力学参数，
3、对照能带理论确定 材料的各种电学参数。 在半导瓷中，晶体缺陷类型包括点缺陷、 位错、晶界及表面等。点缺陷又可分为原 子缺陷、电子缺陷、极化子、激子、声子 等。其中的原子缺陷和电子缺陷可采用克 鲁格维克（Krger-Vink）符号系统来表征 。5.4.4.1克鲁格维克符号系统 以MO型氧化物晶体为例说明。用M表示金属元 素，O表示氧，V代表空位，e代表电子，h代表 空穴。 位置用下标表示。MM表示处于M子晶格中的M原 子，Mi代表金属填隙原子等 电荷用上标表示。X代表中性；代表正电荷； 代表负电荷。浓度用 表示。电子浓度用n表示，空穴浓度用 P表示。MO晶体中可能存在如下的各种点缺陷：（1）中性
4、空位（2）中性填隙原子（3）中性反结构缺陷 （4）中性外来原子缺陷 （5）各种电离原子缺陷 （6）电子缺陷 （1）若MO晶体中形成肖脱基（Schottky） 缺陷，可用如下反应式来表示：点缺陷的化学平衡与准化学反应式 式中：0（零）代表完整晶体 0（零）5.4.4.2准化学反应 （2）弗伦克尔（Frenkel）缺陷的准化 学反应式为 （3）电子缺陷当五价磷原子代替晶格中四价硅原子， 形成n型半导体，产生电荷缺陷，其准 化学反应式为：当三价硼原子代替晶格中四价硅原子， 形成P型半导体，产生电荷缺陷，其准 化学反应式为：写出准化学反应的规则 （1）晶格结点相对数目（格点数）规则 如MO化合物，正负
5、离子结点数是1：1，即 子晶格M中的格点数应等于子晶格O中的格 点数。（2）格点数变化规则反应过程中，当某种子晶格的格点数增加 或减少时，另一种子晶格的格点数也相应 增加或减少，以满足第一条关于“晶格结点 相对数目”的规则。 例如，氧原子从气相（g）中进入MO晶体 的反应式： O（氧）格点与M格点同时增加1个 （3）质量守恒：准化学反应式两边的质量总和应相等，其 中空格点质量为零 （4）如果晶体中存在填隙原子，应在反应式中 引入填隙空格点。例如，金属原子从气相进入MO晶体的填隙位 置，则相应的准化学反应式写成： （5）电中性条件在描述电离原子缺陷和电子缺陷形成的准化学 反应时，必须符合晶体中的
6、电中性条件，即晶 格中带负电荷的质点总数与带正电荷的质点总 数相等。例如：镧（La）施主掺杂BaTiO3的电中性方 程为： 质量作用定律表达形式 上式表明参与化学反应的物质，在反应达到 平衡时，它们的分压应满足的关系。式中： pi:组元i的分压 Vi:第i组元在化学反应中所改变的克分子数 Kp:定压平衡常数，是一个温度的函数 (1)5.4.4.3质量作用定律 Ci组元i的浓度Ci=ni/V ni组元i的克分子数 Kc定容平衡常数，是温度的函数Xi克分子分数Xi=ni/N K平衡常数(2)(3)若平衡条件（1），或（2），或（3）不满 足，则化学反应就要进行。反应正向进行的 条件是 化学势 化学势为一克分子的吉布斯（Gibbs）函数。对对于多组组元系统统，组组元i的化学势势为R气体常数 T温度 pi组元i的分压 i是温度的函数式中：ai焓常数 bi熵常数 Cpii组元的定压比热化学势与热力学函数U、H、F和G的 关系可写为： 点缺陷准化学反应系统的质量作用定律 若把含有各种点缺陷的晶体看成是固溶体 ，即把晶体中正常格点看成是溶剂，而把 点缺陷看成是溶质，两者处于平衡状态。 这样，可以把缺陷的形成与转化看成是一 个准化学反应过程，因而就可以用质量作 用定律描述点缺陷的形成与转化过程
