《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