晶體缺陷

完美晶體：即組成晶體的所有原子或離子都排列在晶格中它們自己的位置上，沒有晶格空位，也沒有間隙原子或離子。晶格中的原子或離子都是化學(xué)分子式中的原子或離子，沒有外來的雜質(zhì)；晶體的原子之比符合化學(xué)計量比。

實際晶體：與理想晶體有一些差異。如：處于晶體表面的原子或離子與體內(nèi)的差異；晶體在形成時，常常是許多部位同時成核生長，結(jié)果形成的不是單晶而是許多細小晶粒按不規(guī)則排列組合起來的多晶體；在外界因素的作用下，原子或離子脫離平衡位置和雜質(zhì)原子的引入等。

晶體缺陷的存在，破壞了完美晶體的有序性，引起晶體內(nèi)能U和熵S增加。按缺陷在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷，它們分別取決于缺陷的延伸范圍是零維、一維、二維還是三維來近似描述。每一類缺陷都會對晶體的性能產(chǎn)生很大影響，例如點缺陷會影響晶體的電學(xué)、光學(xué)和機械性能，線缺陷會嚴重影響晶體的強度、電性能等?！?-1點缺陷

點缺陷是由于熱運動,晶體中以空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心，在一個或幾個原子尺寸范圍的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴格周期性而形成的畸變區(qū)域。點缺陷是是晶體中最簡單、最常見或者說一定存在的缺陷形式。一、點缺陷的類型（1）肖脫基（Schottky）缺陷

晶體中存在著晶格空位，這種空位是晶體內(nèi)部格點上的原子或離子通過接力運動移到表面格點位置后在晶體內(nèi)所留下的空位，如圖b。這種晶體空位稱為肖脫基缺陷。（2）費倫克爾（Frenkel）缺陷

如果晶體內(nèi)部格點上的原子或離子移到晶格間隙位置形成間隙原子，同時在原來的格點位置上留下空位，那么晶體中將存在等濃度的晶格空位和填隙原子，如圖a。這種空位-間隙原子對稱為費侖克爾缺陷。

（3）間隙原子缺陷它是晶體格點原子運動到晶體的間隙位置，如圖c。形成填隙缺陷需要更大的能量，除小半徑雜質(zhì)原子外，一般不易單獨形成此種缺陷。動畫GT011,012（4）色心

色心是一種非化學(xué)計量比引起的空位缺陷。該空位能夠吸收可見光使原來透明的晶體出現(xiàn)顏色，因而稱它們?yōu)樯?最簡單的色心是F心。

所謂F心是離子晶體中的一個負離子空位束縛一個電子構(gòu)成的點缺陷。形成過程是堿鹵晶體在相應(yīng)的過量堿金屬蒸汽中加熱，例如：NaCl晶體在Na蒸汽中加熱后呈黃色；KCl晶體在K蒸汽中加熱后呈紫色；LiF在Li蒸汽中加熱后呈粉紅色。

F心的著色原理在于加熱過程中過量的堿金屬原子進入晶體占據(jù)堿金屬格點位置。晶體為保持電中性，會產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)目的負離子空位。同時，處于格點的堿金屬原子被電離，失去的電子被帶正電的負離子空位所束縛，從而在空位附近形成F心，如圖，F(xiàn)心可以看成是束縛在負離子空位處的一種“電子陷阱”。

動畫GT019與F心相對的色心是V心。當(dāng)堿鹵晶體在過量的鹵素蒸汽中加熱后，由于大量的鹵素進入晶體，為保持電中性，在晶體中出現(xiàn)了正離子空位,形成負電中心。這種負電中心可以束縛一個帶正電的“空穴”所組成的體系稱為V心。。V心和F心在結(jié)構(gòu)上是堿鹵晶體中兩種最簡單的缺陷。在有色心存在的晶體中，A、B兩種元素的比例已偏離嚴格的化學(xué)計量比。所以色心也是一種非化學(xué)計量引起的缺陷。

三、雜質(zhì)原子實際晶體中存在某些微量雜質(zhì)。一方面是晶體生長過程中引入的，如O、N、C等，這些是實際晶體不可避免的雜質(zhì)缺陷，只能控制相對含量的大??；另一方面是有目的地向晶體中摻入的一些微量雜質(zhì)，例如在單晶硅中摻入微量的B、Pb、Ga、In、P、As等可以使晶體的導(dǎo)電性能發(fā)生很大變化。當(dāng)晶體存在雜質(zhì)原子時，晶體的內(nèi)能會增加，由于少量的雜質(zhì)可以分布在數(shù)量很大的格點或間隙位置上，使晶體組態(tài)熵的變化也很大。因此溫度T下，雜質(zhì)原子的存在也可能使自由能降低。(F＝U-TS)當(dāng)雜質(zhì)原子取代基質(zhì)原子占據(jù)規(guī)則的格點位置時，形成替位式雜質(zhì)，如圖a；若雜質(zhì)原子占據(jù)間隙位置，形成間隙式雜質(zhì)，如圖b。

對一定晶體，雜質(zhì)原子是形成替位式雜質(zhì)還是間隙式雜質(zhì)，主要取決于雜質(zhì)原子與基質(zhì)原子幾何尺寸的的相對大小及其電負性。雜質(zhì)原子比基質(zhì)原子小得多時，形成間隙式雜質(zhì)，因為替位式雜質(zhì)占據(jù)格點位置后，會引起周圍晶格畸變，畸變區(qū)域一般不大，畸變引起的內(nèi)能增加也不大，若雜質(zhì)占據(jù)間隙位置，由于間隙空間有限，由此引起的畸變區(qū)域比替位式大，因而使晶體的內(nèi)能增加較大。所以只有半徑較小的雜質(zhì)原子才能進入敞開型結(jié)構(gòu)的間隙位置中。例如：金屬晶體結(jié)構(gòu)的密堆積形式?jīng)Q定了間隙空間的有限，這類晶體只有象H、C這樣小的原子才能進入間隙位置。許多金屬氧化物晶體中，只有象Li+這樣的雜質(zhì)離子才能形成間隙缺陷。即使這樣，間隙雜質(zhì)也還會引起明顯的晶格結(jié)構(gòu)的畸變。這種畸變以及基質(zhì)原子和雜質(zhì)原子之間的化學(xué)差異，通常會影響雜質(zhì)原子的溶解度（固熔限）。替位式雜質(zhì)在晶體中的溶解度也決定于原子的幾何尺寸和化學(xué)因素。如果雜質(zhì)和基質(zhì)具有相近的原子尺寸和電負性，可以有較大的溶解度。但也只有在二者化學(xué)性質(zhì)相近的情況下，才能得到高的固溶度。元素半導(dǎo)體、氧化物及化合物半導(dǎo)體晶體中的替位式雜質(zhì)，通常引起并存的電子缺陷，從而明顯的改變材料的導(dǎo)電性。例如：Si晶體中含有As