Точечные дефекты и их влияние на электрические свойства кристалла

Для электрических и оптических характеристик кристаллов важнейшую роль играют точечные дефекты, которые могут возникать даже в изначально идеальном кристалле. Например, некоторые атомы вблизи поверхности кристалла в какой-то момент времени могут обладать достаточной энергией, чтобы вырваться из своего равновесного положения. При этом в узле кристаллической решетки, который оставил атом, образуется вакансия, а сам атом либо переходит в другое равновесное положение, образуя или достраивая новый атомный слой, либо полностью покидает кристалл. Вакансия при этом может входить в объем, как показано на рис. 8, а. Принято называть вакансию без расположенного вблизи междоузельного атома дефектом по Шоттки.

Рис. 8. Дефекты кристаллической решетки.

а – по Шоттки; б – по Френкелю; в – замещения; г – внедрения; д – краевая лислокация

Концентрация дефектов по Шоттки n_ш зависит от энергии Е_ш , необходимой для образования вакансии, температуры Т, а также концентрации атомов n₀ кристаллической решетки:

n_ш n₀ ·exp(-E_ш / kT)

Из этой формулы следует, что количество вакансий сильно растет с увеличением температуры. Отметим, что E_ш имеет величину порядка электронвольта, например, для алюминия E_ш = 0,75 эВ.

В случае одновременного образования междоузельного атома и вакансии (рис. 8-б) дефект называется дефектом по Френкелю.

Равновесная концентрация n_фдефектов по Френкелю равна:

n_ф (n₀ ·n₁)^{1/ 2}·exp(-E_ф / 2kT)

где n₁ – концентрация междоузлий, E_ф – энергия перехода атома из узла в междоузлие (она тоже имеет значение порядка электрон-вольта).

Обычно число пустых узлов (вакансий) колеблется в пределах 10¹⁵ – 10¹⁹ см ^-3. Наиболее вероятные места возникновения собственных точечных дефектов – это дислокации, границы раздела между микрокристаллическими включениями, нарушения в поверхностной структуре, примесные атомы. В этих местах кристалла возникает деформация решетки и ослабление связей между атомами основного вещества. Энергия дефектообразования вблизи этих мести уменьшается. Такие места называют источниками дефектов.

Междоузельные атомы и вакансии могут перемещаться по кристаллу. Перемещение вакансии является результатом перехода соседнего с ней атома на ее место. Таким образом, вакансия скачком перемещается на одно межатомное расстояние. Конечно, наличие примесей, дислокаций и других нарушений кристаллической решетки влияет на скорость перемещения вакансий. Если на пути своего движения междоузельный атом встречает вакансию, то он может занять это вакантное место, и оба дефекта исчезают. В этом случае говорят, что произошла рекомбинация дефектов. Дефекты могут исчезать и при достижении какого-либо протяженного нарушения в строении кристалла (например, дислокации). Такие места называются местами стока вакансий и междоузельных атомов.

Как было уже сказано, примесные атомы также являются дефектами кристаллической решетки. Кристаллы, примесные атомы в которых располагаются в узлах решетки (рис. 8-в), называются твердыми растворами замещения. Если же примесь занимает междоузельные состояния (рис. 8-г), то кристалл называется твердым раствором внедрения.

Примесь не только искажает структуру кристаллической решетки, но может сильно изменить число свободных носителей заряда в кристалле. Полностью исключить нежелательную примесь не удается. Сверхчистый кремний, например, имеет концентрацию неконтролируемых примесей 10¹¹ – 10¹² см ^-3.

Точечные дефекты могут сильно менять электрические свойства кристаллов, а также их механические и оптические свойства, стимулировать протекание химических реакций, диффузии и т.д. Технически «чистый» германий по проводимости близок к металлам, и только его очистка, снижающая содержание примесей до минимума, приводит к тому, что его проводимость уменьшается, и он становится настоящим полупроводником. Очищенное железо перестает быть химически активным и не подвергается коррозии. Многие металлы при очистке из хрупких тел превращаются в пластичные.