2-36　什么是晶体缺陷？什么是位错？

众所周知，晶体是由晶粒组成的。晶粒与晶粒之间排列无规律的，称为多晶；晶粒与晶粒之间排列整齐的，称为单晶。

按道理说，单晶的晶粒排列应该完全像节日阅兵的队伍那样，排列得非常整齐，彼此的间隔，前后左右的顺序都应该是一致的。可实际上并非如此，无论是人工拉制的，还是天然生成的单晶，都不能做到完全按顺序排列。应该肯定的是，在单晶中，绝大部分是按晶格点的顺序进行排列的，只是少数或极少数的晶粒背离了晶格排列的位置，这种背离的部位称为“晶体缺陷”。

晶体的缺陷有多种，有线缺陷，也有面缺陷。不管什么样的缺陷，都会给半导体的电学性质带来一定影响。图2-16是几种晶体缺陷构造示意。现对这几个主要缺陷做简单介绍。

图2-16　几种晶体缺陷构造示意

（1）空位　如图2-16（a）所示。本来应该由原子或离子占据的位置空了起来，这样周围的质子就挤向空位的部位，使晶格发生畸变。如果在一个晶体中只有少量彼此孤立的空位，这对晶体的质量影响不大。但是当晶体处于一定温度下，空位会移动形成空位团，在晶体中形成空洞，而其周围的畸变场也随之扩大。这样影响就大了，不仅会造成产品质量下降，甚至会使整个产品报废。

（2）替位原子　如图2-16（b）所示。图中的黑点就是替位原子。替位原子既可以是杂质原子，也可以是构成化合物的另一个原子。首先就应该认识到，杂质在半导体中就是一种缺陷。因为杂质的结合半径与半导体本身的原子不会完全相同，另外，如果杂质的价电子数与本体原子不相同，它会引起电场的变化。再有，如果材料是化合物半导体，替位原子可能是其组成元素的一个原子。例如砷化镓，按晶格的排列，有的位置是给镓的，有的位置是给砷的，如果给砷的位置让镓占据，那么这个镓原子就起替位原子的作用，这种缺陷在化合物半导体中称为“反位缺陷”。这种缺陷可形成深能级中心，对化合物半导体的性质产生重要影响。

（3）间隙原子　如图2-16（c）所示。本来晶格的周期性很好，彼此排列是有序的，但如果在晶格质点之间“硬塞”入一个原子就变成间隙原子了。间隙原子会造成晶格畸变是很显然的。这种原子既可以是杂质原子，也可以是半导体本身的原子。如果是半导体的原子（一般称为“自间隙原子”），那么它和空位一样，处于分立的状态时，对晶体的质量影响不大，但是这种自间隙原子也会聚集成团，由于应力的关系，这种团就形成了位错环。硅单晶要避免由其自间隙原子造成的位错环，因为它对产品质量影响极大，甚至会使产品报废。

（4）位错　如图2-16（d）所示。单晶内的原子排列的周期性表现为，原子与原子的距离相等。但是在实际排列中，有的原子的排列偏离了一段距离，或扭转一个角度，这样也会造成晶格畸变。这样缺陷会连续延伸到晶体表面。位错是半导体单晶中最常见的缺陷，除硅能拉出无位错单晶以外，其他材料的单晶都会含有一定数量的位错。位错会影响单晶的质量，严重时会使产品报废。所以在拉制单晶时要采取措施，以降低单晶中的位错密度。