晶体缺陷

所谓理想晶体是指晶体中的原子、分子完全按照严格的周期性重复排列得到的晶体，晶体中所有的晶胞都是等同的。而在实际晶体中或多或少总会存在空位、位错、杂质原子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列，人们称之为晶体缺陷。对晶体材料来说，晶体缺陷非常重要。上节介绍的 BGO 晶体，存在千万分之几的杂质原子就会对闪烁晶体材料的性能产生重大影响。又如半导体材料单晶硅和单晶锗，杂质含量要求小于 10-9。因此人们千方百计设法克服晶体缺陷来满足要求。这两个例子似乎在说，晶体缺陷是件坏事，是需要克服消除的。其实不然，有的晶体材料需要克服晶体缺陷，更多的晶体材料需要人们有计划、有目的地制造晶体缺陷。因为晶体缺陷能影响晶体的性质，在晶体中有计划地制造种种缺陷，就可使晶体的性质产生各种各样的变化，以此造就各种性能的晶体材料来满足五彩缤纷的物质世界的需要。下面举例说明。

ZnS 晶体与蓝色荧光粉 蓝色荧光粉的主要原料是硫化锌（ZnS）晶体， 它是白色的。如果往 ZnS 晶体中掺入大约 0.0001%的氯化银（AgCl）时，Ag+ 和 Cl-分别占据 ZnS 晶体中 Zn2+和 S2-的位置，造成晶体缺陷，破坏了 ZnS 晶体周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级与 Zn2+和 S2-周围的不同。这种掺杂的 ZnS 晶体，在阴极射线激发下，放出波长为 450nm 的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。

单晶硅、锗和信息材料 高纯的单晶硅、单晶锗都是很好的半导体材料，但如果掺杂后得到的掺杂半导体，其性能受掺杂的种类和数量控制，应用更为广泛。

（1）P 型半导体 单晶硅是金刚石型结构，每个 Si 原子的配位数为 4， 形成 4 个 Si－Si 单键，所以每个 Si 原子的外层有 8 个电子。如果往单晶硅中掺杂质 Ga（镓），由于 Ga 原子价层只有 3 个价电子，当它取代了硅原子的位置后，Ga 原子外层只有 7 个电子，其中有一个 Ga－Si 键只有一个电子， 即产生了一个空穴，如图 6－8（a）所示。相邻的 Si 原子价层上电子可移动到空穴，而又留下一个空穴，这相当于空穴在移动。这种由空穴迁移导电的称为 P 型半导体。

（2）N 型半导体若在单晶硅中掺杂质 As（砷），由于 As 原子外层有 5 个价电子，当它取代硅原子位置后，成键的 As 原子外层就有 9 个价电子，见图 6－8（b），多出的一个电子可以激发到导带而导电。这类由电子移动导电的称为 N 型半导体。

（3）P－N 结 单晶硅和单晶锗都可通过掺杂形成 P 型和 N 型半导体。若将单晶硅的一端掺 Ga，而另一端掺 As，则掺 Ga 部分形成 P 型半导体，掺 As 部分形成 N 型半导体。N 型和 P 型半导体的结合处称为 P－N 结，它具有一种特殊的功能，使电流只能单向导通。所以 P－N 结就是一个整流器，它可将交流电转变为直流电，使电流从 P－N 结的 P 区流向 N 区。利用 P－N 结可以做成晶体管，P－N－P 或 N－P－N 晶体管都可以将光信号转变为电信号输出， 并且还能把光电流放大。把许许多多的晶体管集成在硅芯片上，做成集成电路，它是现代计算机技术、通信技术、遥控技术、自动化技术的基础。