§ 2.7. Дефекти кристалів

Ідеальних кристалів, у яких всі атоми перебували б у положеннях з мінімальною енергією, практично не існує. Відхилення від ідеальної решітки можуть бути тимчасовими й постійними. Тимчасові виникають при впливі на кристал механічних, теплових й електромагнітних коливань, при проходженні через кристал потоку швидких частинок і т.д. До постійних недосконалостей ставляться точкові дефекти (міжвузельні атоми, вакансії, домішки); лінійні дефекти (дислокації), плоскі дефекти (границі зерен, границі самого кристала); об'ємні дефекти або макроскопічні порушення (закриті й відкриті пори, тріщини, включення сторонньої речовини). Структурні недосконалості можуть істотно змінити багато властивостей кристалів.

Першим видом відхилень від ідеальної структури є теплові коливання решітки, які існують у кристалах при всіх температурах. При будь-якій температурі в решітці завжди найдуться атоми, енергія яких значно перевищує середнє значення енергії решітки. Такі атоми можуть залишати свої вузли й переходять у міжвузілля. Виникають відразу два дефекти: вакансія й атом у міжвузіллі. Переміщаючись по міжвузіллям, атоми можуть так далеко піти від своїх колишніх сусідів, що практично перестануть з ними взаємодіяти.

Дефекти, що складаються з вакансії й атома в міжвузіллі, називають дефектами по Френкелю (рисунок 2.15). Частина атомів, що покинули свої місця, може переміститися до поверхні кристала, надбудовуючи новий атомний шар. Вакансії, що залишилися в кристалі, називають дефектами по Шоттки (рисунок 2.16).

Рисунок 2.15. Дефект по Френкелю

Рисунок 2.16. Дефект по Шоттки

Самі по собі вакансії (рисунок 2.17) і атоми в міжвузіллях (рисунок 2.18) істотно змінюють енергетичне положення атомів, розташованих поблизу цих дефектів.

Рисунок 2.17. Деформація кристалічної решітки при наявності вакансії

Рисунок 2.18. Деформація кристалічної решітки у випадку атома в міжвузіллі

Найбільш важливими й істотним впливом на властивості напівпровідників є домішкові дефекти. Домішкові атоми визначають тип і величину електропровідності напівпровідника, впливають на рухливість носіїв заряду й час життя носіїв. Домішки є в решітках завжди, оскільки сучасні методи очищення кристалів не дозволяють ще одержувати кристали зі змістом домішкових атомів менш 10¹¹ см^-3. Якщо атом домішки заміщає атом основної речовини у вузлі решітки, він називається домішкою заміщення (рисунок 2.19). Якщо домішковий атом впроваджується в міжвузіллі, його називають домішкою впровадження (рисунок 2.20). Всі ці дефекти перебувають у термодинамічній рівновазі з решіткою.

Рисунок 2.19. Домішка заміщення

Рисунок 2.20. Домішка впровадження

Дефекти кристалічної решітки мають деяку рухливість, що росте зі збільшенням температури. Переміщення дефектів пов'язане з подоланням потенціальних бар'єрів, висота яких визначається природою дефекту, структурою решітки й напрямком переміщення дефекту. Із цих причин рух дефектів приводить до зміни енергії кристала.

При механічній і термічній обробці кристалів можуть виникнути дислокації. Розрізняють дислокації лінійні й гвинтові.

Лінійні дислокації утворюються в кристалах, підданих деформації зсуву (рисунок 2.21). У результаті зсуву в атомному шарі, що лежить на площині зрушення, утримується на один атом більше, ніж у шарі під площиною зсуву. При цьому у верхній частині кристала утвориться зайва атомна площина, границя якої і є дислокацією, позначеної на рисунок 2.21 символом ┴ .

Гвинтові дислокації утворюються при ковзанні, що відбувається паралельно лінії дислокації. Для подання механізму виникнення гвинтової дислокації зробимо подумки розріз у кубічній решітці й половину нижньої частини куба змістимо щодо верхньої на одну атомну відстань (рисунок 2.22). Як видно з рисунка, пунктирна лінія перекручування в розташуванні атомів проходить уздовж краю розрізу паралельно вектору зсуву. Цю лінію називають гвинтовою дислокацією. Основна особливість гвинтової дислокації полягає в побудові атомних площин. В області ковзання немає повністю забудованих атомних площин, перпендикулярних дислокації. Можна сказати, що весь кристал складається з однієї атомної площини, закрученої по гвинтовій лінії. Наявність у кристалі гвинтової дислокації полегшує ріст кристала, оскільки для утворення кожної нової площини потрібні зародки, а гвинтова дислокація утворить шар атомів, що піднімається над площиною кристала у вигляді щабля, що є природним зародком.

Рисунок 2.21 - Лінійна дислокація

Рисунок 2.22 - Гвинтова дислокація

Дислокації впливають на ріст кристалів і виникнення в кристалах механічних напруг. Крім того дислокації впливають на електропровідність, викликають розсіювання носіїв заряду, служать центрами рекомбінації й генерації носіїв 'заряду. Дислокації майже не утворюються при вирощуванні кристала в умовах, вільних від механічних напруг при малому градієнті температури вирощування.

Характерною рисою дислокацій є їхня здатність до переміщення по кристалі під дією механічних напруг. Лінійні дислокації можуть досягати поверхні кристала й зникати там.

Дослідження структури кристалів показали, що зустрічаються монокристали, що складаються з великої кількості невеликих областей, злегка разорієнтованих між собою. Такі кристали мають зерниста або блокова будова, обумовлена плоскими дефектами. Відносне орієнтування двох сусідніх зерен може приймати нескінченну безліч значень; відповідно існує нескінченна розмаїтність границь між зернами. Оскільки решітка в місцях зіткнення зерен має порушення періодичності, то виникає перехідний шар - область підвищеного питомого опору й великої концентрації ефективних центрів розсіювання носіїв заряду.

Поблизу дислокацій решітка пружно деформується. Такі деформовані області виникають й у поверхні кристала, поблизу крапок виходу дислокацій на поверхню. Якщо такий кристал помістити в травник (хімічний розчин, у якому кристал розчиняється), то через порушення й деформацію зв'язків між атомами, розташованими поблизу дислокацій, швидкість травлення в місцях виходу дислокацій буде більше, ніж на іншій поверхні кристала, і в цих місцях утворяться «ямки травлення». Цим способом користуються для виявлення дислокацій. З метою одержання чіткої картини спеціально підбирають травники для різних типів кристалів. Дислокаційні ямки травлення відрізняються від інших дефектів правильною формою, що відбиває симетрію атомів, розташованих на даній грані кристала.