原子的不规则排列

晶格缺陷造成的阈值电压漂移
晶格缺陷是指晶体材料中原子排列的不规则性，这些缺陷可能由杂质掺入、辐射损伤或热处理过程中产生。

在半导体设备中，尤其是MOSFET （金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，晶格缺陷会对设备的电学特性产生显著影响，其中之一就是引起阈值电压（threshold voltage，Vth）的漂移。

阈值电压是晶体管从截止状态变为导电状态所需的最小电压。

在理想情况下，这个电压是恒定的，但在实际中，由于晶格缺陷的存在，阈值电压会随着时间和使用条件的变化而改变。

晶格缺陷如位错（dislocations）、空位（vacancies）、间隙原子（interstitials）以及杂质原子等，可以造成以下几种影响：
1. 电荷陷阱：晶格缺陷可以作为电荷陷阱，捕获载流子（电子或空穴）。

这些被捕获的电荷会影响晶体管沟道区的电荷分布，从而改变阈值电压。

2. 掺杂剂扩散：晶格缺陷可加速掺杂剂在半导体材料中的扩散，这可能导致掺杂浓度不均匀，进而影响沟道区的掺杂剖面和阈值电压。

3. 界面态：在绝缘层与半导体界面处，晶格缺陷可能导致界面态
密度增加，这些界面态能够与沟道区交换电荷，改变沟道的导电行为，并导致阈值电压漂移。

4. 应力效应：晶格缺陷引入的局部应力可以改变晶体管沟道区的能带结构，进而影响其导电性能和阈值电压。

为了减少晶格缺陷对阈值电压的影响，半导体制造过程中会采取多种措施，例如使用退火工艺来修复晶格缺陷、优化掺杂过程以实现更均匀的掺杂剖面，或采用高质量的衬底材料以降低初始缺陷密度。

此外，通过设计和工艺改进来提高晶体管的鲁棒性，也是减少晶格缺陷影响的一种方式。

晶体缺陷点缺陷晶体缺陷：晶体中原子排列的不规则性及不完整性。

晶体缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷）。

点缺陷的类型：空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及他们组成的复杂点缺陷如，空位，空位团和空位—溶质原子对等。

点缺陷与扩散的关系：空位，间隙原子均为自扩散，异类原子为弥扩散。

点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小，使得离子晶体的导电性能改善。

过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。

获得过饱和点缺陷的方法：辐照、高温淬火和冷变形加工。

线缺陷线缺陷：在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错。

位错：晶体排列的一种特殊组态，晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生有规律的错排现象；为错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。

位错的基本类型：刃型位错，螺型位错和混合位错。

他们与伯氏矢量的关系：刃型位错的位错线与伯氏矢量垂直，螺型位错的位错线与伯氏矢量平行，混合型位错的位错线与伯氏矢量相交成任意角度。

刃型位错正负的判定：用右手的拇指，食指和中指构成直角坐标，中指指向伯氏矢量方向，食指指向位错线方向，拇指向上为正刃型位错反之为负刃型位错。

螺位错左旋与右旋的判定：用拇指代表螺旋的前进方向，而以其余四指代表螺旋的旋转方向，凡符合右手法则称为右螺旋位错，符合左手法则的称为左螺旋位错。

伯氏矢量与位错线正向方向相同的为右螺旋位错，相反为左螺旋位错。

刃型位错的结构特点：1，刃型位错有一个额外的半原子面；2，刃型位错可以理解成已滑移区与未滑移区的边界线。

3，滑移面必定是包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。

位错的产生：晶体中相邻的两部分在切应力作用下沿一定的晶面和晶向相对滑动，滑移的结果在晶体表面上出现明显的滑移痕迹----滑移线。

扩展位错：通常把一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错组态称为扩展为错。

玻璃的原子排列方式具有其独特的特点。

从宏观角度来看，玻璃的原子排列似乎是无序的，没有明显的规律性。

然而，如果仔细观察每一个硅原子，你会发现它们都与四个氧原子相连接，这种排列方式被称为“短程有序”。

这意味着在局部范围内，原子排列是有序的，但在更大的范围内，这种有序性消失，整体呈现出无序的状态。

此外，玻璃的原子排列还与液体的无序排列有些相似。

尽管玻璃具有固定的形状和硬度，看起来像是固体，但其内部原子的排列方式却更像液体。

这是因为固体和液体的原子排列方式之间存在一种模糊的界限。

有些固体物质，其原子排列可能在一定程度上表现出类似于液体的特征。

因此，可以得出结论，玻璃的原子排列是一种复杂且独特的结构，既有局部的有序性，又有整体的无序性，这也解释了玻璃为什么既有固体的形态，又在一定程度上表现出了液体的特性。

第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。

如氧化物陶瓷。

（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。

如高分子材料。

（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。

如金属。

金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。

（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。

分子晶体：熔点低，硬度低。

如高分子材料。

氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。

如复合材料。

3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。

（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。

4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。

长程有序，各向异性。

（2）非晶体：――――――――――不规则排列。

长程无序，各向同性。

第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。

图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。

其中：空间点阵中的点－阵点。

它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。

描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。

（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。

特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。

2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。

（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。

（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。

一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。

种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。

原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。

2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。

原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。

3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。

二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。

分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。

4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。

5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。

6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。

间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。

7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。

8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。

9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。

过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。

三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。

主要为各类位错。

11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。

半导体缺陷解析及中英⽂术语⼀览⼀、半导体缺陷1.位错：位错⼜可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的⼀种内部微观缺陷，即原⼦的局部不规则排列（晶体学缺陷）。

从⼏何⾓度看，位错属于⼀种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是⼒学性能，具有极⼤的影响。

产⽣原因：晶体⽣长过程中，籽晶中的位错、固-液界⾯附近落⼊不溶性固态颗粒，界⾯附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在晶体中产⽣位错。

在晶体⽣长后，快速降温也容易增殖位错。

（111）呈三⾓形；（100）呈⽅形；（110）呈菱形。

2.杂质条纹：晶体纵剖⾯经化学腐蚀后可见明、暗相间的层状分布条纹，⼜称为电阻率条纹。

杂质条纹有分布规律，在垂直⽣长轴⽅向的横断⾯上，⼀般成环状分布；在平⾏⽣长轴⽅向的纵剖⾯上，呈层状分布。

反映了固-液界⾯结晶前沿的形状。

产⽣原因：晶体⽣长时，由于重⼒产⽣的⾃然对流和搅拌产⽣的强制对流，引起固-液界近附近的温度发⽣微⼩的周期性变化，导致晶体微观⽣长速率的变化，或引起杂质边界厚度起伏，⼀截⼩平⾯效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产⽣波动，引起杂质中杂质浓度分布发⽣相应的变化，从⽽在晶体中形成杂质条纹。

解决⽅案:：调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中⼼轴同轴，抑制或减弱熔热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。

采⽤磁场拉晶⼯艺或⽆重⼒条件下拉晶可以消除杂质条纹。

3.凹坑：晶体经过化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断⾯上出现的坑。

腐蚀温度越⾼，腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚⾄贯穿。

4.空洞：单晶切断⾯上⽆规则、⼤⼩不等的⼩孔。

产⽣原因：在⽓氛下拉制单晶，由于⽓体在熔体中溶解度⼤，当晶体⽣长时，⽓体溶解度则减⼩呈过饱和状态。

如果晶体⽣长过快，则⽓体⽆法及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。

5.孪晶：使晶体断⾯上呈现⾦属光泽不同的两部分，分界线通常为直线。

物质的结构必考知识点归纳物质的结构是化学和物理学中的基础概念，它涉及到原子、分子、晶体等微观粒子的组成和排列方式。

以下是物质结构的必考知识点归纳：1. 原子结构：原子是物质的基本单位，由原子核和电子组成。

原子核包含质子和中子，而电子在原子核周围以特定的轨道运动。

2. 元素周期表：元素周期表是按照原子序数排列的元素列表，它展示了元素的周期性和族性。

元素的化学性质主要由其原子序数决定。

3. 化学键：化学键是原子之间通过共享、转移或吸引电子而形成的连接。

主要类型有共价键、离子键和金属键。

4. 分子结构：分子是由两个或更多原子通过化学键连接而成的稳定结构。

分子的几何形状和化学性质受其原子排列和化学键类型的直接影响。

5. 晶体结构：晶体是由原子、离子或分子按照一定规律排列形成的固体。

晶体结构的类型包括立方晶系、四方晶系、六方晶系等。

6. 晶格缺陷：晶格缺陷是晶体中原子排列的不规则性，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

这些缺陷会影响晶体的物理性质。

7. 非晶体与准晶体：与晶体相比，非晶体没有长程有序的原子排列，而准晶体则具有长程有序但不具备传统晶体的周期性。

8. 纳米材料：纳米材料是指具有纳米尺度（1-100纳米）的材料，它们展现出独特的物理化学性质，如量子效应、表面效应等。

9. 超分子化学：超分子化学研究分子之间通过非共价键（如氢键、π-π堆叠等）形成的复杂结构和功能。

10. 材料的宏观性质与微观结构的关系：材料的宏观性质，如硬度、弹性、导电性等，与其微观结构紧密相关。

例如，金属的导电性与其自由电子的分布有关。

11. X射线晶体学：X射线晶体学是一种用于确定晶体结构的技术，通过测量X射线在晶体中的衍射模式来解析原子的位置。

12. 扫描隧道显微镜：扫描隧道显微镜（STM）是一种能够观察到原子尺度表面结构的仪器，它利用量子隧道效应来探测样品表面的电子态。

这些知识点是物质结构领域的基础，对于理解物质的组成、性质和反应机制至关重要。