第三章 晶体结构缺陷
一、晶体结构缺陷的类型
缺陷的
类型
点缺陷 线缺陷
面缺陷
其特点是在三维
方向上的尺寸都
很小，缺陷的尺
寸处在一、两个
原子大小的级别，
又称零维缺陷，
例如空位，间隙
原子和杂质原子
等。
其特点是仅在
一维方向上的
尺寸较大，而
另外二维方向
上的尺寸都很
小，故也称一
维缺陷，通常
是指位错。
其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另
外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，
例如晶体表面、晶界和相界面等。
第一节 晶体结构缺陷的类型
点缺陷 间隙原子、空位、置换原子
面缺陷 晶体表面、晶粒间界、相界面
线缺陷 位错
第二节 点缺陷的类型
点
缺
陷
的
类
型
划分
原则
根
据
其
对
理
想
晶
格
偏
离
的
几
何
位
置
及
成
分
来
划
分
1、间隙原子,原子进入晶格中
正常结点之间的间隙位置，成为
间隙原子或称填隙原子。
2、空位,正常结点没有被原子或
离子所占据，成为空结点，称为空
位。
3、杂质原子,外来原子进入晶格，
就成为晶体中的杂质。这种杂质原
子可能取代原来晶格中的原子而进
入正常结点的位置，成为置换式杂
质原子；也可能进入本来就没有原
子的间隙位置，成为间隙式杂质原
子。这类缺陷统称为杂质缺陷。
点缺陷的类型示意图
第二节 点缺陷的类型
点
缺
陷
的
类
型
划分
原则
根
据
产
生
缺
陷
的
原
因
来
划
分
1,热缺陷, 在没有外来原子时，当晶体的温度
高于绝对 0K时，由于晶格内原子热振动，使一
部分能量较大的原子离开正常的平衡位置，造
成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称
为热缺陷。
2,杂质缺陷, 由于杂质进入晶体而产生的缺陷。
杂质原子又叫掺杂原子，其含量一般少于 0.1%，
进入晶体后，因杂质原子和原有原子的性质不
同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，而且
还引起了杂质原子周围的周期势场的改变，从
而形成缺陷。
3、非化学计量结构缺陷,有一些易变价的化合
物，在外界条件的影响下，很容易形成空位和
间隙原子，造成组成上的非化学计量化，这主
要是因为它们能够比较容易地通过自身的变价
来平衡由组成的非化学计量化而引起的电荷不
中性。这种由组成的非化学计量化造成的空位、
间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸
变，使晶体的完整性遭到破坏，也即产生了缺
陷。（分类）
热缺陷的类型
弗伦克尔缺陷,在晶格内原子
热振动时，一些能量足够大的
原子离开平衡位置后，进入晶
格点的间隙位置，变成间隙原
子，而在原来的位置上形成一
个空位，这种缺陷称为弗伦克
尔缺陷，如图 (a)所示．
肖特基缺陷,如果正常格点
上的原子，热起伏过程中获
得能量离开平衡位置，跳跃
到晶体的表面，在原正常格
点上留下空位，这种缺陷称
为肖特基缺陷，如图 (b)所
示。
弗伦克尔缺陷
杂质缺陷的类型
置换杂质原子, 是杂质原子替代原有晶格中的
原子位置，如图 (a)所示。
间隙杂质原子,是杂质原子进入原有晶格的
间隙位置，如图 (b)所示。
置换杂质原子 间隙杂质原子
缺陷表示方法
第四节 非化学计量缺陷
定义,指组成上偏离化学中的定比定律所形
成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的
某些组分发生交换而产生。如 Fe1－ xO、
Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点,其化学组成随周围 气氛的性质 及其 分
压大小 而变化。是一种半导体材料。
非化学计量化合物可分为 四种类型,
阴离子缺位型
阳离子填隙型
阴离子间隙型
阳离子空位型
1、阴离子缺位型 TiO2－ x
TiO2晶体在缺 O2条件下，在晶体中会出现氧空位。
缺氧的 TiO2可以看作 Ti4+和 Ti3+氧化物的 SS,缺陷反
应为,?????? ??? ??
22
13242 OOViTOTi
OOTiOTi
色心的形成：
Ti4++e ? Ti3+,电子 e并不固定在一个特定的
Ti4+上，可把 e看作 在 负离子空位周围。
因为 是带正电的，在电场作用下 e可以
迁 移，形成电子导电，易形成 色心 。 (NaCl在 Na
蒸汽下加热呈黄色
2、阳离子填隙型 Zn1+xO
? ZnO 在 Zn蒸汽中加热，颜色加深，
缺陷反应为：
4
1
2
1
2
2
1
1
2
][][
,][][,1][],[][,
][
]][][[
)(
2
1
2
2
2
?
?
??
?
?
?
?
?
????
?
?
?????
Oi
Oii
Oi
ix
i
PZn
PZnKZ n OeZn
Z n O
PeZn
K
ZnOZn
OeZnZ n O
故
处于间隙位的电导率证明单电子测定
?
3、阴离子间隙型
只有 UO2+x可以看作 U3O8（ 2UO3.UO2)
在 UO2中的 SS。
由于结构中有间隙阴离子，为保持电
中性，结构中出现电子空穴，反应式为：
OiUOU OOUOU ＋＋＋ ??? ??2
同样,也不局限于特定的正离子，它在电场下运动，
所以是 P型半导体。
4、阳离子空位型 如 Fe1-xO
? 为了保持电中性在正离子空位周围捕
获,是 P型半导体。缺陷反应为：
OFe
FeFeFe
OFeFeFe
OVhgO
hFeFeFeFeFe
OVFegOFe
?????
??
??????
?
?????
?
2)(
2
1
2222
2)(
2
1
2
2
23
2
即得
可写成取代为
为保持电中性，两个
。增大，电导率相应增加增大，随
用质量作用定律可得
－色心附近，形成一种被吸引到
][
][][
2
2
6
1
?
?
?
?
??
hP
Ph
VVh
O
O
Fe
一、晶体结构缺陷的类型
缺陷的
类型
点缺陷 线缺陷
面缺陷
其特点是在三维
方向上的尺寸都
很小，缺陷的尺
寸处在一、两个
原子大小的级别，
又称零维缺陷，
例如空位，间隙
原子和杂质原子
等。
其特点是仅在
一维方向上的
尺寸较大，而
另外二维方向
上的尺寸都很
小，故也称一
维缺陷，通常
是指位错。
其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另
外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，
例如晶体表面、晶界和相界面等。
第一节 晶体结构缺陷的类型
点缺陷 间隙原子、空位、置换原子
面缺陷 晶体表面、晶粒间界、相界面
线缺陷 位错
第二节 点缺陷的类型
点
缺
陷
的
类
型
划分
原则
根
据
其
对
理
想
晶
格
偏
离
的
几
何
位
置
及
成
分
来
划
分
1、间隙原子,原子进入晶格中
正常结点之间的间隙位置，成为
间隙原子或称填隙原子。
2、空位,正常结点没有被原子或
离子所占据，成为空结点，称为空
位。
3、杂质原子,外来原子进入晶格，
就成为晶体中的杂质。这种杂质原
子可能取代原来晶格中的原子而进
入正常结点的位置，成为置换式杂
质原子；也可能进入本来就没有原
子的间隙位置，成为间隙式杂质原
子。这类缺陷统称为杂质缺陷。
点缺陷的类型示意图
第二节 点缺陷的类型
点
缺
陷
的
类
型
划分
原则
根
据
产
生
缺
陷
的
原
因
来
划
分
1,热缺陷, 在没有外来原子时，当晶体的温度
高于绝对 0K时，由于晶格内原子热振动，使一
部分能量较大的原子离开正常的平衡位置，造
成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称
为热缺陷。
2,杂质缺陷, 由于杂质进入晶体而产生的缺陷。
杂质原子又叫掺杂原子，其含量一般少于 0.1%，
进入晶体后，因杂质原子和原有原子的性质不
同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，而且
还引起了杂质原子周围的周期势场的改变，从
而形成缺陷。
3、非化学计量结构缺陷,有一些易变价的化合
物，在外界条件的影响下，很容易形成空位和
间隙原子，造成组成上的非化学计量化，这主
要是因为它们能够比较容易地通过自身的变价
来平衡由组成的非化学计量化而引起的电荷不
中性。这种由组成的非化学计量化造成的空位、
间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸
变，使晶体的完整性遭到破坏，也即产生了缺
陷。（分类）
热缺陷的类型
弗伦克尔缺陷,在晶格内原子
热振动时，一些能量足够大的
原子离开平衡位置后，进入晶
格点的间隙位置，变成间隙原
子，而在原来的位置上形成一
个空位，这种缺陷称为弗伦克
尔缺陷，如图 (a)所示．
肖特基缺陷,如果正常格点
上的原子，热起伏过程中获
得能量离开平衡位置，跳跃
到晶体的表面，在原正常格
点上留下空位，这种缺陷称
为肖特基缺陷，如图 (b)所
示。
弗伦克尔缺陷
杂质缺陷的类型
置换杂质原子, 是杂质原子替代原有晶格中的
原子位置，如图 (a)所示。
间隙杂质原子,是杂质原子进入原有晶格的
间隙位置，如图 (b)所示。
置换杂质原子 间隙杂质原子
缺陷表示方法
第四节 非化学计量缺陷
定义,指组成上偏离化学中的定比定律所形
成的缺陷。它是由基质晶体与介质中的
某些组分发生交换而产生。如 Fe1－ xO、
Zn1+xO等晶体中的缺陷。
特点,其化学组成随周围 气氛的性质 及其 分
压大小 而变化。是一种半导体材料。
非化学计量化合物可分为 四种类型,
阴离子缺位型
阳离子填隙型
阴离子间隙型
阳离子空位型
1、阴离子缺位型 TiO2－ x
TiO2晶体在缺 O2条件下，在晶体中会出现氧空位。
缺氧的 TiO2可以看作 Ti4+和 Ti3+氧化物的 SS,缺陷反
应为,?????? ??? ??
22
13242 OOViTOTi
OOTiOTi
色心的形成：
Ti4++e ? Ti3+,电子 e并不固定在一个特定的
Ti4+上，可把 e看作 在 负离子空位周围。
因为 是带正电的，在电场作用下 e可以
迁 移，形成电子导电，易形成 色心 。 (NaCl在 Na
蒸汽下加热呈黄色
2、阳离子填隙型 Zn1+xO
? ZnO 在 Zn蒸汽中加热，颜色加深，
缺陷反应为：
4
1
2
1
2
2
1
1
2
][][
,][][,1][],[][,
][
]][][[
)(
2
1
2
2
2
?
?
??
?
?
?
?
?
????
?
?
?????
Oi
Oii
Oi
ix
i
PZn
PZnKZ n OeZn
Z n O
PeZn
K
ZnOZn
OeZnZ n O
故
处于间隙位的电导率证明单电子测定
?
3、阴离子间隙型
只有 UO2+x可以看作 U3O8（ 2UO3.UO2)
在 UO2中的 SS。
由于结构中有间隙阴离子，为保持电
中性，结构中出现电子空穴，反应式为：
OiUOU OOUOU ＋＋＋ ??? ??2
同样,也不局限于特定的正离子，它在电场下运动，
所以是 P型半导体。
4、阳离子空位型 如 Fe1-xO
? 为了保持电中性在正离子空位周围捕
获,是 P型半导体。缺陷反应为：
OFe
FeFeFe
OFeFeFe
OVhgO
hFeFeFeFeFe
OVFegOFe
?????
??
??????
?
?????
?
2)(
2
1
2222
2)(
2
1
2
2
23
2
即得
可写成取代为
为保持电中性，两个
。增大，电导率相应增加增大，随
用质量作用定律可得
－色心附近，形成一种被吸引到
][
][][
2
2
6
1
?
?
?
?
??
hP
Ph
VVh
O
O
Fe
