硅晶中的非线性Si-O-Si分子模型与氧原子的垂直振动状况

1.氧原子在熔硅中的状态 氧原子在熔硅中的最大溶解度约为3×10¹⁸原子/cm³。典型的直接硅的氧原子含量约为10¹⁷～10¹⁸原子/cm³；典型的区熔硅的氧原子含量约为10¹⁵～10¹⁶原子/cm³。

氧在硅晶体中都呈螺旋纹状分布。氧的分凝系数为1.25，大于1，所以熔体一侧的氧浓度比固态单晶一侧的浓度低。因此在直拉单晶中，头部氧含量比较高，尾部氧含量比较低。

图10-1 “Si-O-Si”分子简振模式

a）对称伸张振动 b）弯曲振动c）反对称伸张振动

2.硅中的间隙氧和氧吸收峰硅中孤立、分散的氧形成电中性的缺陷中心，它们在晶格中处于间隙状态。每个氧原子把两个硅原子之间的键断开，组成非线性的“Si-O-Si”这样的“分子”模型。硅、氧原子各自束缚在其平衡位置上，围绕平衡位置振动。这种“Si-O-Si”非线性分子的晶格振动，有如图10-1所示的三个独立的简振模式。

1）在（a）图中，当氧原子向﹤111﹥轴运动时，硅原子向氧原子运动，叫做硅-氧键的对称伸张振动。振动时对应的振动激励的波数（波长的倒数）为1205cm^-1。(www.xing528.com)

2）在（b）图中，当氧原子向﹤111﹥轴运动时，硅原子移离赤道面（极值赤道投影），称为硅-氧键的弯曲振动。振动时，只改变键角，不改变键长，对应的振动频率为515cm^-1。

3）在（c）图中，当氧原子垂直于赤道面振动时，硅原子沿硅-氧键的方向运动，称为硅-氧键的反对称伸张振动。振动时对应的振动激励的波数（波长的倒数）为1107cm^-1。

这三种简正振动的频率都在红外光的范围内，在硅单晶红外吸收光谱上，各自对应于一个吸收带。

氧原子红外吸收峰1107cm^-1峰最强。图10-2示出氧在室温下的1107cm^-1吸收峰，其半高宽约为32cm^-1。

图10-2 氧在室温下的1107cm^-1吸收峰