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目前硅器件是基于大规模集成半导体技术电子系统的主要组成部分。在太空中,半导体材料对捕获的带电粒子和太阳宇宙射线很敏感,并可能受到位移损伤。带电粒子辐照可在半导体晶体晶格中产生破坏性损伤。这将在半导体带隙中形成不同程度上稳定的缺陷,例如掺杂能形成少数载流子陷阱以及少数载流子与多数载流子复合的有利中心。因此,它们是决定半导体行为的关键因素。最重要的是在空间环境中的具有高NIEL值的重离子辐照可以产生空位相关的缺陷团簇、空位氧（V-O）对和空位间质中心（V-I）,它们在硅中产生基本的电活性缺陷。这些由重离子辐照引起的空位相关簇状缺陷有多种类型,如分裂中心（V2）、三空位中心（V3）和四空位中心（V4）。这些缺陷可在室温或低温下低剂量迁移,与一些杂质结合可形成缺陷团簇。这些缺陷是更大缺陷结构的基石。目前只有对硅晶体中的空位缺陷的单个空位（V）和分裂（V2）缺陷进行明确的实验和理论识别。其它小空位聚集体如三空位（V3）和四空位（V4）簇的研究较少。半导体和绝缘体中的这些缺陷几乎总是在带隙或带边附近引入。这些空位决定了电子行为,它们也经常是实验检测或识别缺陷的基础。由于器件都在特定电压下工作,因此有必要确定空位与各种带电状态进行分析。此外,这些不同的电荷状态可能对应于完全不同的局域晶格结构。因此准确计算缺陷及其电子特性（如形成能、过渡层）对于缺陷识别和表征至关重要。这些水平的实验鉴定很困难而且是间接的,通常需要不同技术的巧妙结合。更直接和更容易获得这些特征的方法是使用第一原理方法计算这些参数。利用第一原理计算方法进行缺陷计算是为了更好地理解电子和光电器件等各种技术中的缺陷。第一性原理计算作为一种强有力的方法,它补充了实验不足,并且变得足够可靠,可以作为一种预测工具。现在这种方法被世界上越来越多的研究者所采用。密度泛函理论（DFT）通常与伪势函数或增强波函数相结合,已成为缺陷计算最常用的第一性原理方法。本文将密度泛函模型与DLTS研究相结合,研究了硅中三空位的结构、电子性质、转变和扩散动力学。目前一些研究者已经发表了一些V3缺陷的结构和电子性能的相关文章。本文证实了先前报道的V3结构和相关的电子能级,并大大扩展了人们对其电子性质的理解。总之,V3有两种形式,即四重坐标（FFC）和平面六角形环（PHR）结构。结果表明,在中性荷电状态下,前者更稳定。通过使用Heyd Scuseria-Ernzerh（HSE）筛选的混合功能电位的密度函数代码进行计算,这种混合功能电位有助于克服预测带隙的缺陷,与使用交换相关能量的局部密度近似的常用方法相比,这种方法会导致较大的不确定性。对于计算的缺陷形成能和过渡态。在以往的研究中,这种方法在识别半导体中的许多缺陷水平方面已经相当成功。首先为了开始和验证计算设置计算了晶格常数a0体积模量B0和带隙Eg。计算出的单电子间隙（1.19eV）与实验值（1.17eV）比较吻合,晶格常a0（5.435?）、体积模量B0（98 Gpa）的值与实验得到的值分别为5.431?和97Gpa的值吻合较好。然后本文研究了形成能和跃迁水平并用实验DLTS验证了计算的准确性。结果表明V3在中性荷电状态下是双稳态的,四重配位的FCC比PHR平面配位的能量低0.14eV。然而,计算表明,与最稳定结构为四重配位（FCC）的缺陷中性态相比,带电超电池最稳定的结构形式是平面六边形环（PHR）结构。PHR结构在+2、+1、-1和-2电荷态下更稳定。这些结果表明,三空位V3是具有不同结构的双稳态缺陷。其次通过对这些复杂缺陷过渡层的检测,对其电子结构进行了研究。对于V3[PHR]的电离能,我们分别得到第一和第二施主跃迁能级（+1/+2）,（0/+1）和第一和第二受主能级（-1/0）和（-2/-1）。对于V3[FFC]的电离能,得到第一个受体能级（-1/0）。然而从计算结果来看,不可能识别出一个三空位缺陷,它的FFC结构占据了靠近价带顶部的能带,并且假设V3[FFC]不是供体。计算第二电离跃迁水平（+1/+2）和（-2/-1）也导致V3[FFC]间隙外的双供体和双受体水平不稳定。研究发现,尽管V3[PHR]具有较深的供体和受体水平,但在平衡状态下,缺陷将在费米能量范围(+0.11eV<<（8）-0.15eV内处于中性的FFC状态。中性三空位的形成能为6.5 eV,然而,如果费米能级在能带边附近,V3将以PHR形式出现,具有双正负电荷状态。其次为了了解该缺陷在高温下的行为,对迁移转化过程进行了研究。虽然根据计算得到的FFC构型是最稳定的三空位构型,因为与PHR构型相比,它的形成能较低,但一些作者在先前研究的DLTS实验中发现,相对于V3[FFC]。假设当三个空位原子位置彼此靠近时,由于V3的空间位置,在PHR构型中很容易形成V3。因此,为了达到FFC结构的最低稳定能量状态,需要对三空位增加一些额外的能量（变换能）。因此,研究了V3[PHR]到V3[FFC]结构的转变机理和不同电荷态的转变能,以解释三空位的空位演化。通过CI-NEB计算得到了各自的最小能量迁移路径。结果表明,三空位中性电荷由V3[PHR]转变为V3[FFC]结构所需的活化能为1.40eV,而正电荷和负电荷的三空位所需的活化能较低,变换能值约为1.10eV。此外,在V3[PHR]结构缺陷形成后,可能发生迁移和解离过程,并进行了研究。结果表明,三空位中性电荷V3[PHR]结构迁移所需的活化能为2.50eV,通过比较不同的电荷态势垒,可以看出正电荷和负电荷态的三空位迁移势垒低于中性电荷态。因此,中性三空位（2.50eV）的迁移能高于V3[PHR]到V3[FFC]（1.40 eV）所需的变换能,不同电荷状态下的三空位也是如此。因此,预计首先会随着温度的升高发生转化过程,直到温度达到迁移过程占主导地位的值。为了验证这些三空位缺陷能级计算结果,进行了实验研究。本文以NPN型双极型晶体管为研究对象。选择10MeV、24MeV和40MeV Si离子作为入射粒子。分别采用能量为10MeV、24MeV和40MeV的硅离子产生各种NIEL值。通过软件SRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）得到了单能辐照产生的位移损伤剂量Dd。结果表明,10MeV、24MeV和40MeV硅离子均能穿透DLTS探针区,10MeV Si离子的范围在DLTS探针区内。结果表明,由24MeV和40MeV Si离子引起的DLTS探测区的位移缺陷分布是均匀的,而由10MeV Si离子辐照引起的位移缺陷分布是不均匀的。利用PhysTech HERA-DLTS（High Energy Resolution Analysis Deep Level Transient Spectroscopy）系统,在辐照后测量了BJT中的辐射缺陷。由于DLTS的准确度与掺杂浓度成反比,因此选择较低的掺杂浓度来表征位移引起的缺陷,以提高DLTS的测试准确度。DLTS曲线显示,在不同过渡态PHR（-1/0）,PHR（-2/-1）和FFC（-1/0）下,分别存在属于三空位缺陷的50K、175K和200K处的峰,通过计算预测,具有FFC结构的三空位缺陷浓度远小于具有PHR配置的三空位缺陷浓度。结果表明,实验得到的PHR（-1/0）、PHR（-2/-1）和FFC（-1/0）缺陷能级的能量与计算值非常接近。为了揭示高温下V3[PHR]和V3[FFC]三空位缺陷的特征,用40 MeV Si离子辐照样品,研究了位移损伤剂量为5.06 krad（Si）的DLT对辐照后缺陷的退火行为。结果表明,当退火温度低于425K时,50K时的峰值E75随退火温度的升高而升高。同时,175K处的峰和200K处的峰分别属于三空位E4和E5的跃迁水平,随退火温度的升高而降低。如前所述,E4和E5陷阱分别是具有PHR结构的簇状三空位的（-2/-1）和（-1/0）跃迁水平,E75的峰高属于V3[FFC]陷阱的（-1/0）跃迁水平。结果表明,当退火温度低于425K时,50K时的峰值E75随退火温度的升高而升高。同时,175K处的峰和200K处的峰分别属于三空位E4和E5的跃迁水平,随退火温度的升高而降低。如前所述,E4和E5陷阱分别是具有PHR结构的簇状三空位的（-2/-1）和（-1/0）跃迁水平,E75的峰高属于V3[FFC]陷阱的（-1/0）跃迁水平。此外,当退火温度达到450 K时,E75峰消失。实验结果与计算结果吻合较好,表明在较低的退火温度下,V3[PHR]→V3[FFC]转变占主导地位,而在较高的退火温度下,则转变为迁移过程。这是因为与三空位V3的迁移屏障相比,V3[PHR]→V3[FFC]的转化屏障较低。因此,在较低的退火温度下,部分E5和E4陷阱转化为E75陷阱,导致V3[FFC]浓度增加,V3[PHR]中心浓度降低。随着温度的进一步升高,簇状三空位开始退火,导致所有V3结构的浓度降低,与计算结果吻合较好。