四面体非晶碳具有极其优异的物理化学性能：硬度高、杨氏模量高、摩擦系数小、耐磨损、抗化学腐蚀、生物相容性好、光学带隙宽、红外透过，因而具有广阔的应用前景。但是四面体非晶碳的电导率过低，限制了其作为半导体薄膜的应用，因而掺杂氮、硼、磷对其导电性进行改善及制备p型和n型半导体受到了广泛的关注。目前对掺杂机理的研究非常有限，基础理论发展的滞后限制了其应用的步伐，并且实验上还无法对非晶碳进行原子尺度的研究。本文即通过第一性原理研究非掺杂及掺杂氮、硼、磷四面体非晶碳的显微结构、电子结构及其相互关系，分析氮、硼、磷的掺杂机理。　　结构建模采用的是“液体-淬火”方法，模拟过程分为四个部分：自发熔化过程、液体平衡过程、非平衡冷却过程和固体平衡过程。采用基于第一性原理的分子动力学方法，得到的结构与实验吻合良好，比先前的任何模拟结果都更接近于实验值。　　在所有模型中，费米能级附近都有电子态，并且随着密度增加，费米能级附近电子态逐渐减少。费米能级附近的电子态主要是sp2碳原子的贡献。相比多个原子组成的大环，在三个原子和四个原子组成的小环结构中，碳原子σ-σ*跃迁能级降低。缺陷碳原子局域电子态密度的特征是一个尖峰跨过费米能级。表面费米能级附近的电子态密度远高于体结构。　　氮的配位与密度没有明显关系，主要是以三配位存在，其次是两配位，四配位氮的比例很小。掺氮后碳网络结构的sp3含量大大降低。通过对电子结构的分析，氮掺入后并未使费米能级发生明显移动。两配位和三配位氮原子以非掺杂形态存在于碳网络结构中，起不到n型掺杂的作用，四配位掺杂的氮原子可以起到一定的有效掺杂的作用，但其影响有限，整体来看掺氮后费米能级没有发生明显移动。氮还有一个明显的副作用，掺氮使碳网络sp2含量大大增加，这样带隙间定域态被增强，不利于费米能级移动。　　硼的配位与密度没有明显关系，主要以三配位和四配位形式存在，有极少量的五配位原子，其中三配位原子含量略高于四配位原子。四配位硼有两个掺杂效果，一个是使近邻及次近邻缺陷碳原子的电子态从费米能级向导带有一微小偏移，位于略高于费米能级处，这样增强了费米能级附近的定域态传导；另一个是使临近sp3碳原子的电子结构发生了变化，与非掺杂结构相比，其电子结构呈现明显的p型掺杂特征。掺硼后费米能级向价带移动，即硼起到了p型有效掺杂的作用。　　磷有四种配位，随着密度的增加，磷原子逐渐从两配位向五配位过渡。掺磷后费米能级从价带向导带移动，这表明掺磷有利于n型半导体掺杂。其掺杂机理是磷在带隙间产生了分立能级，并且使其临近碳原子在带隙间产生了分立能级。其中四配位的磷可以起到有效n型掺杂的作用。　　对于非掺杂和同样掺杂浓度的结构，随着密度的增加，光学带隙增加，这主要是因为碳网络sp3含量增加的原因。氮、硼、磷的掺杂使四面体非晶碳光学带隙降低，一方面是因为掺杂原子自身有大量电子态分布在带隙间，另一方面是因为掺杂引起碳原子在带隙间产生分立能级，两方面共同作用使带隙间电子态密度增加，从而光学带隙降低。