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1、第三章 電性材料,導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料 超導(dǎo)材料 鐵電、壓電、熱釋電和介電材料,3.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料,導(dǎo)體的電阻率 10-5 10-4cm 半導(dǎo)體的電阻率 10-4 1010cm 絕緣體的電阻率 1010 1014cm,3.1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別能帶理論,能級：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。,原子結(jié)構(gòu)示意圖,能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，從而導(dǎo)致離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去

2、，也可能從相鄰原子運動到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。電子的共有化使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶。,,,,,H + H H2,,金屬中電子的共有化,允許帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。 價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價帶。 導(dǎo)帶：價帶以上能量的最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。 滿帶：被電子占滿的允許帶稱為滿帶； 空帶：每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。 禁帶：允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。導(dǎo)

3、帶的底能級為Ec，價帶的頂能級為Ev， Ec和Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。,體塊硅的能帶示意圖,,,GaN能帶圖,3.1.2 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體區(qū)別的能帶論解釋,導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：,,價帶部分填入,價帶被填滿,,絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)： 價帶為滿帶， 禁帶較寬 Eg36 eV,,半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)： 價帶為滿帶， 禁帶寬度 Eg02 eV,載流子：導(dǎo)體和半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。 導(dǎo)體的載流子是自由電子； 半導(dǎo)體的載流子是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。,Electron conduction in n-type semicondu

4、ctors (and metals),Hole conduction in p-type semiconductor,本征半導(dǎo)體：是指不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體；通常由于載流子數(shù)目有限，導(dǎo)電性能不好。 N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入5價元素，載流子多數(shù)為電子。雜質(zhì)能級施主能級 P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入3價元素，載流子多數(shù)為空穴。雜質(zhì)能級受主能級,不同的材料，由于禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中的電子數(shù)目不同，從而有不同的導(dǎo)電性。 本征半導(dǎo)體， n 型半導(dǎo)體， p型半導(dǎo)體,PN結(jié)(PN-junction),3.1.3 導(dǎo)體材料 金屬：如銀、銅、鋁等； 可用作電纜材料，電池材料，電機(jī)材料，開關(guān)材料，輻射屏蔽材料

5、，傳感器材料等； 合金：如黃銅、鎳鉻合金等； 可用作電阻材料和熱電偶材料； 非金屬：如石墨、C3K、 C24S6等； 可用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料等。,3.1.4 半導(dǎo)體材料,,非晶,單晶,多晶,硅和鍺第一代半導(dǎo)體材料,相同點：具有灰色、金屬光澤的固體，硬而脆，金剛石結(jié)構(gòu)，間接帶隙半導(dǎo)體材料. 不同點： 硅 鍺 室溫本征電阻率 2.3105cm 50cm 禁帶寬度 1.12 eV 0.66 eV 鍺比硅的金屬性更為顯著 硅、鍺都溶解于HF-HNO3混合酸。,通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,一、本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體

6、材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。,硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共 用電子對,+4表示除去價電子后的原子,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛

7、，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。,本征激發(fā)和復(fù)合的過程,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增

8、加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,P 型半導(dǎo)體,空穴,硼原子,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示,,,,單晶硅棒 (直拉法),,,硅（111）晶面圖,硅在太陽能電池上的應(yīng)用 單晶硅 多晶硅 非晶硅,砷化鎵第二代半導(dǎo)體材料,特點

9、： 化合物半導(dǎo)體，晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型， 禁帶寬度為1.43 eV 容易制成半絕緣材料(電阻率107 109cm) 本征載流子濃度低 光電特性好 耐熱、抗輻射性能好和對磁場敏感 用途： 光電材料，適合于制造高頻、高速的器件和電路，發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管等。,砷化鎵,,氮化鎵第三代半導(dǎo)體材料,氮化鎵及其相關(guān)氮化物材料： 是指元素周期表中A族元素鋁、鎵、銦和族元素氮形成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它們組成的多元合金材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。,特點： 三種晶體結(jié)構(gòu)：纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽礦 寬禁帶半導(dǎo)體材料： InN---1.9 eV

10、，GaN---3.4 eV，AlN---6.2eV,用途： 晶體管、 發(fā)光管、激光二極管和光電探測器等器件,,,,氮化鎵,Wide Band Gap: 3.4 eV High Break down field Large electron saturation velocity: 1.3 x 10-7 cm/s Chemically stable at high T Operate at 400 C high temperature Short wavelength light emission and high power electronic applications,有機(jī)半導(dǎo)體材

11、料及其應(yīng)用,特點： 是分子型晶體材料，其特征由材料的分子性質(zhì)決定。有機(jī)半導(dǎo)體沒有三維晶體點陣，而且它們的分子內(nèi)和分子間的相互作用、局域結(jié)構(gòu)無序、非晶和結(jié)晶區(qū)域以及化學(xué)雜質(zhì)也不同，復(fù)雜。 用途： 太陽能電池 （酞菁、二酞菁以及某些聚合物如聚乙炔的衍生物等） 光電二極管 （有機(jī)無機(jī)材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)） 有機(jī)半導(dǎo)體電容,精英865PE主板PHOTONPF1,DVD、功放的音響系統(tǒng) 音響信號電流會引起普通鋁電解電容的誘電體、電極箔、接觸點的振動，而有機(jī)半導(dǎo)體電容的卷曲材料是用聚脂樹脂固定起來的，不會產(chǎn)生音響信號電流引起的振動。另外，有機(jī)半導(dǎo)體電容的鋁殼采用聚脂樹脂灌裝封口也是重要的因素之一(普通鋁電

12、解電容是用膠墊封口的)，在重低音范圍內(nèi)這一點是非常重要的,3.3 鐵電、壓電、熱釋電和介電材料,極化 ： 在電場作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。 自發(fā)極化：在沒有外電場作用時，鐵電晶體或鐵電陶瓷中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。,熱電體： 因為原子的構(gòu)型是溫度的函數(shù)，所以極化狀態(tài)將隨溫度發(fā)生變化。這種性質(zhì)稱為熱電性。熱電性是所有呈現(xiàn)自發(fā)極化的晶體的共性。具有熱電性的晶體稱為熱電體。 鐵電體： 存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在電場作用下，其取向可以改變。 壓電體： 壓電效應(yīng)是指材料在外力作用下發(fā)生

13、極化而在材料兩端的表面上出現(xiàn)電位差的效應(yīng)。具有壓電性質(zhì)的材料稱為壓電 材料,3.3.1 鐵電材料,鐵電材料： 是指在某些溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且其自發(fā)極化強(qiáng)度能因外電場的作用而重新取向的材料，通常鐵電體同時具有熱釋電和壓電性。鐵電體的標(biāo)識性特征是其電極化與外電場的關(guān)系表現(xiàn)為電滯回線。,,鐵電材料的電滯回線,常見的鐵電材料: （1）BT：鈦酸鋇BaTiO3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度120 oC；（2）PT：鈦酸鉛PbTiO3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度492 oC；（3）PZT：鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度386 oC； （4）BST：鈦酸鋇鍶(BaxSr1-x)TiO3

14、, 鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，常溫下沒有鐵電性，介電常數(shù)高，現(xiàn)多用于DRAM的柵介質(zhì)； （5）SBT：鉭酸鍶鉍SrBi2Ta2O9，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的抗疲勞特性； （6）BTO：鈦酸鉍Bi4Ti3O12，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，有較好的抗疲勞特性。,,極化的本質(zhì): 對稱性的減小,3.3.2 壓電材料,壓電效應(yīng)： 1880年Cuire Pierr和Curie jacques兄弟在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些特定方向上對-石英晶體施加壓力時，在與力方向垂直的兩個平面內(nèi)分別出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電性。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果把電場加到壓電晶體上，晶體在電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力，

15、這種由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程稱為逆壓電效應(yīng)。,,,正壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng),壓電材料的用途：水聲換能器 傳感器 濾波器 變壓器 點火器 陀螺儀 液流泵,1942年，發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇具有壓電性。此后，又研制成功一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料--鋯鈦酸鉛。利用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運而生。,3.3.3 熱釋電材料,熱釋電效應(yīng)： 某些晶體受溫度變化影響時，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。具有熱釋電效應(yīng)的材料稱為熱釋電材料。,用途： 紅外光譜儀、紅外遙感器、熱輻射探測器，非接觸測溫、無

16、損探傷等,3.3.4 介電材料,介電體的極化： 在外電場作用下，電介質(zhì)材料中在緊靠帶電體的一端會出現(xiàn)同號的過剩電荷，另一端則出現(xiàn)負(fù)號的過剩電荷，這就是所謂的介電體的極化現(xiàn)象。 介電性： 如果將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，由于電介質(zhì)的極化，可造成電容器的電容量比以真空為介質(zhì)時的電容量增加若干倍，電介質(zhì)的這一性質(zhì)稱為介電性。電容量增加的倍數(shù)稱為電介質(zhì)的介電常數(shù)，或稱介電滲透率，用來表示材料介電性的大小。,3.3.5 鐵電、壓電和介電材料的應(yīng)用,評價存儲器的標(biāo)準(zhǔn)： 容量、速度、非易失性、功耗和價格 現(xiàn)有存儲器的性能比較： DRAM： 優(yōu)點是容量、速度和成本，弱點是不具備

17、非易失性 快閃存儲器： 優(yōu)點是容量和非易失性，短處是寫入速度慢 SRAM： 優(yōu)點是速度和功耗，缺點是難以實現(xiàn)大容量比 鐵電隨機(jī)存取存儲器：容量、速度、非易失性、功耗和價格,64K FeRAM,存儲原理是基于鐵電薄膜的剩余極化 當(dāng)外加電場或電壓撤去后，鐵電薄膜仍存在著剩余極化電荷。當(dāng)外加電場時，鐵電體在宏觀上表現(xiàn)為極化強(qiáng)度與外電場之間產(chǎn)生非線性響應(yīng)，得到電滯回線；反向電場超過矯頑場時發(fā)生極化反轉(zhuǎn)；E0時表現(xiàn)出正、負(fù)剩余極化(Pr)，分別對應(yīng)于存儲的“1”和“0”數(shù)字信息。因此，鐵電存儲單元不需外電場和電壓的維持，仍能保持原有的極化信息。,鐵電存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域： 強(qiáng)耐輻射能力 空間和航天技術(shù)應(yīng)

18、用 優(yōu)異的讀寫耐久性 電視頻道存儲器、游戲機(jī)數(shù)字存儲器、汽車?yán)锍瘫砗蛷?fù)印機(jī)計數(shù)器等應(yīng)用 低電壓工作和低功耗移動電話及射頻識別系統(tǒng)中的存儲器 高速寫入和編程能力，低功耗、長耐久性等IC卡最理想的存儲器。,壓電傳感器,是利用壓電效應(yīng)制造而成的。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。,壓電傳感器,壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖 石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成,壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖 它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。,壓電式刀具切削力測量示意圖,壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時

19、， 切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。,壓電式玻璃破碎傳感器 （a） 外形; （b） 內(nèi)部電路,它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。 傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100V， 內(nèi)阻抗為1520 k。 子彈穿膛 生物醫(yī)學(xué)--心室,壓電式玻璃破碎報警器電路框圖,,,,PIX-30/4三維掃描儀,采用 動態(tài)壓電傳感器技術(shù)對實體物件進(jìn)行超高精度 掃描，最小間距達(dá)50微米。能夠掃描的實物包括：各種工業(yè)

20、材質(zhì)、粘土模型、玻璃、水晶、色彩豐富的物件，甚至還包括鮮果和鮮魚,壓電陶瓷微位移器 （納米級） 光纖的光學(xué)定位、光纖熔焊機(jī)、生物細(xì)胞穿刺、攝像,形狀記憶疊層裝置的機(jī)械夾持器,壓電陶瓷點火器,,清華大學(xué)研制的直徑1毫米世界最小超聲馬達(dá),,利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達(dá)定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。,高介電材料,2002年6月25日，摩托羅拉半導(dǎo)體與她的中國合作伙伴南京大學(xué)固態(tài)微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室、中國科學(xué)院物理研究所聯(lián)合宣布，經(jīng)過兩年的合作，他們在半導(dǎo)體工藝用高介電材料研究上取得突破性進(jìn)展：他們推出的鋁酸鑭(LaAlO)和鑭鋁氧氮(LaAlON)高介電材料將有望在65納米以下工藝中作為柵介質(zhì)層的主要材料，取代目前被普遍采用的二氧化硅，進(jìn)而推動半導(dǎo)體工藝技術(shù)向更小尺寸發(fā)展,