電子材料復(fù)習(xí)資料

1、第2章 超導(dǎo)材料一.超導(dǎo)電性：當(dāng)溫度下降到某一值(Tc)時(shí)，材料的電阻突然消失。 超導(dǎo)體：在某一溫度下能呈現(xiàn)出超導(dǎo)電性的材料。 二.超導(dǎo)體的分類 按磁化特性不同分為： 1.第一類超導(dǎo)體（除V、Nb以外的金屬） 第一類超導(dǎo)體又稱軟超導(dǎo)體。只存在一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc，當(dāng)外磁場(chǎng)H<Hc時(shí)，呈現(xiàn)完全抗磁性，體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。 2.第二類超導(dǎo)體（V、Nb及合金、化合物、高溫超導(dǎo)體等）第二類超導(dǎo)體也稱硬超導(dǎo)體，具有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，分別用Hc1（下臨界磁場(chǎng)）和Hc2（上臨界磁場(chǎng)）表示。當(dāng)外磁場(chǎng)H< Hc1時(shí)，具有完全抗磁性，體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度處處為零。外磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足Hc1 H< Hc2時(shí)，超導(dǎo)態(tài)和

2、正常態(tài)同時(shí)并存，磁力線通過(guò)體內(nèi)正常態(tài)區(qū)域，稱為混合態(tài)或渦旋態(tài)。外磁場(chǎng)H增加時(shí)，超導(dǎo)態(tài)區(qū)域縮小，正常態(tài)區(qū)域擴(kuò)大，H> Hc2時(shí)，超導(dǎo)體全部變?yōu)檎B(tài)。3. 超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ) 材料具有超導(dǎo)性能的必要條件：邁斯納效應(yīng)和零電阻效應(yīng)。1. 零電阻超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)（臨界溫度以下）電阻完全消失。若用它組成閉合回路，一旦回路中形成電流，則電路中沒(méi)有能量損耗，不需要任何電源補(bǔ)充能量，電流可以持續(xù)下去。2. 邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性） 超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，不管有無(wú)外磁場(chǎng)存在，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零。在外磁場(chǎng)中，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的特性稱為超導(dǎo)體的完全抗磁性，這種現(xiàn)象被稱為超

3、導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。四超導(dǎo)體超導(dǎo)的三個(gè)條件；超導(dǎo)材料只有同時(shí)滿足三個(gè)條件才能處于超導(dǎo)態(tài)： T < Tc ：溫度小于臨界溫度； H < Hc：磁場(chǎng)小于臨界磁場(chǎng)； I < Ic ：電流小于臨界電流；五 BCS理論(1) BCS理論表述：超導(dǎo)電性源于固體中電子的配對(duì)，而電子配對(duì)的相互吸引作用源于電子和晶格振動(dòng)間相互作用，即交換虛聲子； 配對(duì)發(fā)生在自旋相反動(dòng)量和為零的兩個(gè)電子間，即動(dòng)量凝聚。(2) 兩點(diǎn)結(jié)論：進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的電子發(fā)生了深刻變化；晶格起重要作用，電-聲決定性。第3章 半導(dǎo)體材料1 根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)，將它們分為導(dǎo)體，絕緣體，以及介于這兩者之間的半導(dǎo)體三大類。二半導(dǎo)體的分類（按

4、雜質(zhì)類型分，按導(dǎo)電類型分）；1.按是否含有雜質(zhì)：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。存在電子和空穴兩種載流子。但電子數(shù)目n和空穴數(shù)目p一一對(duì)應(yīng)，數(shù)量相等，np。雜質(zhì)以替位的形式存在于鍺、硅晶體中，由此而形成的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。如果對(duì)純凈半導(dǎo)體摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，也能提供載流子。把提供導(dǎo)帶電子的雜質(zhì)稱為施主；而將提供價(jià)帶空穴（即接收價(jià)帶電子）的雜質(zhì)稱為受主。2. 按導(dǎo)電類型：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在摻施主的半導(dǎo)體中，由于施主電離，使p<n，電子導(dǎo)電占優(yōu)勢(shì)，因而稱之為N型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)亦稱N型雜質(zhì)。 在摻受主的半導(dǎo)體中，由于受主電離，使p>n，空穴導(dǎo)電

5、占優(yōu)勢(shì)，因而稱之為P型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)亦稱P型雜質(zhì)。當(dāng)半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)，又有受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型就主要取決于摻雜濃度高的雜質(zhì)。當(dāng)施主數(shù)量超過(guò)受主時(shí)，半導(dǎo)體就是N型的；反之，受主數(shù)量超過(guò)施主則為P型的。三半導(dǎo)體的電學(xué)特性 1.負(fù)電阻溫度系數(shù)：即隨著溫度的升高，電阻值下降。 2.整流效應(yīng)：在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。 3.光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)是指由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象。 4.光生伏特效應(yīng)：發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這就是半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。 5.霍爾效應(yīng)：通有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于

6、磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”。四硅和鍺的制備方法1.物理提純：不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純。（1）區(qū)熔提純：利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長(zhǎng)從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次使雜質(zhì)盡量被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純的技術(shù)。 影響區(qū)熔提純的三個(gè)因素：熔區(qū)長(zhǎng)度、熔區(qū)移動(dòng)速度、區(qū)熔次數(shù)的選擇（2）拉單晶法：是生長(zhǎng)半導(dǎo)體單晶的主要方法。在直拉單晶爐內(nèi)，向盛有熔硅（鍺）坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制熱場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，單晶便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。在工藝流程中，最為關(guān)鍵的是拉晶過(guò)程，它又分為潤(rùn)晶、縮頸、放肩、等徑

7、生長(zhǎng)、拉光等步驟。2.化學(xué)提純：把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素。 萃取提純法：利用混合液在某溶劑中的溶解度的差異，萃取分離。 精餾提純法：利用混合液中各組分的沸點(diǎn)不同來(lái)達(dá)到分離各組分的目的。第4章 電介質(zhì)材料一.電介質(zhì)1.電介質(zhì)：是指以感應(yīng)方式而不是以傳導(dǎo)的方式來(lái)傳遞電信號(hào)的物質(zhì)。 2.電介質(zhì)極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，也稱束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。3.極化過(guò)程：在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗和擊穿等物理過(guò)程。4.電介質(zhì)跟絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別：絕緣體是指能夠承受較強(qiáng)電場(chǎng)的電介質(zhì)材料，而電介質(zhì)除了絕緣特性而外，主要是指在較弱電場(chǎng)下具有極化

8、能力，并能在其中長(zhǎng)期存在電場(chǎng)的一種物質(zhì)。與金屬不同，材料內(nèi)部沒(méi)有電子的共有化，從而不存在自由電子，只存在束縛電荷，即通過(guò)極化過(guò)程來(lái)傳遞和記錄電子信息。與此同時(shí)伴隨著各種特征的能量損耗過(guò)程。因此，電介質(zhì)能夠以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式來(lái)傳遞電磁場(chǎng)信息。 二.介電損耗 電介質(zhì)的極化速度有限，當(dāng)電介質(zhì)上加交變電場(chǎng)時(shí)，電位雖也以同樣的角頻率振動(dòng)，但其相位落后于所加電場(chǎng)的相位，導(dǎo)致出現(xiàn)相位差角（稱為電介質(zhì)損耗角），即存在一定的弛豫時(shí)間。由上述原因所造成的能量損耗叫介電損耗（亦稱介質(zhì)色散）。介電損耗影響因素：交流電頻率、串聯(lián)等效電阻、電容量損耗大在低頻下使用，損耗小在高頻下使用。3. 電介質(zhì)極化的基本類型按微觀

9、機(jī)制，歸納為以下幾種基本形式，即電子位移極化、離子位移極化、偶極子取向極化、空間電荷極化及自發(fā)極化等。1. 電子位移極化 電介質(zhì)中原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)作用下都能感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。這是由于在電場(chǎng)的作用下，粒子中的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移而引起的。 該極化存在于一切介質(zhì)中。 電子位移極化建立的時(shí)間很短，約在10-1410-16s范圍。表明，若所加電場(chǎng)為交變電場(chǎng)，其頻率即使高達(dá)光頻(100-1000THz)，電子位移極化也來(lái)得及響應(yīng)。2. 離子位移極化 在離子晶體和玻璃等無(wú)機(jī)介質(zhì)中，正負(fù)離子處于平衡狀態(tài)，其偶極矩的矢量和為零，但在電場(chǎng)作用下，這些離子除產(chǎn)生電子位移外，離

10、子本身還將發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)離子沿反電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成感應(yīng)偶極矩，這就是離子位移極化。 離子位移極化對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間也較短，比電子位移極化慢2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，與離子在平衡位置的固有振動(dòng)頻率相當(dāng)。3. 偶極子取向極化 非晶態(tài)極性有機(jī)電介質(zhì)的分子或分子鏈節(jié)具有一定的固有偶極矩，可把它們看成是偶極子。在電場(chǎng)作用下，偶極分子或鏈節(jié)受到電場(chǎng)轉(zhuǎn)矩的作用，驅(qū)使它們沿電場(chǎng)方向取向。但熱運(yùn)動(dòng)卻使分子作混亂排布，起解除取向作用。分子間相互作用也阻礙極性分子在電場(chǎng)方向的取向。一定溫度和電場(chǎng)作用下，達(dá)到一個(gè)新的統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)。在新平衡狀態(tài)下，偶極子在空間各方向的幾率不再相同，沿電場(chǎng)方向取向的大

11、于其他方向，在電場(chǎng)方向形成宏觀偶極矩。若組成介質(zhì)的分子是極性的，其本身就存在固有偶極矩。雖在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，熱運(yùn)動(dòng) 使偶極分子混亂取向，介質(zhì)在各個(gè)方向上的分子偶極矩矢量和為零，但在外電場(chǎng)作用下，偶極分子將沿電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)定向，這時(shí)電介質(zhì)內(nèi)部分子偶極矩的矢量和就不再是零，整個(gè)電介質(zhì)對(duì)外感生出宏觀偶極矩。4. 空間電荷極化 離子型結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中存在一些弱束縛離子，如外來(lái)?yè)诫s離子或處于晶格缺陷位置上的離子。位能稍高，不穩(wěn)定，易受熱而激活。 在外電場(chǎng)作用下，除了部分構(gòu)成電導(dǎo)外，另一部分可能不足以越過(guò)所有阻隔它們運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘，只能在一個(gè)不大區(qū)域內(nèi)越過(guò)一些較低的勢(shì)壘，從一個(gè)平衡位置遷移到另一個(gè)平衡位置。 熱離子

12、位移極化建立的時(shí)間較慢，約為10-2S。 當(dāng)外加電場(chǎng)頻率較高時(shí)，極化的改變就滯后于電場(chǎng)的改變。這種現(xiàn)象稱為“極化馳豫”。5. 自發(fā)極化 當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，載流子將遷移而使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。實(shí)際介質(zhì)往往結(jié)構(gòu)不均勻，各相間的介電性能也不完全相同，因而載流子可能被阻止在這些相界面上，形成空間電荷的局部積累，使介質(zhì)中電荷分布不均勻，產(chǎn)生電矩，發(fā)生極化。建立的時(shí)間很長(zhǎng)，從幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)，一般在直流和低頻下出現(xiàn)，極化時(shí)將消耗能量。某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其晶胞本身的正負(fù)電荷重心不相重合，即晶胞具有極性。由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在某

13、一方向出現(xiàn)偶極矩時(shí)，將逐漸影響到與之相鄰的其他晶胞，使之也在同一方向出現(xiàn)偶極矩。這種極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立起來(lái)的，因而稱為自發(fā)極化。具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域稱為電疇。每個(gè)電疇都有一定的固有電矩（電偶極矩的簡(jiǎn)稱，是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量），在一般情況下，各個(gè)電疇的電矩方向是各不相同的，各電疇的電矩相互抵消，介質(zhì)對(duì)外不顯極性。當(dāng)外加電場(chǎng)后，各電疇將沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，從而顯示出強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。由自發(fā)極化產(chǎn)生的介電常數(shù)非常高，電疇隨電場(chǎng)轉(zhuǎn)向的時(shí)間也很長(zhǎng)，且消耗電場(chǎng)能量。與理想介質(zhì)不同，實(shí)際電介質(zhì)中總是或多或少地存在著一定量的能夠自由遷移的帶電粒子，在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，它們作紊亂的熱運(yùn)動(dòng)，因此

14、不形成電流。當(dāng)加上不高的外電場(chǎng)后，這些載流子受到電場(chǎng)力的作用，便在不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)上疊加了沿電場(chǎng)力方向的定向遷移，從而形成電流，不過(guò)這種電流很小，故稱為漏導(dǎo)電流或漏導(dǎo)。4. 電介質(zhì)的擊穿 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為介電強(qiáng)度的破壞，或叫介質(zhì)的擊穿。主要擊穿類型有電擊穿和熱擊穿。五.電容器的介質(zhì)材料 1.絕緣材料：如紙、玻璃、陶瓷、云母、有機(jī)薄膜等。2.介電氧化膜：由鋁、鉭、鈮等閥金屬表面生成。六.鐵電材料鐵電材料，在外加電場(chǎng)不存在時(shí)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化的方向可以被外加電場(chǎng)所改變。材料的極化強(qiáng)度和電場(chǎng)之間存在像鐵磁體那樣的B-H磁滯回線，稱為“電滯回線”。

15、介電常數(shù)特別高，也稱為“強(qiáng)介材料”或“強(qiáng)介體”。 最具代表性的鐵電材料是BaTiO3和以其為基的材料，它同時(shí)也是壓電材料。七.鐵電、熱釋電、壓電、介電晶體之間的關(guān)系 在壓電晶體中，有一部分存在自發(fā)極化，可能具有熱釋電性，為熱釋電晶體。 在熱釋電晶體中，有些晶體其自發(fā)極化方向能隨外電場(chǎng)方向反向而反向，這類晶體為鐵電體。 具有鐵電性的晶體，必具有熱釋電性和壓電性。具有熱釋電性的晶體，必具有壓電性，卻不一定具有鐵電性。 壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電晶體均屬電介質(zhì)晶體。八.壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)：當(dāng)在某一特定方向?qū)w施加應(yīng)力時(shí)，在與應(yīng)力垂直方向兩端表面能出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷，這一現(xiàn)象被稱為“

16、正壓電效應(yīng)”。 逆壓電效應(yīng)：當(dāng)一塊具有壓電效應(yīng)的晶體置于外電場(chǎng)中，由于晶體的電極化造成的正負(fù)電荷中心位移，導(dǎo)致晶體形變，形變量與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。第5章 磁性材料1. 電子磁矩 1.電子磁矩：由電子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磁矩稱為電子磁矩。由電子軌道磁矩和電子自旋磁矩（主要）兩部分組成。 2.磁性的來(lái)源：電子磁矩就是物質(zhì)磁性的主要來(lái)源。2. 材料的磁性1.順磁性：有些材料在受到外加磁場(chǎng)H的作用后，其感生的磁化強(qiáng)度M跟的方向相同，即 >。呈弱磁性。順磁性物質(zhì)的原子或分子都具有未填滿的電子殼層，故都具有未被抵消的電子磁矩，從而有一個(gè)固有的總磁矩。但這些物質(zhì)的原子或分子磁矩之間相互作用十分微弱，熱運(yùn)動(dòng)很易使

17、原子或分子磁矩的方向雜亂無(wú)章，對(duì)外作用相互抵消，物體在宏觀上不表現(xiàn)磁性。然而，在外磁場(chǎng)作用下，原子或分子磁矩便微弱地轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向排列，由此而對(duì)外顯示出微弱的磁性。2.鐵磁性： 有一類材料在一定溫度以下，只要很小的外加磁場(chǎng)作用就能被磁化到飽和， > 0。呈強(qiáng)磁性。鐵磁性材料的主要特征有如下幾個(gè)：（1） 很易磁化，在不強(qiáng)的磁場(chǎng)下就可磁化到飽和狀態(tài)，且相應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度很高。（2） 鐵磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和外磁場(chǎng)不呈線性關(guān)系，當(dāng)反復(fù)磁化時(shí)，磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是一閉合曲線，稱為磁滯回線。（3） 鐵磁性物質(zhì)的磁性與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度增加時(shí)，磁化強(qiáng)度逐漸減小。存在一轉(zhuǎn)變溫度Tp ，當(dāng)T> Tp 時(shí)，鐵磁性消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?.鐵磁性與順磁性的根本區(qū)別在于： 鐵磁性材料內(nèi)存在自發(fā)磁化，而順磁性材料內(nèi)則無(wú)此現(xiàn)象。三.磁滯回線 磁滯回線形成的根本原因在于磁性材料的不可逆磁化。 一般磁性材料都有相應(yīng)的磁滯回線，但由于磁特性的不同，其磁滯回線的形狀也有很大的差異。常用的軟磁材料與硬磁材料的磁滯回線比較圖。4. 軟磁材料 磁滯回線窄而長(zhǎng)，起始磁導(dǎo)率高，矯頑力小。在較低的外磁場(chǎng)下就能夠產(chǎn)生高