第三章 電性材料

第三章電性材料第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料

導(dǎo)體的電阻率10-5~10-4Ω·cm半導(dǎo)體的電阻率10-4~1010Ω·cm絕緣體的電阻率1010~1014Ω·cm

第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.1.1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。第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三原子結(jié)構(gòu)示意圖第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三能帶：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，也可能從相鄰原子運(yùn)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。第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三H+HH2第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三金屬中電子的共有化第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三允許帶：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)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。第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三體塊硅的能帶示意圖第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三

GaN能帶圖第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.1.2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第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)：價帶為滿帶，禁帶較寬ΔEg≈3～6eV第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：價帶為滿帶，禁帶寬度ΔEg≈0～2eV第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三載流子：導(dǎo)體和半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動（形成電流）來實(shí)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。

第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三

Electronconductioninn-typesemiconductors(andmetals)e-e-e-e-(-)(+)Holeconductioninp-typesemiconductor(+)(-)e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Semiconductor

Electron/HoleConductivity第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三本征半導(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)體第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)(PN-junction)第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三pnConductionBandConductionBand

ValenceBand

ValenceBand

electronsholesBandgapBandgapEFpEFnpnConductionBandConductionBand

ValenceBand

ValenceBand

electronsholesBandgapBandgap

electronsEFp=EFn第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.1.3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，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。第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.1.4半導(dǎo)體材料無機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料（按結(jié)構(gòu)形態(tài)）晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料（按化學(xué)成份）第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三非晶單晶多晶第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三硅和鍺——第一代半導(dǎo)體材料相同點(diǎn)：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(diǎn)：

硅鍺室溫本征電阻率2.3×105Ω·cm50Ω·cm

禁帶寬度1.12eV0.66eV

鍺比硅的金屬性更為顯著硅、鍺都溶解于HF-HNO3混合酸。第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三GeSi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)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三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。+4+4+4+4第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三在絕對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(yùn)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，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)。第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三可見因熱激發(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)合的過程第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三溫度越高，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(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三二、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）。第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三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(diǎn)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。+4+4+5+4多余電子磷原子第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三單晶硅棒(直拉法)第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三硅（111）晶面圖第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三硅在太陽能電池上的應(yīng)用單晶硅多晶硅非晶硅第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三砷化鎵——第二代半導(dǎo)體材料特點(diǎn)：化合物半導(dǎo)體，晶體結(jié)構(gòu)是閃鋅礦型，禁帶寬度為1.43eV

容易制成半絕緣材料(電阻率107~109Ω·cm)

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。第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三砷化鎵第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三氮化鎵——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ⅢA族元素鋁、鎵、銦和Ⅴ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。

第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三

特點(diǎn)：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---1.9eV，GaN---3.4eV，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

第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三氮化鎵WideBandGap:~3.4eVHighBreakdownfieldLargeelectronsaturationvelocity:1.3x10-7cm/sChemicallystableathighTOperateat400oChightemperatureShortwavelengthlightemissionandhighpowerelectronicapplications第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三有機(jī)半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用

特點(diǎn)：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(diǎn)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)體電容第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三精英865PE主板——PHOTON

PF1DVD、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(diǎn)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(普通鋁電解電容是用膠墊封口的)，在重低音范圍內(nèi)這一點(diǎn)是非常重要的第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3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。第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三熱電體：因?yàn)樵拥臉?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第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3.1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。

第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三鐵電材料的電滯回線

第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三常見的鐵電材料:（1）BT：鈦酸鋇BaTiO3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度120oC；（2）PT：鈦酸鉛PbTiO3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度492oC；（3）PZT：鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3，鈣鐵礦結(jié)構(gòu)，居里溫度386oC；（4）BST：鈦酸鋇鍶(BaxSr1-x)TiO3,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。第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三極化的本質(zhì):對稱性的減小第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3.2壓電材料壓電效應(yīng)：

1880年CuirePierr和Curiejacques兄弟在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些特定方向上對α-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，這種由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程稱為逆壓電效應(yīng)。

第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三壓電材料的用途：水聲換能器傳感器濾波器變壓器點(diǎn)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(yùn)而生。第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3.3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、無損探傷等第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3.4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。第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3.3.5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(diǎn)是容量、速度和成本，弱點(diǎn)是不具備非易失性快閃存儲器：優(yōu)點(diǎn)是容量和非易失性，短處是寫入速度慢

SRAM：優(yōu)點(diǎn)是速度和功耗，缺點(diǎn)是難以實(shí)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

第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三64KFeRAM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)；E＝0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。第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三鐵電存儲器的應(yīng)用領(lǐng)域：強(qiáng)耐輻射能力——空間和航天技術(shù)應(yīng)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。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三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。壓電傳感器第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三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、上蓋及基座等組成第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三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。第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三