半導(dǎo)體和電介質(zhì)材料

半導(dǎo)體和電介質(zhì)材料當(dāng)前第1頁\共有105頁\編于星期二\19點6.1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

當(dāng)前第2頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第3頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第4頁\共有105頁\編于星期二\19點導(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。當(dāng)前第5頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第6頁\共有105頁\編于星期二\19點電子的共有化運動：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動到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，因而電子可以在整個晶體中運動，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化運動。Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第7頁\共有105頁\編于星期二\19點

當(dāng)前第8頁\共有105頁\編于星期二\19點金屬中電子的共有化當(dāng)前第9頁\共有105頁\編于星期二\19點四個原子的能級的分裂八個原子的能級的分裂Chapter2ChapterChapterSemiconductor

能級分裂動畫當(dāng)前第10頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)有n個原子相互靠近組成晶體它們的能級便分裂成N個彼此靠得很近的能級－－組成一個能帶。Chapter2ChapterChapterSemiconductor

能帶：電子的共有化運動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)的能級擴展為能帶。當(dāng)前第11頁\共有105頁\編于星期二\19點由于n是一個非常大的數(shù)值，能級又靠的很近，所以每一個能帶中的能級基本上可視為連續(xù)的，或“準(zhǔn)連續(xù)能級”N1022~1023/cm3Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第12頁\共有105頁\編于星期二\19點

GaN能帶圖當(dāng)前第13頁\共有105頁\編于星期二\19點能帶圖可簡化成:禁帶寬度Chapter2ChapterChapterSemiconductor

Eg電子能量EcEv當(dāng)前第14頁\共有105頁\編于星期二\19點原子能級分裂為能帶的示意圖允帶{能帶原子級能{禁帶{禁帶原子軌道dps能量EChapter2ChapterChapterSemiconductor

能級分裂動畫允帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶，原子殼層中的內(nèi)層允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。當(dāng)前第15頁\共有105頁\編于星期二\19點6.1.2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金屬當(dāng)前第16頁\共有105頁\編于星期二\19點金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶特征金屬Eg絕緣體半導(dǎo)體Eg價帶導(dǎo)帶Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第17頁\共有105頁\編于星期二\19點絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)：價帶為滿帶，禁帶較寬ΔEg≈3～6eV當(dāng)前第18頁\共有105頁\編于星期二\19點半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：價帶為滿帶，禁帶寬度ΔEg≈0～2eV當(dāng)前第19頁\共有105頁\編于星期二\19點載流子：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。

當(dāng)前第20頁\共有105頁\編于星期二\19點本征半導(dǎo)體

在一定溫度下，價帶電子受到熱激發(fā)而成為導(dǎo)帶電子的過程。價帶電子激發(fā)前：激發(fā)后：空的量子態(tài)（空穴）導(dǎo)帶電子Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第21頁\共有105頁\編于星期二\19點e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-XYZCBAYZCBAXZCBAXYChapter2ChapterChapterSemiconductor

空間電子運動示意圖空間空穴運動示意圖當(dāng)前第22頁\共有105頁\編于星期二\19點

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當(dāng)前第23頁\共有105頁\編于星期二\19點電子：帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的準(zhǔn)自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ与娮雍涂昭ü餐瑓⑴c半導(dǎo)體的導(dǎo)電。Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第24頁\共有105頁\編于星期二\19點本征半導(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)體當(dāng)前第25頁\共有105頁\編于星期二\19點以硅中摻磷為例：形成一個正電中心P+和一個多余價電子；這個多余價電子受到的束縛很弱，使得它很容易掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運動——雜質(zhì)電離；施主雜質(zhì)和施主能級Chapter2ChapterChapterSemiconductor

施主雜質(zhì)動畫當(dāng)前第26頁\共有105頁\編于星期二\19點Ⅴ族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。釋放電子的過程叫做施主電離；施主雜質(zhì)為電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心年，稱為離化態(tài)。導(dǎo)帶電子電離施主P+Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第27頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter2ChapterChapterSemiconductor

EcEvED當(dāng)前第28頁\共有105頁\編于星期二\19點以硅中摻硼為例：形成一個負(fù)電中心B-和一個空穴；這個空穴受到的B-束縛很弱，容易掙脫束縛，成為導(dǎo)電空穴在晶格中自由運動——雜質(zhì)電離；受主雜質(zhì)和受主能級Chapter2ChapterChapterSemiconductor

受主雜質(zhì)動畫當(dāng)前第29頁\共有105頁\編于星期二\19點Ⅲ族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。釋放電子的過程叫做受主電離；施主雜質(zhì)為電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心年，稱為離化態(tài)。價帶空穴電離受主B－Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第30頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter2ChapterChapterSemiconductor

含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電的載流子主要是空穴——P型半導(dǎo)體，或空穴型半導(dǎo)體。EcEvEA當(dāng)前第31頁\共有105頁\編于星期二\19點6.1.3導(dǎo)體材料

金屬：如銀、銅、鋁等；可用作電纜材料，電池材料，電機材料，開關(guān)材料，輻射屏蔽材料，傳感器材料等；導(dǎo)電系數(shù)依次銀---0.016銅---0.0172金---0.023鋁---0.028黃銅---0.067鐵絲---0.1-0.15鋅---0.06鉛---0.21汞---0.958大多數(shù)純金屬的導(dǎo)電系數(shù)隨溫度升高而升高。當(dāng)前第32頁\共有105頁\編于星期二\19點

合金：向?qū)щ娂兘饘僦屑尤肫渌饘僭厮鶚?gòu)成的導(dǎo)電材料即為導(dǎo)電合金材料。此類導(dǎo)電材料經(jīng)不同方法的強化后，具有良好的導(dǎo)電性和高的機械強度、硬度、耐蝕、耐磨、耐熱等綜合性能。如銅和鋁的合金。將兩種或兩種以上的金屬通過一定的復(fù)合工藝制成的導(dǎo)電材料即為復(fù)合導(dǎo)電金屬。如銅包鋁線、鋁包銅線等。此類導(dǎo)電材料有線、棒、板、片、管等各種型材。

非金屬：如石墨等；可用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料等。當(dāng)前第33頁\共有105頁\編于星期二\19點6.1.4半導(dǎo)體材料無機半導(dǎo)體有機半導(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）當(dāng)前第34頁\共有105頁\編于星期二\19點非晶單晶多晶當(dāng)前第35頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

當(dāng)前第36頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

負(fù)電阻溫度系數(shù)是半導(dǎo)體的特有性質(zhì)之一。1.當(dāng)前第37頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體的特有性質(zhì)之二。2.當(dāng)前第38頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

整流效應(yīng)是半導(dǎo)體的特有性質(zhì)之三。3.當(dāng)前第39頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體的特有性質(zhì)之四。4.當(dāng)前第40頁\共有105頁\編于星期二\19點Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體的特有性質(zhì)之四。半5.當(dāng)前第41頁\共有105頁\編于星期二\19點霍耳效應(yīng)的應(yīng)用判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型測定載流子濃度、遷移率、電導(dǎo)率霍爾器件（感受磁場的能力）Chapter2ChapterChapterSemiconductor

選用遷移率高的半導(dǎo)體材料，在同樣電場作用下，漂移速度大，加磁場后載流子受到的洛倫磁力大，霍耳效應(yīng)明顯。常選用銻化銦、砷化銦、鍺作霍爾器件。當(dāng)前第42頁\共有105頁\編于星期二\19點霍爾元件基本結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示。四端元件Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第43頁\共有105頁\編于星期二\19點霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件磁鐵Chapter2ChapterChapterSemiconductor

當(dāng)前第44頁\共有105頁\編于星期二\19點硅和鍺——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2.3×105Ω·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。當(dāng)前第45頁\共有105頁\編于星期二\19點硅在太陽能電池上的應(yīng)用單晶硅多晶硅非晶硅其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，當(dāng)前第46頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結(jié)（如圖梳狀電極），以增加入射光的面積。

另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。當(dāng)前第47頁\共有105頁\編于星期二\19點單晶硅棒(直拉法、區(qū)熔法)當(dāng)前第48頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第49頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第50頁\共有105頁\編于星期二\19點

擴散當(dāng)前第51頁\共有105頁\編于星期二\19點

注入當(dāng)前第52頁\共有105頁\編于星期二\19點硅（111）晶面圖當(dāng)前第53頁\共有105頁\編于星期二\19點砷化鎵——第二代半導(dǎo)體材料特點：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。當(dāng)前第54頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第55頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第56頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第57頁\共有105頁\編于星期二\19點分類半絕緣砷化鎵低阻砷化鎵當(dāng)前第58頁\共有105頁\編于星期二\19點高溫區(qū)：高于GaAs熔點，維持熔融狀態(tài)；低溫區(qū)：防止As揮發(fā)損失；中溫區(qū)：調(diào)整固液界面附件溫度梯度，并抑制石英舟污染當(dāng)前第59頁\共有105頁\編于星期二\19點氮化鎵——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。

當(dāng)前第60頁\共有105頁\編于星期二\19點

特點：三種晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦、纖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

覆蓋可見光及遠(yuǎn)紫外光的范圍，可以制成從紅外到紫外的發(fā)光管或激光器，實現(xiàn)三基色發(fā)光。當(dāng)前第61頁\共有105頁\編于星期二\19點英國劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)一種生產(chǎn)發(fā)光二極管（LED）的新方法，他們說能在5年中將LED產(chǎn)品的成本降低多達(dá)75%。氮化鎵可能是繼硅之后最重要的半導(dǎo)體材料。它發(fā)出燦爛的光，將是下一代能在高溫下使用的高頻高能量晶體的關(guān)鍵材料。”劍橋大學(xué)氮化鎵和材料科學(xué)中心(CCGN)主任科林漢弗萊斯教授說。氮化鎵LED的其他一些特征，也足以讓傳統(tǒng)節(jié)能燈相形見絀。估計價格約2英鎊的氮化鎵LED，能點亮10萬小時，一般說來60年才需要更換。氮化鎵LED對環(huán)境也更友好，因為它不含水銀，廢棄部件的處理問題容易解決。氮化鎵LED的使用更方便，能即時打開，它不閃爍，光線還可以調(diào)節(jié)。當(dāng)前第62頁\共有105頁\編于星期二\19點“世貿(mào)天階”上方的LED屏幕最初的LED光源能夠發(fā)出來的顏色只是紅色，進(jìn)入到20世紀(jì)90年底，LED已經(jīng)能夠發(fā)出紅、藍(lán)、橙、黃、綠等單色。最終，進(jìn)入到1998年之后，白光LED光源研發(fā)成功，現(xiàn)在RGB三色LED光源也已經(jīng)得到了規(guī)?；瘧?yīng)用。

LED顯示產(chǎn)品日益增多相比之下，因為對亮度要求不高，LED顯示器、LED背光筆記本、LED電視都已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品。采用LED光源的投影機所帶來最大的變化就是減少了機身的體積，延長了燈泡的壽命壽命。在之前，普通的投影燈泡壽命僅有2000-4000小時，但是LED燈泡能夠確保其試用壽命長達(dá)2萬小時，而現(xiàn)在一個普通的投影機燈泡更換成本在2000-3000元，LED大大節(jié)約了用戶后期的維護(hù)成本。當(dāng)前第63頁\共有105頁\編于星期二\19點中科院半導(dǎo)體所當(dāng)前第64頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第65頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第66頁\共有105頁\編于星期二\19點光譜特性：散熱特性：LED芯片波長隨注入電流的增加造成發(fā)光波長的嚴(yán)重不穩(wěn)定。均勻性和重復(fù)性成為外延技術(shù)的重要評價指標(biāo)10-20%發(fā)光，80-90%熱量大功率，老化、失效當(dāng)前第67頁\共有105頁\編于星期二\19點

全球功率半導(dǎo)體和管理方案領(lǐng)導(dǎo)廠商–

國際整流器公司(InternationalRectifier，簡稱IR)推出行業(yè)首個商用集成功率級產(chǎn)品系列，采用了IR革命性的氮化鎵(GaN)功率器件技術(shù)平臺。嶄新的iP2010和iP2011系列器件是為多相和負(fù)載點(POL)應(yīng)用設(shè)計的，包括服務(wù)器、路由器、交換機，以及通用POLDC-DC轉(zhuǎn)換器。

iP2010和iP2011集成了非常先進(jìn)的超快速PowIRtune驅(qū)動器IC，并匹配一個多開關(guān)單片氮化鎵功率器件。這些器件貼裝在一個倒裝芯片封裝平臺上，可帶來比最先進(jìn)的硅集成功率級器件更高的效率和超出雙倍的開關(guān)頻率。本篇文章來源于:電源在線網(wǎng)原文鏈接：當(dāng)前第68頁\共有105頁\編于星期二\19點電介質(zhì)功能材料介電材料鐵電材料壓電材料敏感電介質(zhì)材料電性材料電導(dǎo)體功能材料導(dǎo)電材料電阻材料超導(dǎo)電體6.2鐵電、壓電、熱釋電和介電材料

材料可按其對外電場的響應(yīng)方式區(qū)分為兩類一類是以電荷長程遷移即傳導(dǎo)的方式對外電場作出響應(yīng)，這類材料稱為導(dǎo)電材料另一類以感應(yīng)的方式對外電場作出響應(yīng)，即沿著電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質(zhì)當(dāng)前第69頁\共有105頁\編于星期二\19點極化：

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。介電常數(shù)：表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用ε表示，無量綱?；靖拍顔挝幻娣e的極化電荷量稱為極化強度，它是一個矢量，用P表示，其單位為C/m2。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強度。當(dāng)前第70頁\共有105頁\編于星期二\19點

電介質(zhì)又分為非極性電介質(zhì)和極性電介質(zhì)兩大類。前者由非極性分子組成，在無外電場時分子的正負(fù)電荷重心互相重合，不具有電偶極矩。只是在外電場作用下正負(fù)電荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。后者由極性分子組成，即使在無外場時每個分子的正負(fù)電荷重心也不互相重合，具有固有電矩，它與鐵電性有密切關(guān)系。當(dāng)前第71頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第72頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第73頁\共有105頁\編于星期二\19點熱釋電體：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)稱為熱釋電效應(yīng)。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釋電體。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。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，在電場作用下而重新取向的材料。通常鐵電體同時具有熱釋電和壓電性。當(dāng)前第74頁\共有105頁\編于星期二\19點6.2.1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。當(dāng)前第75頁\共有105頁\編于星期二\19點電滯回線：

在強電場作用下，使多疇鐵電體變?yōu)閱萎犺F電體或使單疇鐵電體的自發(fā)極化反向的動力學(xué)過程稱為疇的反轉(zhuǎn)。

使剩余極化強度降為零時的電場值Ec稱為矯頑電場強度（矯頑場）Ps：飽和極化強度Pr：剩余極化強度A→B→C→B→D→F→G→H→K→C變化過程：Ec：矯頑電場強度當(dāng)前第76頁\共有105頁\編于星期二\19點電疇：鐵電體內(nèi)自發(fā)極化相同的小區(qū)域稱為電疇，～10μm；電疇與電疇之間的交界稱為疇壁兩種：90°疇壁和180°疇壁鈦酸鋇晶體表面電疇偽色圖當(dāng)前第77頁\共有105頁\編于星期二\19點居里溫度Tc：鐵電陶瓷只在某一溫度范圍內(nèi)才具有鐵電性，它有一臨界溫度Tc.，當(dāng)溫度高于Tc時，鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵园l(fā)極化消失。晶體順電相-鐵電相的臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc稱為居里溫度。當(dāng)前第78頁\共有105頁\編于星期二\19點

BaTiO3陶瓷材料的鐵電性能在1942年被人們發(fā)現(xiàn)，由于其性能優(yōu)良，工藝簡便，很快被應(yīng)用于介電、壓電元器件。1954年人工法成功制備出BaTiO3單晶，至今，BaTiO3陶瓷仍是應(yīng)用的最廣泛和研究得比較透徹的一種鐵電材料。BaTiO3陶瓷材料當(dāng)前第79頁\共有105頁\編于星期二\19點＞120℃，立方晶胞6℃～120℃，四方晶胞-90℃～6℃，斜方晶胞＜-90℃，三方晶胞BaTiO3

晶體結(jié)構(gòu)有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)前第80頁\共有105頁\編于星期二\19點BaTiO3在室溫附近（20℃）為鐵電相，當(dāng)溫度高于居里溫度（120℃），鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?。順電相BaTiO3的結(jié)晶學(xué)原胞如圖所示：

在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，有一種非常重要的結(jié)構(gòu)---氧八面體結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中氧八面體結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)中的正四面體結(jié)構(gòu)是固體物理學(xué)中兩類非常重要的典型結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第81頁\共有105頁\編于星期二\19點當(dāng)前第82頁\共有105頁\編于星期二\19點BaTiO3的介電-溫度特性

介電常數(shù)隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介電常數(shù)一般為3000～5000，在居里溫度處（120℃）發(fā)生突變，可達(dá)10000以上。當(dāng)前第83頁\共有105頁\編于星期二\19點常見的鐵電材料:（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。當(dāng)前第84頁\共有105頁\編于星期二\19點6.2.2壓電材料壓電效應(yīng)：

1880年CuirePierr和Curiejacques兄弟在實驗中發(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)換成機械能的過程稱為逆壓電效應(yīng)。

當(dāng)前第85頁\共有105頁\編于星期二\19點正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

晶體受到機械力的作用時，表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關(guān)系，這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)的過程稱為正壓電效應(yīng)。

晶體在受到外電場激勵下產(chǎn)生形變，且二者之間呈線性關(guān)系，這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。當(dāng)前第86頁\共有105頁\編于星期二\19點

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。當(dāng)前第87頁\共有105頁\編于星期二\19點工藝性差（粉化，PbO易揮發(fā)）工藝性好g33=33(10-3伏·米/牛)g33=11.4(10-3伏·米/牛)d33=56(10-12庫/牛)d33=191(10-12庫/牛)Kp=0.095Kp=0.354難極化易極化熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性差Tc=490℃Tc=120℃工作溫區(qū)寬工作溫區(qū)窄PbTiO3陶瓷BaTiO3陶瓷一元系壓電陶瓷當(dāng)前第88頁\共有105頁\編于星期二\19點二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷

因此，PbZrO3和PbTiO3的結(jié)構(gòu)相同，Zr4+與Ti4+的半徑相近，故兩者可形成無限固溶體，可表示為Pb(ZrxTi1-x)O3，簡稱PZT瓷。當(dāng)前第89頁\共有105頁\編于星期二\19點6.2.3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、無損探傷等當(dāng)前第90頁\共有105頁\編于星期二\19點6.2.4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。當(dāng)前第91頁\共有105頁\編于星期二\19點6.2.5鐵電、壓電和介電材料的應(yīng)用

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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

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當(dāng)前第92頁\共有105頁\編于星期二\19點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)為極化強度與外電場之間產(chǎn)生非線性