半導體和電介質材料

關于半導體和電介質材料6.1導體、半導體和絕緣體材料

導體的電阻率10-5~10-4Ω·cm半導體的電阻率10-4~1010Ω·cm絕緣體的電阻率1010~1014Ω·cm

第2頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.1.1導體、半導體和絕緣體的區(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5頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第6頁,共106頁，2024年2月25日，星期天電子的共有化運動：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，從而導致離原子核較遠的殼層發(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

第7頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

共有化運動動畫1共有化運動動畫2第8頁,共106頁，2024年2月25日，星期天金屬中電子的共有化第9頁,共106頁，2024年2月25日，星期天四個原子的能級的分裂八個原子的能級的分裂Chapter2ChapterChapterSemiconductor

能級分裂動畫第10頁,共106頁，2024年2月25日，星期天當有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)的電子產生微小的能量差異，與此相對應的能級擴展為能帶。第11頁,共106頁，2024年2月25日，星期天由于n是一個非常大的數值，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“準連續(xù)能級”N

1022~1023/cm3Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第12頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

GaN能帶圖第13頁,共106頁，2024年2月25日，星期天能帶圖可簡化成:禁帶寬度Chapter2ChapterChapterSemiconductor

Eg電子能量EcEv第14頁,共106頁，2024年2月25日，星期天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：允許被電子占據的能帶稱為允帶，原子殼層中的內層允帶總是被電子先占滿，然后再占據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的能帶稱為價帶。

導帶：價帶以上能量的最低的允帶稱為導帶。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的，此范圍稱為禁帶。導帶的底能級為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15頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.1.2導體、半導體和絕緣體區(qū)別的能帶論解釋導體的能帶結構：價帶部分填入價帶被填滿金屬第16頁,共106頁，2024年2月25日，星期天金屬、絕緣體、半導體的能帶特征金屬Eg絕緣體半導體Eg價帶導帶Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第17頁,共106頁，2024年2月25日，星期天絕緣體的能帶結構：價帶為滿帶，禁帶較寬ΔEg≈3～6eV第18頁,共106頁，2024年2月25日，星期天半導體的能帶結構：價帶為滿帶，禁帶寬度ΔEg≈0～2eV第19頁,共106頁，2024年2月25日，星期天載流子：導體和半導體的導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。導體的載流子是自由電子；半導體的載流子是帶負電的電子和帶正電的空穴。

第20頁,共106頁，2024年2月25日，星期天本征半導體

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

第21頁,共106頁，2024年2月25日，星期天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第22頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

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23頁,共106頁，2024年2月25日，星期天電子：帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的準自由電子，對應于導帶中占據的電子空穴：帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子電子和空穴共同參與半導體的導電。Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第24頁,共106頁，2024年2月25日，星期天本征半導體：是指不含雜質的半導體；通常由于載流子數目有限，導電性能不好。N型半導體：在本征半導體中摻入5價元素，載流子多數為電子。雜質能級—施主能級P型半導體：在本征半導體中摻入3價元素，載流子多數為空穴。雜質能級—受主能級不同的材料，由于禁帶寬度不同，導帶中的電子數目不同，從而有不同的導電性。本征半導體，n型半導體，p型半導體第25頁,共106頁，2024年2月25日，星期天以硅中摻磷為例：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，成為導電電子在晶格中自由運動——雜質電離；施主雜質和施主能級Chapter2ChapterChapterSemiconductor

施主雜質動畫第26頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Ⅴ族雜質在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心，稱為施主雜質或n型雜質。釋放電子的過程叫做施主電離；施主雜質為電離時是中性的，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)。導帶電子電離施主P+Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第27頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter2ChapterChapterSemiconductor

EcEvED第28頁,共106頁，2024年2月25日，星期天以硅中摻硼為例：形成一個負電中心B-和一個空穴；這個空穴受到的B-束縛很弱，容易掙脫束縛，成為導電空穴在晶格中自由運動——雜質電離；受主雜質和受主能級Chapter2ChapterChapterSemiconductor

受主雜質動畫第29頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Ⅲ族雜質在硅、鍺中電離時，能夠接受電子而產生導電空穴并形成負電中心，稱為受主雜質或p型雜質。釋放電子的過程叫做受主電離；施主雜質為電離時是中性的，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

第30頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter2ChapterChapterSemiconductor

含有受主雜質的半導體，其導電的載流子主要是空穴——P型半導體，或空穴型半導體。EcEvEA第31頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.1.3導體材料

金屬：如銀、銅、鋁等；可用作電纜材料，電池材料，電機材料，開關材料，輻射屏蔽材料，傳感器材料等；導電系數依次銀---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大多數純金屬的導電系數隨溫度升高而升高。第32頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

合金：向導電純金屬中加入其他金屬元素所構成的導電材料即為導電合金材料。此類導電材料經不同方法的強化后，具有良好的導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合工藝制成的導電材料即為復合導電金屬。如銅包鋁線、鋁包銅線等。此類導電材料有線、棒、板、片、管等各種型材。

非金屬：如石墨等；可用作耐腐蝕導體和導電填料等。第33頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.1.4半導體材料無機半導體有機半導體元素半導體化合物半導體本征半導體雜質半導體

半導體材料（按結構形態(tài)）晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體

半導體材料（按化學成份）第34頁,共106頁，2024年2月25日，星期天非晶單晶多晶第35頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

第36頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

負電阻溫度系數是半導體的特有性質之一。1.第37頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光電導效應是半導體的特有性質之二。2.第38頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

整流效應是半導體的特有性質之三。3.第39頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光生伏特效應是半導體的特有性質之四。4.第40頁,共106頁，2024年2月25日，星期天Chapter1Chapter1Chapter1Semiconductor

光生伏特效應是半導體的特有性質之四。半5.第41頁,共106頁，2024年2月25日，星期天霍耳效應的應用判斷半導體的導電類型測定載流子濃度、遷移率、電導率霍爾器件（感受磁場的能力）Chapter2ChapterChapterSemiconductor

選用遷移率高的半導體材料，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，霍耳效應明顯。常選用銻化銦、砷化銦、鍺作霍爾器件。第42頁,共106頁，2024年2月25日，星期天霍爾元件基本結構由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，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

第43頁,共106頁，2024年2月25日，星期天霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件磁鐵Chapter2ChapterChapterSemiconductor

第44頁,共106頁，2024年2月25日，星期天硅和鍺——第一代半導體材料相同點：具有灰色、金屬光澤的固體，硬而脆，金剛石結構，間接帶隙半導體材料.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。第45頁,共106頁，2024年2月25日，星期天硅在太陽能電池上的應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)生光電于轉換反應，第46頁,共106頁，2024年2月25日，星期天當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往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結中形成電勢差，這就形成了電源。由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，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，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結（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，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜（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。第47頁,共106頁，2024年2月25日，星期天單晶硅棒(直拉法、區(qū)熔法)第48頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

擴散第51頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

注入第52頁,共106頁，2024年2月25日，星期天硅（111）晶面圖第53頁,共106頁，2024年2月25日，星期天砷化鎵——第二代半導體材料特點：化合物半導體，晶體結構是閃鋅礦型，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、場效應晶體管等。第54頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第56頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共106頁，2024年2月25日，星期天分類半絕緣砷化鎵低阻砷化鎵第58頁,共106頁，2024年2月25日，星期天高溫區(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)：調整固液界面附件溫度梯度，并抑制石英舟污染第59頁,共106頁，2024年2月25日，星期天氮化鎵——第三代半導體材料

氮化鎵及其相關氮化物材料：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60頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

特點：三種晶體結構：閃鋅礦、纖鋅礦和巖鹽礦寬禁帶半導體材料：

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。第61頁,共106頁，2024年2月25日，星期天英國劍橋大學的研究人員發(fā)現(xiàn)一種生產發(fā)光二極管（LED）的新方法，他們說能在5年中將LED產品的成本降低多達75%。氮化鎵可能是繼硅之后最重要的半導體材料。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鍵材料?！眲虼髮W氮化鎵和材料科學中心(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，光線還可以調節(jié)。第62頁,共106頁，2024年2月25日，星期天“世貿天階”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，進入到20世紀90年底，LED已經能夠發(fā)出紅、藍、橙、黃、綠等單色。最終，進入到1998年之后，白光LED光源研發(fā)成功，現(xiàn)在RGB三色LED光源也已經得到了規(guī)?；瘧?。

LED顯示產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電視都已經出現(xiàn)了相當數量的產品。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成本。第63頁,共106頁，2024年2月25日，星期天中科院半導體所第64頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第65頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第66頁,共106頁，2024年2月25日，星期天光譜特性：散熱特性：LED芯片波長隨注入電流的增加造成發(fā)光波長的嚴重不穩(wěn)定。均勻性和重復性成為外延技術的重要評價指標10-20%發(fā)光，80-90%熱量大功率，老化、失效第67頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

全球功率半導體和管理方案領導廠商–

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品系列，采用了IR革命性的氮化鎵(GaN)功率器件技術平臺。嶄新的iP2010和iP2011系列器件是為多相和負載點(POL)應用設計的，包括服務器、路由器、交換機，以及通用POLDC-DC轉換器。

iP2010和iP2011集成了非常先進的超快速PowIRtune驅動器IC，并匹配一個多開關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，可帶來比最先進的硅集成功率級器件更高的效率和超出雙倍的開關頻率。本篇文章來源于:電源在線網原文鏈接：/news/22151.htm第68頁,共106頁，2024年2月25日，星期天電介質功能材料介電材料鐵電材料壓電材料敏感電介質材料電性材料電導體功能材料導電材料電阻材料超導電體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方式區(qū)分為兩類一類是以電荷長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應，這類材料稱為導電材料另一類以感應的方式對外電場作出響應，即沿著電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質第69頁,共106頁，2024年2月25日，星期天極化：

在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉動的現(xiàn)象，稱為電介質的極化。

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生的極化，稱為自發(fā)極化。介電常數：表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數，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。第70頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

電介質又分為非極性電介質和極性電介質兩大類。前者由非極性分子組成，在無外電場時分子的正負電荷重心互相重合，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系。第71頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第72頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第73頁,共106頁，2024年2月25日，星期天熱釋電體：因為原子的構型是溫度的函數，所以極化狀態(tài)將隨溫度發(fā)生變化。這種性質稱為熱釋電效應。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。具有壓電性質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。第74頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.2.1鐵電材料

是指在某些溫度范圍內具有自發(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。鐵電體的標識性特征是其電極化與外電場的關系表現(xiàn)為電滯回線。第75頁,共106頁，2024年2月25日，星期天電滯回線：

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)極化反向的動力學過程稱為疇的反轉。

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：矯頑電場強度第76頁,共106頁，2024年2月25日，星期天電疇：鐵電體內自發(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第77頁,共106頁，2024年2月25日，星期天居里溫度Tc：鐵電陶瓷只在某一溫度范圍內才具有鐵電性，它有一臨界溫度Tc.，當溫度高于Tc時，鐵電相轉變?yōu)轫橂娤?，自發(fā)極化消失。晶體順電相-鐵電相的臨界轉變溫度Tc稱為居里溫度。第78頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

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陶瓷材料第79頁,共106頁，2024年2月25日，星期天＞120℃，立方晶胞6℃～120℃，四方晶胞-90℃～6℃，斜方晶胞＜-90℃，三方晶胞BaTiO3

晶體結構有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均屬于鈣鈦礦型結構的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。BaTiO3的晶體結構第80頁,共106頁，2024年2月25日，星期天BaTiO3在室溫附近（20℃）為鐵電相，當溫度高于居里溫度（120℃），鐵電相轉變?yōu)轫橂娤唷ｍ橂娤郆aTiO3的結晶學原胞如圖所示：

在鈣鈦礦結構中，有一種非常重要的結構---氧八面體結構。鈣鈦礦結構中氧八面體結構和金剛石結構中的正四面體結構是固體物理學中兩類非常重要的典型結構。第81頁,共106頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共106頁，2024年2月25日，星期天BaTiO3的介電-溫度特性

介電常數隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介電常數一般為3000～5000，在居里溫度處（120℃）發(fā)生突變，可達10000以上。第83頁,共106頁，2024年2月25日，星期天常見的鐵電材料:（1）BT：鈦酸鋇BaTiO3，鈣鐵礦結構，居里溫度120oC；（2）PT：鈦酸鉛PbTiO3，鈣鐵礦結構，居里溫度492oC；（3）PZT：鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3，鈣鐵礦結構，居里溫度386oC；（4）BST：鈦酸鋇鍶(BaxSr1-x)TiO3,鈣鐵礦結構，常溫下沒有鐵電性，介電常數高，現(xiàn)多用于DRAM的柵介質；（5）SBT：鉭酸鍶鉍SrBi2Ta2O9，層狀鈣鈦礦結構，具有優(yōu)異的抗疲勞特性；（6）BTO：鈦酸鉍Bi4Ti3O12，層狀鈣鈦礦結構，有較好的抗疲勞特性。第84頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.2.2壓電材料壓電效應：

1880年CuirePierr和Curiejacques兄弟在實驗中發(fā)現(xiàn)，當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分別出現(xiàn)正負束縛電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電性。這種由機械能轉換成電能的過程稱為正壓電效應。反之，如果把電場加到壓電晶體上，晶體在電場作用下產生應變或應力，這種由電能轉換成機械能的過程稱為逆壓電效應。

第85頁,共106頁，2024年2月25日，星期天正壓電效應逆壓電效應

晶體受到機械力的作用時，表面產生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關系，這種由機械效應轉換成電效應的過程稱為正壓電效應。

晶體在受到外電場激勵下產生形變，且二者之間呈線性關系，這種由電效應轉換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。第86頁,共106頁，2024年2月25日，星期天

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。利用多種元素改進的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎的三元系、四元系壓電陶瓷也都應運而生。第87頁,共106頁，2024年2月25日，星期天工藝性差（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第88頁,共106頁，2024年2月25日，星期天二元系Pb(ZrTi)O3壓電陶瓷

因此，PbZrO3和PbTiO3的結構相同，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。第89頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.2.3熱釋電材料熱釋電效應：某些晶體受溫度變化影響時，由于自發(fā)極化的相應變化而在晶體的一定方向上產生表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應。具有熱釋電效應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90頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.2.4介電材料

介電體的極化：在外電場作用下，電介質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作為電容器的介質而置于其兩極之間，由于電介質的極化，可造成電容器的電容量比以真空為介質時的電容量增加若干倍，電介質的這一性質稱為介電性。電容量增加的倍數稱為電介質的介電常數，或稱介電滲透率，用來表示材料介電性的大小。第91頁,共106頁，2024年2月25日，星期天6.2.5鐵電、壓電和介電材料的應用

評價存儲器的標準：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

鐵電隨機存取存儲器：容量、速度、非易失性、功耗和價格

第92頁,共106頁，2024年2月25日，星期天64KFeRAM存儲原理是基于鐵電薄膜的剩余極化．當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生非線性響應，得到電滯回線；反向電場超過矯頑場時發(fā)生極化反轉；E＝0時表現(xiàn)出正、負剩余極化(±Pr)，分別對應于存儲的“1”和“0