第二章(電性材料).

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l導(dǎo)電材料l半導(dǎo)體材料l超導(dǎo)材料 電性材料的類別電性材料的類別按電學(xué)性能特點(diǎn)按電學(xué)性能特點(diǎn)： 電性材料電性材料導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣體絕緣體 從材料的應(yīng)用角度：從材料的應(yīng)用角度： 電性材料電性材料導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料電阻材料電阻材料電熱材料電熱材料絕緣材料絕緣材料 第二章電性材料導(dǎo)電材料可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。導(dǎo)電材料可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。三大類電子導(dǎo)電材料：三大類電子導(dǎo)電材料： 導(dǎo)體：電導(dǎo)率導(dǎo)體：電導(dǎo)率 10105 5 S Sm m-1-1（或（或 -1-1m m-1-1）；）； 半導(dǎo)體：電導(dǎo)率半導(dǎo)體：電導(dǎo)率 在在1010-8-

2、810104 4 S Sm m-1-1之間；之間； 超導(dǎo)體：電導(dǎo)率超導(dǎo)體：電導(dǎo)率 趨于趨于無限大（無限大（T TT Tc c）。）。第一節(jié)導(dǎo)電材料第一節(jié)導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料純金屬純金屬合金合金 銅銅鋁鋁其他其他( (銀、金、鎳、鉑等銀、金、鎳、鉑等) )銅合金銅合金鋁合金鋁合金其他其他( (銀合金、金合金、鎳合金等銀合金、金合金、鎳合金等) )導(dǎo)電材料的性能要求：導(dǎo)電材料的性能要求：高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能和加工性能。高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能和加工性能。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料一、導(dǎo)電材料的種類及應(yīng)用一、導(dǎo)電材料的種類及應(yīng)用l 純

3、金屬純金屬電導(dǎo)率電導(dǎo)率 在在10107 710108 8 S Sm m-1-1之間。之間。1 1、銅、銅純銅，又稱紫銅，外觀呈淡紫紅色。純銅，又稱紫銅，外觀呈淡紫紅色。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電性（僅次于銀）、耐腐蝕性、塑性加工性。良好的導(dǎo)電性（僅次于銀）、耐腐蝕性、塑性加工性。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：硬度低、耐磨性差、易與硫生成硫化銅而致使導(dǎo)電性能降低。硬度低、耐磨性差、易與硫生成硫化銅而致使導(dǎo)電性能降低。因此，用銅制造的導(dǎo)線不能與硫化過的橡膠直接接觸，使用時(shí)必須在因此，用銅制造的導(dǎo)線不能與硫化過的橡膠直接接觸，使用時(shí)必須在銅導(dǎo)線外面預(yù)先鍍好一層錫。銅導(dǎo)線外面預(yù)先鍍好一層錫。影響銅導(dǎo)電性能的因素：影響銅導(dǎo)電

4、性能的因素：雜質(zhì)雜質(zhì)( (如氧如氧) )、冷加工等將降低銅的電導(dǎo)率。、冷加工等將降低銅的電導(dǎo)率。改善措施：改善措施：在保護(hù)氣氛下可以重熔出無氧銅，具有塑性高，電導(dǎo)率高在保護(hù)氣氛下可以重熔出無氧銅，具有塑性高，電導(dǎo)率高的特點(diǎn)。冷加工制成的純銅經(jīng)的特點(diǎn)。冷加工制成的純銅經(jīng)400400600600 C C退火處理，可使其導(dǎo)電性能有所退火處理，可使其導(dǎo)電性能有所恢復(fù)?；謴?fù)。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料2 2、鋁、鋁鋁的電導(dǎo)率約為銅的鋁的電導(dǎo)率約為銅的61%61%，密度為銅的，密度為銅的30%30%，機(jī)械強(qiáng)度為銅的，機(jī)械強(qiáng)度為銅的1/21/2，比，比強(qiáng)度比銅高約強(qiáng)度比銅高約30%30

5、%。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電性，良好的導(dǎo)電性，資源豐富，價(jià)格便宜。資源豐富，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性較差，不易焊接，與其他電極電位較大的金強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性較差，不易焊接，與其他電極電位較大的金屬屬( (如銅如銅) )接觸時(shí)耐腐蝕能力降低。接觸時(shí)耐腐蝕能力降低。例如，在環(huán)境潮濕中，易形成電動(dòng)勢相當(dāng)高的局部電池而遭受嚴(yán)重的例如，在環(huán)境潮濕中，易形成電動(dòng)勢相當(dāng)高的局部電池而遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞。因此，在選用鋁材時(shí)，應(yīng)避免高電極電位雜質(zhì)的存在，而對(duì)鋁腐蝕破壞。因此，在選用鋁材時(shí)，應(yīng)避免高電極電位雜質(zhì)的存在，而對(duì)鋁線與銅線的接合處，則要增加保護(hù)措施。線與銅線的接合處，則要增加保護(hù)措施。影響鋁的

6、性能的因素：影響鋁的性能的因素：雜質(zhì)使鋁的電導(dǎo)率下降雜質(zhì)使鋁的電導(dǎo)率下降（其中鉻、鋰、錳、釩、（其中鉻、鋰、錳、釩、鈦等影響較大，須嚴(yán)格控制）鈦等影響較大，須嚴(yán)格控制）。冷加工對(duì)鋁的電導(dǎo)率影響不大。冷加工對(duì)鋁的電導(dǎo)率影響不大（例如經(jīng)（例如經(jīng)90%90%以上冷變形，鋁的抗拉強(qiáng)度可提高以上冷變形，鋁的抗拉強(qiáng)度可提高5 56 6倍，電導(dǎo)率降低約倍，電導(dǎo)率降低約1.5%1.5%）。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料3 3、其他純金屬、其他純金屬（1 1）銀）銀特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有最高的電導(dǎo)率，極好的加工性，但價(jià)格較高。具有最高的電導(dǎo)率，極好的加工性，但價(jià)格較高。在貴金屬中，銀又是價(jià)格最低的。

7、在貴金屬中，銀又是價(jià)格最低的。應(yīng)用：應(yīng)用：接點(diǎn)材料、云母與陶瓷電容器的被覆與燒滲銀電極、銀基焊料、接點(diǎn)材料、云母與陶瓷電容器的被覆與燒滲銀電極、銀基焊料、導(dǎo)線電鍍材料、制造高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電相材料等。導(dǎo)線電鍍材料、制造高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電相材料等。（2 2）金）金特點(diǎn)：特點(diǎn)：電導(dǎo)率與鋁相近，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴。電導(dǎo)率與鋁相近，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴。應(yīng)用：應(yīng)用：接點(diǎn)與電鍍材料，引線和連接材料等。接點(diǎn)與電鍍材料，引線和連接材料等。（3 3）鎳）鎳特點(diǎn)：特點(diǎn)：熔點(diǎn)較高，便于焊接。熔點(diǎn)較高，便于焊接。應(yīng)用：應(yīng)用：電真空器件電真空器件( (如支架、柵板、極板、隔離罩等如支架、柵板、極

8、板、隔離罩等) ) 。（4 4）鉑）鉑特點(diǎn)：特點(diǎn)：良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的加工性。良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的加工性。應(yīng)用：應(yīng)用：觸點(diǎn)材料、高溫?zé)犭娕疾牧?、厚膜?dǎo)體及電極材料等。觸點(diǎn)材料、高溫?zé)犭娕疾牧?、厚膜?dǎo)體及電極材料等。 第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料室溫下一些純金屬的電導(dǎo)率室溫下一些純金屬的電導(dǎo)率材料類別材料類別 / Sm1材料類別材料類別 / Sm1銀（銀（AgAg）6.3107鐵（鐵（FeFe）1.03107銅（銅（CuCu）5.85107鉑（鉑（PtPt）0.94107金（金（AuAu）4.25107鈀（鈀（PdPd）0.92107鋁（鋁（AlAl）3.45107錫

9、（錫（SnSn）0.91107鎂（鎂（MgMg）2.2107鉭（鉭（TaTa）0.8107鋅（鋅（ZnZn）1.7107鉻（鉻（CrCr）0.78107鈷（鈷（CoCo）1.6107鉛（鉛（PbPb）0.48107鎳（鎳（NiNi）1.46107鋯（鋯（ZrZr）0.25107第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料l 合金材料合金材料電導(dǎo)率電導(dǎo)率 在在10105 510107 7 S Sm m-1-1之間。之間。1 1、銅合金、銅合金（1 1）銀銅合金）銀銅合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：銀的加入提高耐熱性和強(qiáng)度，但導(dǎo)電性能略有下降。銀的加入提高耐熱性和強(qiáng)度，但導(dǎo)電性能略有下降。應(yīng)用：應(yīng)用：含銀含銀

10、0.030.030.1%0.1%的銀銅合金用作引線、電極、電接觸片等。的銀銅合金用作引線、電極、電接觸片等。（2 2）鋯銅合金（）鋯銅合金（Cu-0.2ZrCu-0.2Zr）特點(diǎn)：特點(diǎn)：強(qiáng)度和耐熱性優(yōu)于銀銅合金，但成本較高。強(qiáng)度和耐熱性優(yōu)于銀銅合金，但成本較高。應(yīng)用：應(yīng)用：代替銀銅，用作高溫引線和導(dǎo)線。代替銀銅，用作高溫引線和導(dǎo)線。（3 3）鈹銅合金）鈹銅合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：無磁性，高的耐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性。鈹?shù)募尤肟商岣邿o磁性，高的耐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性。鈹?shù)募尤肟商岣邚?qiáng)度，但電導(dǎo)率下降。強(qiáng)度，但電導(dǎo)率下降。應(yīng)用：應(yīng)用：用作導(dǎo)電彈簧、電刷、插頭等。用作導(dǎo)電彈簧、電刷、插頭等。（4 4）

11、銅鎳合金）銅鎳合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：良好的耐蝕性、較高的楊氏模量。良好的耐蝕性、較高的楊氏模量。應(yīng)用：應(yīng)用：繼電器用彈簧。繼電器用彈簧。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料2 2、鋁合金、鋁合金 （1 1）鋁硅合金）鋁硅合金特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)及應(yīng)用：鑄造鋁硅合金鑄造鋁硅合金(11(1113%Si)13%Si)流動(dòng)性好流動(dòng)性好, ,線膨脹系數(shù)比鋁小，具有良好的線膨脹系數(shù)比鋁小，具有良好的耐蝕性和焊接性。耐蝕性和焊接性。變形鋁硅合金加工性能良好，用作連接線。變形鋁硅合金加工性能良好，用作連接線。（2 2）鋁鎂合金）鋁鎂合金(Mg%(Mg%1%)1%)特點(diǎn)：特點(diǎn)：加工簡便、焊接性和耐蝕性較好。加

12、工簡便、焊接性和耐蝕性較好。應(yīng)用：應(yīng)用：軟態(tài)合金可作電線電纜的芯線，硬態(tài)合金多作架空導(dǎo)線。軟態(tài)合金可作電線電纜的芯線，硬態(tài)合金多作架空導(dǎo)線。3 3、其他合金材料、其他合金材料（1 1）銀合金和金合金）銀合金和金合金特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)及應(yīng)用：良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性，常用作接點(diǎn)材料。良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性，常用作接點(diǎn)材料。（2 2）鎳合金）鎳合金特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)及應(yīng)用：良好的成型加工性、封裝性、電鍍性等，用作封裝材料。良好的成型加工性、封裝性、電鍍性等，用作封裝材料。 第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料室溫下一些合金的電導(dǎo)率室溫下一些合金的電導(dǎo)率材料類別材料類別 / Sm1Al-1

13、.2%MnAl-1.2%Mn合金合金2.95107黃銅（黃銅（70%Cu-30%Zn70%Cu-30%Zn）1.6107灰鑄鐵灰鑄鐵0.15107不銹鋼，不銹鋼，3013010.14107鎳鉻合金（鎳鉻合金（80%Ni-20%Cr80%Ni-20%Cr） 0.093107第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料二、電阻材料的種類及應(yīng)用二、電阻材料的種類及應(yīng)用 一類電阻率較高的導(dǎo)電材料，包括精密電阻材料和電阻敏感材料。一類電阻率較高的導(dǎo)電材料，包括精密電阻材料和電阻敏感材料。l 錳銅電阻合金錳銅電阻合金錳銅合金屬銅、錳、鎳系精密電阻合金，密度錳銅合金屬銅、錳、鎳系精密電阻合金，密度8.4

14、8.48.78.7。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好，對(duì)銅熱電勢小，機(jī)械加工和焊接電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好，對(duì)銅熱電勢小，機(jī)械加工和焊接性能良好。但使用溫度范圍窄。性能良好。但使用溫度范圍窄。應(yīng)用：應(yīng)用：制作室溫范圍的各種中、低阻值電阻器，如標(biāo)準(zhǔn)電阻器、分流制作室溫范圍的各種中、低阻值電阻器，如標(biāo)準(zhǔn)電阻器、分流器、精密或普通的電阻元件。器、精密或普通的電阻元件。l 康銅電阻合金康銅電阻合金康銅合金含鎳約康銅合金含鎳約40%40%，密度，密度8.888.88。若用鋁代替錳銅中的鎳，又可得到密。若用鋁代替錳銅中的鎳，又可得到密度為度為8.008.00的新康銅合金（又稱無鎳錳白銅）。的新康銅合金

15、（又稱無鎳錳白銅）。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)低，抗氧化能力、機(jī)械性能、耐熱性能優(yōu)良，使電阻溫度系數(shù)低，抗氧化能力、機(jī)械性能、耐熱性能優(yōu)良，使用溫度范圍寬。缺點(diǎn)是對(duì)銅的熱電勢高，不適于作直流元件。用溫度范圍寬。缺點(diǎn)是對(duì)銅的熱電勢高，不適于作直流元件。應(yīng)用：應(yīng)用：交流精密電阻器和電位器繞組等。交流精密電阻器和電位器繞組等。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料l 鎳鉻系電阻合金鎳鉻系電阻合金 1 1、鎳鉻電阻合金線、鎳鉻電阻合金線特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻率較高，耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性良好，使用溫度范圍電阻率較高，耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性良好，使用溫度范圍寬。但電阻溫度系數(shù)大，阻值穩(wěn)定性差。寬。

16、但電阻溫度系數(shù)大，阻值穩(wěn)定性差。應(yīng)用：應(yīng)用：制造普通的線繞電阻器和電位器。制造普通的線繞電阻器和電位器。2 2、鎳鉻合金薄膜、鎳鉻合金薄膜特點(diǎn)：特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，阻值精度高，電阻率高，阻值范圍寬，電阻溫度系性能穩(wěn)定，阻值精度高，電阻率高，阻值范圍寬，電阻溫度系數(shù)小。數(shù)小。應(yīng)用：應(yīng)用：制造金屬膜電阻器、薄膜集成電路中的薄膜電阻器。制造金屬膜電阻器、薄膜集成電路中的薄膜電阻器。3 3、鎳鉻基精密電阻合金、鎳鉻基精密電阻合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、機(jī)械強(qiáng)度高、加工性能好，使用溫度范圍寬。但焊接性能比錳銅線差

17、。機(jī)械強(qiáng)度高、加工性能好，使用溫度范圍寬。但焊接性能比錳銅線差。應(yīng)用：應(yīng)用：制造線繞電阻器、電位器，以及大功率、高阻值、小型化的精制造線繞電阻器、電位器，以及大功率、高阻值、小型化的精密電阻元件。密電阻元件。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料l 貴金屬電阻合金貴金屬電阻合金 應(yīng)用：應(yīng)用：精密線繞電位器繞組的重要材料。精密線繞電位器繞組的重要材料。 1 1、鉑基電阻合金、鉑基電阻合金 特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻值適中，耐腐蝕、抗氧化性能極優(yōu)，接觸電阻小且穩(wěn)定，電阻值適中，耐腐蝕、抗氧化性能極優(yōu)，接觸電阻小且穩(wěn)定，硬度高，壽命長，加工性、焊接性良好。硬度高，壽命長，加工性、焊接性良好。2 2、

18、鈀基電阻合金、鈀基電阻合金 特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻率高，電阻溫度系數(shù)較低，接觸電阻低而穩(wěn)定，焊接性能電阻率高，電阻溫度系數(shù)較低，接觸電阻低而穩(wěn)定，焊接性能好，價(jià)格較鉑基電阻合金線低。但耐腐蝕性、抗氧化性較鉑基合金差。好，價(jià)格較鉑基電阻合金線低。但耐腐蝕性、抗氧化性較鉑基合金差。3 3、金基合金、金基合金 特點(diǎn)：特點(diǎn)：抗氧化性、耐腐蝕性僅次于鉑，價(jià)格比鉑低?？寡趸浴⒛透g性僅次于鉑，價(jià)格比鉑低。金基二元合金電阻率低，電阻溫度系數(shù)較高，硬度較低，不耐磨。金基二元合金電阻率低，電阻溫度系數(shù)較高，硬度較低，不耐磨。金基多元合金金基多元合金( (如金銀銅線、金鎳鉻線、金鎳銅線及金鈀鐵鋁線等如金銀銅線、金鎳鉻

19、線、金鎳銅線及金鈀鐵鋁線等) )具具有高的電阻率，低的電阻溫度系數(shù)，硬度、強(qiáng)度和耐磨性均有提高。有高的電阻率，低的電阻溫度系數(shù)，硬度、強(qiáng)度和耐磨性均有提高。4 4、銀基合金、銀基合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：性能介于金基線和錳銅線之間。抗腐蝕性較錳銅線好，但不抗性能介于金基線和錳銅線之間?？垢g性較錳銅線好，但不抗硫化和鹽霧的腐蝕，因此使用價(jià)值不如金基電阻合金線。硫化和鹽霧的腐蝕，因此使用價(jià)值不如金基電阻合金線。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料三、其他導(dǎo)電材料及應(yīng)用三、其他導(dǎo)電材料及應(yīng)用 l 電接觸材料電接觸材料電接觸材料是用于有滑動(dòng)接點(diǎn)或分合接點(diǎn)的電子元件中的電接觸連接電接觸材料是用于有滑

20、動(dòng)接點(diǎn)或分合接點(diǎn)的電子元件中的電接觸連接的導(dǎo)電材料，又稱為接點(diǎn)材料、接頭材料。如可變電阻器、電位器、開關(guān)的導(dǎo)電材料，又稱為接點(diǎn)材料、接頭材料。如可變電阻器、電位器、開關(guān)插頭座、繼電器等。插頭座、繼電器等。電接觸材料的一般要求：電接觸材料的一般要求：接觸電阻低而穩(wěn)定，無損耗、接觸無變形、接觸電阻低而穩(wěn)定，無損耗、接觸無變形、不熔接、開關(guān)準(zhǔn)確等。不熔接、開關(guān)準(zhǔn)確等。常用材料常用材料：（1 1）AgAg、PdPd、AuAu、PtPt等貴金屬或以它們?yōu)榛暮辖?，適等貴金屬或以它們?yōu)榛暮辖?，適用于較小電流的場合。（用于較小電流的場合。（2 2）W W、MoMo、CuCu、WCWC等為主要成分的合金材料

21、，適等為主要成分的合金材料，適用于較大電流的場合。用于較大電流的場合。l 電碳材料電碳材料電碳材料是非金屬高電阻導(dǎo)電材料，包括石墨等結(jié)晶形碳和炭黑、焦電碳材料是非金屬高電阻導(dǎo)電材料，包括石墨等結(jié)晶形碳和炭黑、焦炭等無定形碳。用于制造電機(jī)電刷、電位器電刷、碳棒、各種電極等炭等無定形碳。用于制造電機(jī)電刷、電位器電刷、碳棒、各種電極等 。l 復(fù)合導(dǎo)電高聚物復(fù)合導(dǎo)電高聚物復(fù)合導(dǎo)電高聚物由基體高聚物和導(dǎo)電填料以及增塑劑、溶劑、顏料等復(fù)合導(dǎo)電高聚物由基體高聚物和導(dǎo)電填料以及增塑劑、溶劑、顏料等組成。組成。第二章 電性材料2.1 2.1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料的重要性：半導(dǎo)體材料的重要性：半導(dǎo)體材料是微

22、電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料是微電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料的發(fā)展與器件緊密相關(guān)，兩者相互影響，相互促進(jìn)。半導(dǎo)體材料的發(fā)展與器件緊密相關(guān)，兩者相互影響，相互促進(jìn)。半導(dǎo)體材料的發(fā)展：半導(dǎo)體材料的發(fā)展：19411941年，半導(dǎo)體材料開始得到應(yīng)用。年，半導(dǎo)體材料開始得到應(yīng)用。19481948年，世界上誕生了第一個(gè)具有放大性能的晶體三極管。年，世界上誕生了第一個(gè)具有放大性能的晶體三極管。19521952年，世界上第一根硅單晶采用直拉法成功拉出。年，世界上第一根硅單晶采用直拉法成功拉出。2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初，硅材料單晶制備方法進(jìn)一步得到改進(jìn)和提高。年代初，硅材料

23、單晶制備方法進(jìn)一步得到改進(jìn)和提高。7070年代以來，半導(dǎo)體材料成功應(yīng)用于集成電路。年代以來，半導(dǎo)體材料成功應(yīng)用于集成電路。半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向：半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向：高純度、高完整性、高均勻性和大尺寸。高純度、高完整性、高均勻性和大尺寸。第二節(jié)半導(dǎo)體材料第二節(jié)半導(dǎo)體材料第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC現(xiàn)在的筆記本電腦現(xiàn)在的筆記本電腦第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料世界上第一只晶體管世界上第一只晶體管世界上第一個(gè)集成電路世界上第一個(gè)集成電路單晶硅集成電路單晶硅集成電路第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)

24、體材料半導(dǎo)體材料一、典型半導(dǎo)體材料一、典型半導(dǎo)體材料l 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 半導(dǎo)體元素基本上處于半導(dǎo)體元素基本上處于AA族族AA族的金屬與非金屬的交界處，約有族的金屬與非金屬的交界處，約有十幾種，如十幾種，如族元素族元素B B（硼），（硼），IVIV族元素族元素GeGe（鍺）、（鍺）、SiSi（硅），（硅），V V族元素族元素S S（硫）、（硫）、SeSe（硒）、（硒）、TeTe（碲）等。（碲）等。 SiSi和和GeGe是第一代半導(dǎo)體材料的典型代表，應(yīng)用最為廣泛。是第一代半導(dǎo)體材料的典型代表，應(yīng)用最為廣泛。AtPoBiPbTlITeSbSnInBrSeAsGeGaClSPSiAlFONCBA

25、AAAA第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1 1、硅和鍺、硅和鍺 （1 1）硅和鍺的性質(zhì)）硅和鍺的性質(zhì)v 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 金剛石立方金剛石立方v 化學(xué)鍵化學(xué)鍵 共價(jià)鍵。共價(jià)鍵。每一個(gè)原子貢獻(xiàn)四個(gè)價(jià)電子。每一個(gè)原子貢獻(xiàn)四個(gè)價(jià)電子。v 具有灰色金屬光澤，硬而脆具有灰色金屬光澤，硬而脆v 室溫電子遷移率室溫電子遷移率 e e(Ge)(Ge)3800cm3800cm2 2/ V/ Vs s； e e(Si)(Si)1800cm1800cm2 2/ V/ Vs sv 室溫本征電阻率室溫本征電阻率 (Ge)(Ge)2.32.310105 5 cmcm； (Si)(Si)4646 cmc

26、mv 室溫禁帶寬度室溫禁帶寬度 E Eg g(Ge)(Ge)0.67eV0.67eV；E Eg g(Si)(Si)1.106eV1.106eV硅、鍺的金剛石立方結(jié)構(gòu)硅、鍺的金剛石立方結(jié)構(gòu)第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 （2 2）硅和鍺單晶的制備）硅和鍺單晶的制備 首先獲得超高純度的硅或鍺的多晶材料，然后制備硅或鍺單晶。首先獲得超高純度的硅或鍺的多晶材料，然后制備硅或鍺單晶。石英管石英管高頻加熱器高頻加熱器惰性氣體惰性氣體(N2)拉伸裝置拉伸裝置石墨制螺桿容器石墨制螺桿容器氣體出口氣體出口半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料區(qū)熔提純法示意圖區(qū)熔提純法示意圖區(qū)熔提純?cè)恚簠^(qū)熔提純?cè)恚豪萌?/p>

27、質(zhì)在凝固時(shí)的重新分布來獲得提純效果。利用溶質(zhì)在凝固時(shí)的重新分布來獲得提純效果。 將原料裝入螺桿狀容器內(nèi)，采用感應(yīng)加熱使一部分原料熔化，然后緩將原料裝入螺桿狀容器內(nèi)，采用感應(yīng)加熱使一部分原料熔化，然后緩慢移動(dòng)熔化部分，雜質(zhì)（溶質(zhì)）則陸續(xù)淀積于螺桿容器的終端，經(jīng)過多慢移動(dòng)熔化部分，雜質(zhì)（溶質(zhì)）則陸續(xù)淀積于螺桿容器的終端，經(jīng)過多次循環(huán)作用，即可獲得到超高純度的半導(dǎo)體多晶材料，有害雜質(zhì)的含量次循環(huán)作用，即可獲得到超高純度的半導(dǎo)體多晶材料，有害雜質(zhì)的含量小于小于0.010.011010-6-6。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制備單晶的方法包括直拉法、區(qū)熔法、定向結(jié)晶法等。制備單晶的

28、方法包括直拉法、區(qū)熔法、定向結(jié)晶法等。直拉法是制備大單晶的最主要方法。直拉法是制備大單晶的最主要方法。直拉單晶設(shè)備及剖面圖直拉單晶設(shè)備及剖面圖第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料石英坩堝石英坩堝石墨托石墨托石墨加熱器石墨加熱器保溫筒保溫筒電極電極硅單晶硅單晶籽晶籽晶現(xiàn)代直拉爐示意圖現(xiàn)代直拉爐示意圖直拉單晶原理：直拉單晶原理：首先將區(qū)域熔煉法得到的高純首先將區(qū)域熔煉法得到的高純度硅或鍺多晶材料裝入坩堝中使之度硅或鍺多晶材料裝入坩堝中使之熔化，然后加熱到比材料熔點(diǎn)稍高熔化，然后加熱到比材料熔點(diǎn)稍高的溫度后保持爐溫。將籽晶夾在籽的溫度后保持爐溫。將籽晶夾在籽晶桿上，隨后讓籽晶桿下降，

29、使籽晶桿上，隨后讓籽晶桿下降，使籽晶與液面接觸，接著緩慢降低溫度，晶與液面接觸，接著緩慢降低溫度，同時(shí)使籽晶桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上同時(shí)使籽晶桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上提拉，這樣晶體便在籽晶下按籽晶提拉，這樣晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大，最終成長為單晶硅錠的方向長大，最終成長為單晶硅錠或單晶鍺錠?；騿尉фN錠。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料單晶硅錠單晶硅錠單晶硅片單晶硅片切片、拋光切片、拋光單晶硅片的平整度要求：單晶硅片的平整度要求：硅片在硅片在25mm25mm44mm44mm的范圍內(nèi)起伏不超過的范圍內(nèi)起伏不超過100nm100nm。對(duì)比：對(duì)比：相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)60m60m10

30、5m105m的足球場地面起伏不超過的足球場地面起伏不超過0.24mm0.24mm！第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 （3 3）硅和鍺的主要用途）硅和鍺的主要用途 硅：硅：用于制造集成電路、可控硅、二極管、晶體管等。用于制造集成電路、可控硅、二極管、晶體管等。 用于制造夜視鏡和夜視照相機(jī)的紅外聚焦透鏡。用于制造夜視鏡和夜視照相機(jī)的紅外聚焦透鏡。 超純硅對(duì)超純硅對(duì)1 17 7 mm紅外光透過率高達(dá)紅外光透過率高達(dá)909095%95%。鍺：鍺：用于制造紅外器件、高頻器件等。用于制造紅外器件、高頻器件等。 鍺在紅外及高頻特性方面具有優(yōu)良的性能。鍺在紅外及高頻特性方面具有優(yōu)良的性能。

31、 2 2、硒、硒 （1 1）硒的性質(zhì)）硒的性質(zhì) 具有金屬光澤，禁帶寬度具有金屬光澤，禁帶寬度E Eg g約約1.5eV1.5eV。硒為空穴型導(dǎo)電的。硒為空穴型導(dǎo)電的p p型半導(dǎo)體，其型半導(dǎo)體，其空穴的遷移率很小，約空穴的遷移率很小，約0.1cm0.1cm2 2/(V/(Vs)s)以下，且隨溫度的升高而增大。以下，且隨溫度的升高而增大。 （2 2）硒的主要用途）硒的主要用途 用于制造固體整流器、光電池等。用于制造固體整流器、光電池等。 硒整流器是最早的固體整流器之一，但其效率和允許電流密度均遠(yuǎn)低于硒整流器是最早的固體整流器之一，但其效率和允許電流密度均遠(yuǎn)低于鍺、硅整流器，現(xiàn)已很少采用。鍺、硅整流

32、器，現(xiàn)已很少采用。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料l 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體1 1、化合物半導(dǎo)體的類別、化合物半導(dǎo)體的類別 （1 1）二元化合物半導(dǎo)體）二元化合物半導(dǎo)體v A-AA-A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體GaAsGaAs、GaPGaP、InPInP、InSbInSb、InAsInAs、GaNGaN、AlPAlP、AlAsAlAs、AlSbAlSb、GaSbGaSb等。等。v B-AB-A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體CdSCdS、CdTeCdTe、CdSeCdSe等。等。v A-AA-A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體SiCSiC。 第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)

33、體材料半導(dǎo)體材料v A-A A-A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體GeSGeS、GeSeGeSe、SnTeSnTe、PbSPbS、PbTePbTe等。等。v A-AA-A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體AsSeAsSe3 3、AsTeAsTe3 3、AsSAsS3 3、SbSSbS3 3等。等。 （2 2）多元化合物半導(dǎo)體）多元化合物半導(dǎo)體v IB-A-(A)IB-A-(A)2 2組成的多元化合物半導(dǎo)體組成的多元化合物半導(dǎo)體 如如AgGeTeAgGeTe2 2。v IB-A-(A)IB-A-(A)2 2組成的多元化合物半導(dǎo)體組成的多元化合物半導(dǎo)體 如如AgAsSeAgAsSe2 2。v (IB)(IB

34、)2 2-B-A-(A)-B-A-(A)4 4組成的多元化合物半導(dǎo)體組成的多元化合物半導(dǎo)體 如如CuCu2 2CdSnTeCdSnTe4 4。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 2 2、-族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體 （1 1）砷化鎵）砷化鎵(GaAs)(GaAs) 砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的典型代表。砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的典型代表。 砷化鎵的性質(zhì)砷化鎵的性質(zhì)v 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 閃鋅礦型閃鋅礦型v 化學(xué)鍵化學(xué)鍵 共價(jià)鍵。共價(jià)鍵。每個(gè)原子和周圍最近鄰的四個(gè)其每個(gè)原子和周圍最近鄰的四個(gè)其 它原子發(fā)生鍵合。它原子發(fā)生鍵合。v 室溫電子遷移率室溫電子遷移率 e e8500cm8

35、500cm2 2/ V/ Vs s。約為硅的約為硅的7倍。倍。v 室溫禁帶寬度室溫禁帶寬度 E Eg g1.424eV1.424eV。比硅的大。比硅的大。 Ga As砷化鎵的閃鋅礦型砷化鎵的閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料籽晶籽晶石英坩堝石英坩堝B2O3熔體熔體惰性氣體惰性氣體高頻線圈高頻線圈熔體熔體單晶單晶液封法（液封法（LEC）的原理圖）的原理圖砷化鎵單晶材料的制備砷化鎵單晶材料的制備 制備砷化鎵單晶的方法包括水平區(qū)熔制備砷化鎵單晶的方法包括水平區(qū)熔法、定向結(jié)晶法、溫度梯度法、磁拉法、法、定向結(jié)晶法、溫度梯度法、磁拉法、浮區(qū)熔煉法、液體封閉直拉法

36、等。浮區(qū)熔煉法、液體封閉直拉法等。 液體封閉直拉法是制備砷化鎵單晶的液體封閉直拉法是制備砷化鎵單晶的主要方法。主要方法。液封直拉單晶原理：液封直拉單晶原理： 類似制備硅單晶的直拉法。類似制備硅單晶的直拉法。 將熔體用某種流體（如將熔體用某種流體（如B B2 2O O3 3）覆蓋，并）覆蓋，并置于惰性氣體中。封閉系統(tǒng)保持高的壓力置于惰性氣體中。封閉系統(tǒng)保持高的壓力（大于砷化鎵的離解壓），拉單晶的過程（大于砷化鎵的離解壓），拉單晶的過程同直拉法。同直拉法。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料砷化鎵的主要用途砷化鎵的主要用途主要用于制造光電子器件、光電存儲(chǔ)器等。主要用于制造光電子器件

37、、光電存儲(chǔ)器等。 化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域應(yīng)用應(yīng)用器件器件材料材料微電子微電子計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)超高速集成電路（超高速集成電路（IC）GaAs, InP移動(dòng)電話移動(dòng)電話場效應(yīng)器件（場效應(yīng)器件（FET）GaAs衛(wèi)星直播衛(wèi)星直播高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管GaAs光電子光電子光通信光通信激光器件激光器件GaAs, InP, GaSb, InAs遙控耦合器遙控耦合器紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管GaAs顯示裝置顯示裝置可見光二極管可見光二極管GaP, GaAs, GaN, GaAsP, GaAlAs, InGa, AlP熱成像儀熱成像儀CdTe, CdZnTe, HgCdTe紅外

38、探測器紅外探測器InSb, CdTe, HgCdTe, PbS, PbZnTe傳感器傳感器磁敏、光敏器件磁敏、光敏器件GaAs, InAsP, CdS太陽能電池太陽能電池GaAs, InP, GaSb第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 （2 2）其他）其他-V-V族化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用族化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用 磷化鎵磷化鎵(GaP)(GaP) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：高的光電轉(zhuǎn)換效率，低電耗下具有高的亮度。高的光電轉(zhuǎn)換效率，低電耗下具有高的亮度。 磷化鎵是高效率多色性發(fā)光材料，在摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)后，能發(fā)出磷化鎵是高效率多色性發(fā)光材料，在摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)后，能發(fā)出紅、綠、黃等顏色的光。紅、綠、黃等顏

39、色的光。 應(yīng)用：應(yīng)用：制造可見光發(fā)光二極管和數(shù)碼管。制造可見光發(fā)光二極管和數(shù)碼管。 磷化銦磷化銦(InP)(InP) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：物理性質(zhì)與砷化鎵相似，但電子遷移率更大，負(fù)阻效應(yīng)更明顯。物理性質(zhì)與砷化鎵相似，但電子遷移率更大，負(fù)阻效應(yīng)更明顯。 應(yīng)用：應(yīng)用：制造電子轉(zhuǎn)換器件、場效應(yīng)晶體管、激光器等器件。制造電子轉(zhuǎn)換器件、場效應(yīng)晶體管、激光器等器件。 銻化銦銻化銦(InSb)(InSb)和砷化銦和砷化銦(InAs)(InAs) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：熔點(diǎn)較低，禁帶寬度較小，磁阻效應(yīng)顯著，易于制備。熔點(diǎn)較低，禁帶寬度較小，磁阻效應(yīng)顯著，易于制備。 應(yīng)用：應(yīng)用：銻化銦：銻化銦：制造光電導(dǎo)型、光生伏特型、光磁電型

40、探測器。制造光電導(dǎo)型、光生伏特型、光磁電型探測器。 砷化銦：砷化銦：制造光生伏特型探測器。制造光生伏特型探測器。 利用利用InSb、InAs的磁阻效應(yīng)，制造霍爾器件和光磁電器件。的磁阻效應(yīng)，制造霍爾器件和光磁電器件。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料3 3、-族化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用族化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用（1 1）硫化鋅）硫化鋅(ZnS)(ZnS)和硒化鋅和硒化鋅(ZnSe)(ZnSe) 特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)及應(yīng)用： 硫化鋅：硫化鋅：具有閃鋅礦型和纖維鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。粉末狀硫化鋅是重要具有閃鋅礦型和纖維鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)。粉末狀硫化鋅是重要的光致發(fā)光、陰極射線致發(fā)光和電致發(fā)光材料。硫化鋅單

41、晶或燒結(jié)片是良的光致發(fā)光、陰極射線致發(fā)光和電致發(fā)光材料。硫化鋅單晶或燒結(jié)片是良好的紅外窗口材料，單晶還可制造激光調(diào)制器。好的紅外窗口材料，單晶還可制造激光調(diào)制器。 硒化鋅：硒化鋅：用于制造黃光和綠光結(jié)型發(fā)光器件。用于制造黃光和綠光結(jié)型發(fā)光器件。（2 2）硫化鎘）硫化鎘(CdS)(CdS)、硒化鎘、硒化鎘(CdSe)(CdSe)和碲化鎘和碲化鎘(CdTe)(CdTe) 特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)及應(yīng)用： 硫化鎘：硫化鎘：屬六方晶系，各向異性顯著。粉末材料可制成電致發(fā)光器件、屬六方晶系，各向異性顯著。粉末材料可制成電致發(fā)光器件、光敏電阻、光電池及太陽能電池等；單晶材料可用于紅外窗口、激光調(diào)制光敏電阻、光電池

42、及太陽能電池等；單晶材料可用于紅外窗口、激光調(diào)制器、器、 射線探測器、光敏電阻等。射線探測器、光敏電阻等。 硒化鎘：硒化鎘：制造光敏電阻。制造光敏電阻。 碲化鎘：碲化鎘：制作核輻射探測器。制作核輻射探測器。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料4 4、其他化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用、其他化合物半導(dǎo)體及應(yīng)用（1 1）碳化硅）碳化硅(SiC)(SiC)和氮化鎵和氮化鎵(GaN)(GaN) SiCSiC和和GaNGaN具有寬的禁帶，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表。具有寬的禁帶，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：碳化硅單晶禁帶寬度較寬，化碳化硅單晶禁帶寬度較寬，化學(xué)性能穩(wěn)定，臨界擊穿電壓

43、、熱導(dǎo)率和飽學(xué)性能穩(wěn)定，臨界擊穿電壓、熱導(dǎo)率和飽和電子漂移速度高。和電子漂移速度高。 應(yīng)用：應(yīng)用：SiCSiC制造高頻、大功率、耐高溫、制造高頻、大功率、耐高溫、抗輻射的半導(dǎo)體器件，如發(fā)熱器或紅外光抗輻射的半導(dǎo)體器件，如發(fā)熱器或紅外光源，發(fā)光二極管。源，發(fā)光二極管。GaNGaN制備高亮度藍(lán)光二制備高亮度藍(lán)光二極管。極管。（2 2）硫化鉛等鉛的硫族化合物半導(dǎo)體）硫化鉛等鉛的硫族化合物半導(dǎo)體 特點(diǎn)：特點(diǎn)：禁帶寬度小，紅外光電導(dǎo)效應(yīng)禁帶寬度小，紅外光電導(dǎo)效應(yīng)顯著。顯著。 應(yīng)用：應(yīng)用：光敏電阻（近紅外探測器）、光敏電阻（近紅外探測器）、激光器材料。激光器材料。GaN藍(lán)光二極管藍(lán)光二極管第二章 電性材料

44、2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料我國化合物半導(dǎo)體材料的研究和制備現(xiàn)狀：我國化合物半導(dǎo)體材料的研究和制備現(xiàn)狀： 我國在化合物半導(dǎo)體材料的研究和制備上與發(fā)達(dá)國家的差距較明顯，我國在化合物半導(dǎo)體材料的研究和制備上與發(fā)達(dá)國家的差距較明顯，主要體現(xiàn)在單晶片的研制水平和商品化方面。主要體現(xiàn)在單晶片的研制水平和商品化方面。 以以GaAsGaAs為例：為例：GaAsGaAs單晶單晶研制水平研制水平大批量生產(chǎn)水平大批量生產(chǎn)水平商品化水平商品化水平發(fā)達(dá)國家發(fā)達(dá)國家 150200mm 150 mm 100mm中國中國 100 mm 50 mm 而在而在SiCSiC和和GaNGaN研究方面，我國目前基本上還處于研

45、究階段，沒有開研究方面，我國目前基本上還處于研究階段，沒有開始大規(guī)模生產(chǎn)。始大規(guī)模生產(chǎn)。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料5 5、固溶體半導(dǎo)體及應(yīng)用、固溶體半導(dǎo)體及應(yīng)用 固溶體半導(dǎo)體是由兩種或兩種以上的元素或化合物半導(dǎo)體相互溶合而固溶體半導(dǎo)體是由兩種或兩種以上的元素或化合物半導(dǎo)體相互溶合而成的材料。成的材料。重要特性：重要特性：禁帶寬度可調(diào)禁帶寬度可調(diào)。（1 1）鎵砷磷）鎵砷磷 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由由GaAsGaAs和和GaPGaP組成的固溶體（組成的固溶體（GaAsGaAs1-1-xP Px），是一種可見光發(fā)光材），是一種可見光發(fā)光材料。隨著料。隨著x值由值由1 1變到變到0 0

46、，發(fā)光波長由，發(fā)光波長由565nm(GaP)565nm(GaP)變到變到900nm(GaAs)900nm(GaAs)。 應(yīng)用：應(yīng)用：制作紅、黃光二極管。制作紅、黃光二極管。（2 2）鎵鋁砷）鎵鋁砷 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由由GaAsGaAs和和AlAsAlAs組成的固溶體（組成的固溶體（GaGa1-1-xAlAlxAsAs），是可見光發(fā)光和激），是可見光發(fā)光和激光材料。光材料。 應(yīng)用：應(yīng)用：發(fā)光二極管、雙異質(zhì)結(jié)激光器。發(fā)光二極管、雙異質(zhì)結(jié)激光器。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（3 3）碲鎘汞）碲鎘汞 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由由CdTeCdTe和和HgTeHgTe組成的連續(xù)固溶體（組成的連續(xù)固

47、溶體（HgHg1-1-xCdCdxTeTe）。具有優(yōu)越的光）。具有優(yōu)越的光電特性，其本征載流子濃度低，電子有效質(zhì)量小，電子遷移率高，電子與電特性，其本征載流子濃度低，電子有效質(zhì)量小，電子遷移率高，電子與空穴遷移率比大?？昭ㄟw移率比大。 應(yīng)用：應(yīng)用：制造高速響應(yīng)器件，如高頻調(diào)制器件、紅外探測器件、光通訊制造高速響應(yīng)器件，如高頻調(diào)制器件、紅外探測器件、光通訊器件等。器件等。 美國美國F F1616戰(zhàn)斗機(jī)上裝有碲鎘汞紅外探測陣列。戰(zhàn)斗機(jī)上裝有碲鎘汞紅外探測陣列。（4 4）碲錫鉛）碲錫鉛 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由由PbTePbTe和和SnTeSnTe組成的連續(xù)固溶體（組成的連續(xù)固溶體（PbPb1-1-xSnSn

48、xTeTe），），x取某一特定取某一特定值時(shí)，可使其禁帶寬度值時(shí)，可使其禁帶寬度E Eg g為零。為零。 應(yīng)用：應(yīng)用：制造紅外探測器件。制造紅外探測器件。（5 5）碲銻鉍和碲硒鉍）碲銻鉍和碲硒鉍 特點(diǎn)：特點(diǎn)：碲銻鉍是碲銻鉍是SbSb2 2TeTe3 3和和BiBi2 2TeTe3 3組成的固溶體（組成的固溶體（(Bi(Bi1-1-xSbSbx) )2 2TeTe3 3），碲硒），碲硒鉍是鉍是BiBi2 2SeSe3 3和和BiBi2 2TeTe3 3的固溶體（的固溶體（BiBi2 2(Se(Se1-1-xTeTex) )3 3）。）。 應(yīng)用：應(yīng)用：制造半導(dǎo)體致冷器件和溫差發(fā)電器件。制造半導(dǎo)體致

49、冷器件和溫差發(fā)電器件。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料l 典型的半導(dǎo)體器件典型的半導(dǎo)體器件 1 1、半導(dǎo)體溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì) 原理：原理：本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的依賴關(guān)系：本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的依賴關(guān)系： 選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，用靈敏度足夠高的儀器測出其電導(dǎo)率的變化，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，用靈敏度足夠高的儀器測出其電導(dǎo)率的變化，從而測定出對(duì)應(yīng)的溫度。從而測定出對(duì)應(yīng)的溫度。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度高。能夠檢測出約靈敏度高。能夠檢測出約1010-4-4K K的溫度變化。的溫度變化。 應(yīng)用：應(yīng)用：火警報(bào)警器?；鹁瘓?bào)警器。2 2、光敏器件、光敏器件 原理：原理：具有足夠能量的光

50、子（具有足夠能量的光子（E E E Eg g）能夠激發(fā)產(chǎn)生額外的載流子，）能夠激發(fā)產(chǎn)生額外的載流子，同時(shí)使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。通過檢測電導(dǎo)率，確定光線的強(qiáng)度。同時(shí)使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。通過檢測電導(dǎo)率，確定光線的強(qiáng)度。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度高，應(yīng)用范圍廣。靈敏度高，應(yīng)用范圍廣。從紫外到可見光、并可延伸至紅外光。從紫外到可見光、并可延伸至紅外光。 應(yīng)用：應(yīng)用：路燈自動(dòng)通斷用光感應(yīng)器、紅外探測器件。路燈自動(dòng)通斷用光感應(yīng)器、紅外探測器件。TkE12lnlng0第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料3 3、二極管、二極管最簡單的二極管：最簡單的二極管：在一塊半導(dǎo)體單晶片上，采取一定的工藝措施

51、，在一塊半導(dǎo)體單晶片上，采取一定的工藝措施，在兩邊摻入不同的雜質(zhì)，分別形成在兩邊摻入不同的雜質(zhì)，分別形成p p型和型和n n型半導(dǎo)體，它們的交界面上就構(gòu)型半導(dǎo)體，它們的交界面上就構(gòu)成了成了p-np-n結(jié)，即一個(gè)最簡單的二極管。結(jié)，即一個(gè)最簡單的二極管。二極管的特性：二極管的特性：單向?qū)щ姟蜗驅(qū)щ?。多余的空穴多余的空穴p- n結(jié)結(jié)多余的電子多余的電子p型型n型型一個(gè)一個(gè)p-n結(jié)二極管結(jié)二極管 第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（a a）一個(gè)）一個(gè)p-np-n結(jié)二極管的構(gòu)造；結(jié)二極管的構(gòu)造；（b b）在正向偏壓作用下非本征載流子的移動(dòng)方向，稱正向注入；）在正向偏壓作用下非本征載

52、流子的移動(dòng)方向，稱正向注入；（c c）在反向偏壓作用下非本征載流子的移動(dòng)方向，稱反向抽??；）在反向偏壓作用下非本征載流子的移動(dòng)方向，稱反向抽取；（d d）二極管的電流與所加偏壓之間的函數(shù)關(guān)系。）二極管的電流與所加偏壓之間的函數(shù)關(guān)系。復(fù)合區(qū)復(fù)合區(qū)p型型n型型- -+ +（b）- -（c）+ +耗盡區(qū)耗盡區(qū)n型型p型型(+)( )OV（d）反向偏壓反向偏壓正向偏壓正向偏壓I多余的空穴多余的空穴p-n結(jié)結(jié)多余的電子多余的電子p型型n型型（a）自建電場自建電場二極管的工作原理：二極管的工作原理：第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料4 4、晶體管、晶體管最簡單的晶體管：最簡單的晶體管：在

53、一塊半導(dǎo)體單晶片上，采取一定的工藝措施，在一塊半導(dǎo)體單晶片上，采取一定的工藝措施，在三個(gè)區(qū)域分別摻雜，形成串聯(lián)的在三個(gè)區(qū)域分別摻雜，形成串聯(lián)的p-np-n結(jié)，即一個(gè)最簡單的晶體管。結(jié)，即一個(gè)最簡單的晶體管。晶體管的特性：晶體管的特性：信號(hào)放大。信號(hào)放大。多余的空穴多余的空穴多余的電子多余的電子nnp一個(gè)一個(gè)npn雙極結(jié)晶體管雙極結(jié)晶體管 第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料npn發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)外部負(fù)載外部負(fù)載IexVbcVeb 基區(qū)基區(qū)- -集電區(qū)結(jié)上承受較大的反向偏壓（集電區(qū)結(jié)上承受較大的反向偏壓（V Vbebe），回路中的電流很小。），回路中的電流很小。

54、發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)- -基區(qū)結(jié)上受到較小的正向偏壓的作用（基區(qū)結(jié)上受到較小的正向偏壓的作用（V Vebeb），在發(fā)射區(qū)），在發(fā)射區(qū)- -基區(qū)基區(qū)結(jié)界面附近區(qū)域中，發(fā)生空穴和電子的復(fù)合。這種復(fù)合并不能都準(zhǔn)確地發(fā)結(jié)界面附近區(qū)域中，發(fā)生空穴和電子的復(fù)合。這種復(fù)合并不能都準(zhǔn)確地發(fā)生于結(jié)界面上。生于結(jié)界面上。 來自發(fā)射區(qū)的一些電子，在復(fù)合前已穿過發(fā)射區(qū)來自發(fā)射區(qū)的一些電子，在復(fù)合前已穿過發(fā)射區(qū)- -基區(qū)結(jié)進(jìn)入基區(qū)?；鶇^(qū)結(jié)進(jìn)入基區(qū)。 若基區(qū)足夠薄，則來自發(fā)射區(qū)的未復(fù)合電子將跨過基區(qū)若基區(qū)足夠薄，則來自發(fā)射區(qū)的未復(fù)合電子將跨過基區(qū)- -集電區(qū)結(jié)。集電區(qū)結(jié)。 電子一旦跨過基區(qū)電子一旦跨過基區(qū)- -集電區(qū)結(jié)，將快速被

55、吸引到集電區(qū)右側(cè)高電位處，集電區(qū)結(jié)，將快速被吸引到集電區(qū)右側(cè)高電位處，如果未復(fù)合電子足夠多，就會(huì)有一個(gè)較大的電流流過外部負(fù)載。如果未復(fù)合電子足夠多，就會(huì)有一個(gè)較大的電流流過外部負(fù)載。晶體管的工作原理：晶體管的工作原理：第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料二、半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料二、半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料 江畸江畸(Esaki) (Esaki) 的的“半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格” 概念：概念：使兩種或兩種以上性質(zhì)不同的半導(dǎo)體單晶薄膜使兩種或兩種以上性質(zhì)不同的半導(dǎo)體單晶薄膜( (厚度是晶格常數(shù)的幾厚度是晶格常數(shù)的幾倍到十幾倍倍到十幾倍) )交替周期性生長，從而給天然材料加上一個(gè)人造周期勢場，交

56、替周期性生長，從而給天然材料加上一個(gè)人造周期勢場，人為改變電子的行為，最終改變半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。人為改變電子的行為，最終改變半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。 半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)新思路：半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)新思路：“摻雜工程摻雜工程”“能帶工程能帶工程”。l 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)1 1、同質(zhì)結(jié)、同質(zhì)結(jié) 在同一種半導(dǎo)體單晶中通過摻雜形成的兩種不同導(dǎo)電類型的交界面，在同一種半導(dǎo)體單晶中通過摻雜形成的兩種不同導(dǎo)電類型的交界面，即結(jié)，稱為同質(zhì)結(jié)。即結(jié)，稱為同質(zhì)結(jié)。2 2、異質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié) 在一種半導(dǎo)體單晶上生長另一種半導(dǎo)體在一種半導(dǎo)體單晶上生長另一種半導(dǎo)體( (或金屬或金屬) )單晶，即異質(zhì)外延生單晶，即異質(zhì)外延生長，則

57、兩種材料間形成的交界面，也是一種結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。長，則兩種材料間形成的交界面，也是一種結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料l 超晶格材料超晶格材料1 1、超晶格結(jié)構(gòu)、超晶格結(jié)構(gòu) 將半導(dǎo)體材料外延生長層沿生長方向周期性排列起來而形成的一種重將半導(dǎo)體材料外延生長層沿生長方向周期性排列起來而形成的一種重復(fù)結(jié)構(gòu)，稱為超晶格結(jié)構(gòu)。復(fù)結(jié)構(gòu)，稱為超晶格結(jié)構(gòu)。 例如，在例如，在AlAlx xGaGa1- 1-x xAs / GaAsAs / GaAs異質(zhì)結(jié)的異質(zhì)結(jié)的GaAsGaAs外側(cè)再生長外側(cè)再生長AlAlx xGaGa1- 1-x xAsAs，然后，然后在在AlAlx xG

58、aGa1- 1-x xAsAs外側(cè)再生長外側(cè)再生長GaAsGaAs，即可以形成，即可以形成AlAlx xGaGa1- 1-x xAs / GaAsAs / GaAs超晶格。超晶格。2 2、超晶格種類、超晶格種類 （1 1）組分超晶格）組分超晶格 由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成的超晶格，稱為組分超晶格。由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成的超晶格，稱為組分超晶格。 組分超晶格的特點(diǎn)：組分超晶格的特點(diǎn)： 由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度E Eg g，因此在異質(zhì)界面處的，因此在異質(zhì)界面處的能帶是不連續(xù)的。能帶是不連續(xù)的。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料

59、半導(dǎo)體材料 （2 2）摻雜超晶格）摻雜超晶格 在同一種半導(dǎo)體中用交替地改變摻雜類型的方法做成的人造周期性半在同一種半導(dǎo)體中用交替地改變摻雜類型的方法做成的人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，稱為摻雜超晶格。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，稱為摻雜超晶格。 摻雜超晶格的特點(diǎn)：摻雜超晶格的特點(diǎn)：v 選材廣泛。選材廣泛。 任何一種半導(dǎo)體材料，只要控制好摻雜類型，都可以做成超晶格。任何一種半導(dǎo)體材料，只要控制好摻雜類型，都可以做成超晶格。v 結(jié)構(gòu)完整性好結(jié)構(gòu)完整性好。 由于摻雜量一般較?。ㄓ捎趽诫s量一般較?。?0107 710101919/cm/cm3 3），雜質(zhì)引起的晶格畸變較小，），雜質(zhì)引起的晶格畸變較小，沒有明顯的異質(zhì)界面。沒有明

60、顯的異質(zhì)界面。v 禁帶寬度可調(diào)。禁帶寬度可調(diào)。只要選擇好各分層的厚度和摻雜濃度，即可獲得所需的禁帶寬度。只要選擇好各分層的厚度和摻雜濃度，即可獲得所需的禁帶寬度。第二章 電性材料2.2 2.2 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（3 3）多維超晶格）多維超晶格 一維超晶格能夠?qū)㈦娮雍涂昭ㄏ拗圃诙S平面內(nèi)，從而產(chǎn)生量子力學(xué)一維超晶格能夠?qū)㈦娮雍涂昭ㄏ拗圃诙S平面內(nèi)，從而產(chǎn)生量子力學(xué)效應(yīng)，因此，把載流子再限制在二維或三維等低維空間中，就可能會(huì)出效應(yīng)，因此，把載流子再限制在二維或三維等低維空間中，就可能會(huì)出現(xiàn)更多的新的光電特征。現(xiàn)更多的新的光電特征。一維、二維、三維超晶格及狀態(tài)密度一維、二維、三維超晶格及狀態(tài)密度