功能材料第一講

關(guān)于功能材料第一講第1頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三研究意義功能材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料，是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料，同時(shí)也對(duì)改造某些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、化工、建材等起著重要作用。功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個(gè)規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。第2頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三功能材料是新材料領(lǐng)域的核心，對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占85

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。隨著信息社會(huì)的到來(lái)，特種功能材料對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，是二十一世紀(jì)信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，成為世界各國(guó)新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

第3頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三鑒于功能材料的重要地位，世界各國(guó)均十分重視功能材料技術(shù)的研究。2001年日本文部省科學(xué)技術(shù)政策研究所發(fā)布的第七次技術(shù)預(yù)測(cè)研究報(bào)告中列出了影響未來(lái)的100項(xiàng)重要課題,一半以上的課題為新材料或依賴于新材料發(fā)展的課題,而其中絕大部分均為功能材料。歐盟的第六框架計(jì)劃和韓國(guó)的國(guó)家計(jì)劃等在他們的最新科技發(fā)展計(jì)劃中,都把功能材料技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點(diǎn)支持。第4頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)前國(guó)際功能材料及其應(yīng)用技術(shù)正面臨新的突破，材料的分子、原子設(shè)計(jì)等正處于日新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術(shù)正在成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)及軍事優(yōu)勢(shì)的重要手段。第5頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三國(guó)內(nèi)功能材料發(fā)展的現(xiàn)狀和差距我國(guó)非常重視功能材料的發(fā)展，在國(guó)家攻關(guān)、“863”、“973”、國(guó)家自然科學(xué)基金等計(jì)劃中，功能材料都占有很大比例。在“九五”“十五”國(guó)防計(jì)劃中還將特種功能材料列為“國(guó)防尖端”材料。在“863”計(jì)劃支持下，開(kāi)辟了超導(dǎo)材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進(jìn)劑材料，紅外隱身材料，材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果。功能材料還在“兩彈一星”、“四大裝備四顆星”等國(guó)防工程中做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。第6頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三我國(guó)目前功能材料的創(chuàng)新性研究不夠，申報(bào)的專利數(shù)，尤其是具有原創(chuàng)性的國(guó)際專利數(shù)與我國(guó)的地位遠(yuǎn)不相稱。我國(guó)功能材料在系統(tǒng)集成方面也存在不足，有待改進(jìn)和發(fā)展。我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國(guó)為首的西方國(guó)家的封鎖和禁運(yùn)，所以我國(guó)國(guó)防用關(guān)鍵特種功能材料是不可能依靠進(jìn)口來(lái)解決的，必須要走獨(dú)立自主、自力更生的道路。如軍事通信、航空、航天、導(dǎo)彈、熱核聚變、激光武器、激光雷達(dá)、新型戰(zhàn)斗機(jī)、主戰(zhàn)坦克以及軍用高能量密度組件等，都離不開(kāi)特種功能材料的支撐。

第7頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三目的與任務(wù)本課程的授課對(duì)象是材料化學(xué)專業(yè)本科生，屬材料類專業(yè)選修課。本課程主要介紹功能材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，一些常見(jiàn)功能材料的基本知識(shí)、種類、特點(diǎn)和應(yīng)用，有助于學(xué)生拓寬專業(yè)知識(shí)面，同時(shí)加深對(duì)專業(yè)的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。第8頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三課程的基本要求和特點(diǎn)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解功能材料目前的研究范圍和進(jìn)展趨勢(shì)，掌握功能材料的含義、特點(diǎn)及常見(jiàn)功能材料的基本知識(shí)，熟悉各類功能材料的組成、性能和應(yīng)用。本課程的特點(diǎn)：涉及知識(shí)點(diǎn)多和應(yīng)用領(lǐng)域較廣，包括力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等功能材料。課堂講授上，講清基本概念、基本原理及目前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。課后認(rèn)真對(duì)所學(xué)新材料進(jìn)行資料查閱，以對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用領(lǐng)域等有更廣泛、深入的了解。第9頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三授課安排學(xué)時(shí)：32（1－12周）常用功能材料（電性材料、磁性材料、光學(xué)材料、功能轉(zhuǎn)換材料）特種功能材料（能源材料**、智能材料、梯度功能材料、生物醫(yī)學(xué)材料、功能薄膜材料）第10頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三考核方式考試總評(píng)成績(jī)＝平時(shí)成績(jī)（包括考勤、作業(yè)、上課聽(tīng)講等，占30%）＋期終考試成績(jī)（占70%）第11頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三教材及參考資料現(xiàn)代功能材料，陳玉安，王必本，廖其龍，重慶大學(xué)出版社，2008現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用，郭衛(wèi)生,汪濟(jì)奎，化學(xué)工業(yè)出版社，2002功能材料概論，殷景華，王雅珍，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999新型無(wú)機(jī)材料，楊華明，宋曉嵐，金勝明，化學(xué)工業(yè)出版社，2005第12頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第一章緒論1.1功能材料的概念具有優(yōu)良的電、磁、光、熱、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。此概念1965年由美國(guó)貝爾研究所的J.A.Morton博士提出第13頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三舉例：彈性材料——應(yīng)用力學(xué)性能——用于非結(jié)構(gòu)目的√結(jié)構(gòu)陶瓷——應(yīng)用力學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的×普通玻璃——應(yīng)用光學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的×耐火磚——應(yīng)用熱學(xué)性能——用于結(jié)構(gòu)目的×第14頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬材料金屬結(jié)構(gòu)材料超耐熱合金輕質(zhì)合金非晶合金金屬功能材料導(dǎo)電材料超導(dǎo)合金形狀記憶合金貯氫合金第15頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三在國(guó)外，常將這類材料稱為:

功能材料(FunctionalMaterials)

特種材料(SpecialityMaterials)

精細(xì)材料(FineMaterials)

第16頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三功能材料是一門(mén)新的學(xué)科，目前對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格的定義尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變化中存在著物理現(xiàn)象、高級(jí)運(yùn)動(dòng)中總是伴隨著低級(jí)運(yùn)動(dòng)一樣，功能材料既遵循材料的一般特性和變化規(guī)律又具有其自身的特點(diǎn)。因此可認(rèn)為是傳統(tǒng)材料的更高級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式。第17頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三近10年來(lái)，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5％以上的速度增長(zhǎng)，相當(dāng)于每年有1.25萬(wàn)種新材料問(wèn)世。未來(lái)世界需要更多的性能優(yōu)異的功能材料，功能材料正在滲透到現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域。第18頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.2功能材料的分類按材料化學(xué)鍵、化學(xué)成分分類金屬功能材料無(wú)機(jī)非金屬功能材料有機(jī)功能材料復(fù)合功能材料第19頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三基于材料物理性質(zhì)、功能分類電學(xué)功能材料磁光熱聲學(xué)和振動(dòng)力化學(xué)及分離功能材料放射性相關(guān)生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)第20頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三基于材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域信息材料電子材料電工材料電訊材料計(jì)算機(jī)材料傳感材料儀器儀表材料能源材料航空航天材料生物醫(yī)用材料第21頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三種類 功能特性 應(yīng)用示例 導(dǎo)電高分子材料 導(dǎo)電性電極電池、防靜電材料、屏蔽材料 超導(dǎo)材料 導(dǎo)電性 核磁共振成像技術(shù)、反應(yīng)堆超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 高分子半導(dǎo)體 導(dǎo)電性 電子技術(shù)與電子器件 光電導(dǎo)高分子 光電效應(yīng)電子照相、光電池、傳感器 壓電高分子 力電效應(yīng)開(kāi)關(guān)材料、儀器儀表測(cè)量材料，觸感材料 熱電高分子 熱點(diǎn)效應(yīng) 顯示、測(cè)量 聲電高分子 聲電效應(yīng) 音響設(shè)備、儀器 磁性高分子 導(dǎo)磁作用 塑料磁石、磁性橡膠、磁性元器件、中子吸收、微型電機(jī)、進(jìn)步電機(jī)、傳感器 主要功能材料的特性及應(yīng)用示例第22頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三磁性記錄材料 磁性轉(zhuǎn)換 磁帶、磁盤(pán) 電致變色材料 光電效應(yīng) 顯示、記錄 光功能材料光纖材料光的曲線傳播、通訊、顯示、醫(yī)療器械 液晶材料 偏光效應(yīng)顯示、連接器 光盤(pán)的基板材料 光學(xué)原理 高密度記錄和信息貯存 感光樹(shù)脂光刻膠光化學(xué)反應(yīng) 大規(guī)模集成電路的精細(xì)加工、印刷 熒光材料 光化學(xué)作用 情報(bào)處理，熒光染料 光降解材料 光化學(xué)作用 減少化學(xué)污染 光能轉(zhuǎn)換材料 光電、光化學(xué) 太陽(yáng)能電池 分離膜與交換膜 傳質(zhì)作用 化工、制藥、環(huán)保、冶金 第23頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三高分子催化劑與高分子固定酶 催化作用 化工、食品加工、制藥、高分子試劑絮凝劑吸附作用 稀有金屬提取、水處理 貯氫材料吸附作用化工、能源 高吸水樹(shù)脂吸附作用 化工、農(nóng)業(yè)、紙制品 人工器官材料替代修補(bǔ) 人體臟器 藥物高分子 藥理作用 藥物 降解性縫合材料化學(xué)降解 非永久性外科材料 醫(yī)用粘合劑 物理與化學(xué)作用外科和修補(bǔ)材料 第24頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.3功能材料的展望開(kāi)發(fā)尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、高速信息、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件下（超高壓、超高溫、超低溫、高燒蝕、高熱沖擊、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)激光、高輻射、粒子云、原子氧和核爆炸等）下工作的高性能功能材料。功能由單功能向多功能和復(fù)合或綜合功能發(fā)展，從低級(jí)向高級(jí)功能如人工智能、生命功能等發(fā)展。功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密度化、超分子化。功能材料與結(jié)構(gòu)材料兼容，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化。第25頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)計(jì)和新工藝。新概念：梯度化、低維化、智能化、非平衡、分子組裝、雜化、超分子化和生物分子化等；新設(shè)計(jì)：化學(xué)模板式識(shí)別設(shè)計(jì)、分子設(shè)計(jì)、非平衡設(shè)計(jì)。量子化學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算法等；新工藝：激光加工、離子注入、等離子技術(shù)、分子束外延、電子和離子束沉積、固相外延、精細(xì)刻蝕、生物技術(shù)及在特定條件下的工藝技術(shù)。第26頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三完善和發(fā)展功能材料的檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法。加強(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是尖端領(lǐng)域和民用高技術(shù)領(lǐng)域，并將成熟的研究成果迅速推廣，以形成生產(chǎn)力。第27頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三Chp2材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能第28頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.1原子的電子排列1.1.1原子的微觀結(jié)構(gòu)（1）主量子數(shù)n(n=1,2,3,4,…)習(xí)慣上用K,L,M,N,…表示（2）次量子數(shù)l(l=0,1,2,3,…)習(xí)慣上用s、p、d、f表示（3）磁量子數(shù)m(m=0,±1,±2,±3,…)（4）自旋量子數(shù)ms(ms=+1/2,-1/2)第29頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.2原子核外電子的排布泡利不相容原理最低能量原理最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則）第30頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.3固體的能帶理論與導(dǎo)電性能帶的形成金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體和絕緣體的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性第31頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三Chp2-1電性材料－

半導(dǎo)體材料

semiconductormaterials第32頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶特征EgEg金屬絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶第33頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)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。Si、Ge形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)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+4一、本征半導(dǎo)體－不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體第34頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)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(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。第35頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三價(jià)帶EF(T=0K)導(dǎo)帶Eg躍遷空穴傳導(dǎo)電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴濃度相等，稱為電子空穴對(duì)。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(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。滿足這一關(guān)系的能量激發(fā)稱為本征激發(fā)，相應(yīng)產(chǎn)生的電導(dǎo)成為本征電導(dǎo)，本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)。第36頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。第37頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2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(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流?？傠妼?dǎo)率第38頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率基本上隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。利用此關(guān)系式，可求其禁帶寬度Eg第39頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三本征半導(dǎo)體的載流子濃度第40頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2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(huì)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41頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三（一）、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素P（或As、Sb），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(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)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(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。第42頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第43頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三(二)、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如B（或Al、Ga、In），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(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)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P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。第44頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三(三)、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。第45頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第46頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三(四)、

PN結(jié)a、PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。第47頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。第48頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。少子漂移第49頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三PN結(jié)形成的動(dòng)畫(huà)第50頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第51頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:第52頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三b、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。

PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是：

P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。第53頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三－－－－++++RE1、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。第54頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE第55頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?6頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三知識(shí)回顧能帶理論的發(fā)展過(guò)程價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體本征激發(fā)、施主原子、受主原子、多子、少子PN結(jié)的形成過(guò)程PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?7頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三半導(dǎo)體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP1.結(jié)構(gòu)符號(hào)陽(yáng)極+陰極-1.2.1基本結(jié)構(gòu)、種類與符號(hào)第58頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第59頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三二極管的分類：按材料分：鍺二極管、硅二極管、砷化鎵二極管；按制作工藝：面接觸二極管和點(diǎn)接觸二極管；按用途分：整流二極管、檢波蘭極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光二極管、開(kāi)關(guān)二極管等。第60頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三點(diǎn)接觸型二極管由于接觸面點(diǎn)小，不能通過(guò)大電流，故只適合用于小電流整流，又因?yàn)榻佑|點(diǎn)小，所以極間電容量也很小，故適用于高頻電路檢波。面接觸型二極管與點(diǎn)接觸型二極管相反，由于接觸面大，可以通過(guò)較大的電流，但極間電容量大，因此不能用于高頻電路，而主要用做整流。

第61頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第62頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三常用二極管介紹

(1)整流二極管：整流二極管主要用于整流電路，把交流電變換成脈動(dòng)的直流電，由于通過(guò)的正向電流較大，對(duì)結(jié)電容無(wú)特殊要求，所以其PN結(jié)多為面接觸型，因結(jié)電容大，故工作頻率低。通常，正向電流在1安以上的二極管采用金屬殼封裝，以利于散熱；正向電流在1安以下的采用全塑料封裝。第63頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三塑料封裝全密封金屬結(jié)構(gòu)第64頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第65頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

(3)檢波二極管：檢波二極管的主要作用是把高頻信號(hào)中的低頻信號(hào)檢出。要求結(jié)電容小，所以其結(jié)構(gòu)為點(diǎn)接觸型，一般采用鍺材料制成。第66頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第67頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

(4)穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管是由硅材料制成的面結(jié)合型晶體二極管，它是利用PN結(jié)反向擊穿時(shí)的電壓基本上不隨電流的變化而變化的特點(diǎn)，來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的，因?yàn)樗茉陔娐分衅鸱€(wěn)壓作用，故稱為穩(wěn)壓二極管（簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管）。第68頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第69頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

(5)發(fā)光二極管：發(fā)光二極管是一種將電能變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有一個(gè)PN結(jié)，與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娞匦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓，有一定的電流流過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)光。發(fā)光二極管是由磷砷化鎵、鎵鋁砷等半導(dǎo)體材料制成。發(fā)光的顏色分為：紅光、黃光、綠光、三色變色發(fā)光。另外還有眼睛看不見(jiàn)的紅外光二極管。GaN藍(lán)光二極管第70頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三第71頁(yè)，講稿共78頁(yè)，2023年5月2日，星期三

(6).光敏二極管(又稱為光電二極管)

根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無(wú)光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生