功能无机材料教材

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1、无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 1 半导体材料 Semiconductors 1 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 2 电导 率介于绝缘 体及导体之间 易受温度、照光、磁场及微量杂质 原子影响 1.1 半导体材料概述 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic Mat

2、erialsMaterials 能带理论 3 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 4 合适的禁带宽度 高的载流子迁移率 一定的导电类型 适当的杂质浓度和相应的电阻率 较高的载流子寿命 半导体器件对材料的要求 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 1.2 半导体分类及特点 1. 元素半导体Ge（锗）,Si（硅）,C（金 刚石）、-Sn（灰锡）、P（磷）、

3、Se（硒 ）、Te（碲）、B（硼）等固体单质 本征半导体（ Intrinsic semiconductor）：不含 杂质（掺杂剂） 掺杂半导体（ Extrinsic semiconductor）：本征 半导体加入掺杂剂而形成 5 高纯半导体 掺杂 掺杂半导体 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 掺杂（ Doping ）：在高纯半导体中有意 识地加入少量杂质以提高载荷体数量 施主杂质（ n-型半导体）：A族元素（C、 Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、Sb、Bi ）

4、 受主杂质（ p-型半导体）：A族元素（C、 Si、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B） 6 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials n-型半导体（电子型，施主型） 7 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials p-型半导体（空穴型，受主型） 8 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metal

5、lic MaterialsMaterials 2. 化合物半导体由两种或两种以上元素以确 定原子配比形成的、具有确定的禁带宽和能 带结构等半导体性质的化合物。 -族化合物半导体： A族元素B、A1、Ga、In 和VA族元素N、P、As、Sb所形成的二元化合物 如GaAs、InP、GaN、GaP、InSb、GaSb、InAs -族化合物半导体：B族元素Zn、Cd、Hg与 VIA族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物 -族化合物半导体：A族元素Ge、Sn、Pb与 VIA族元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物 9 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non

6、-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 3. 固溶半导体具有半导体性质的固溶体 两种半导体互溶，如Si1-X GeX (其中x1) 化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同 族元素局部取代，如用Al来局部取代GaAs中的 Ga，即Ga1-X AlXAs 4. 非晶半导体 四面体结构半导体（如非晶态的Si、Ga、GaAs 、GaP、InP、GaSb） 硫系半导体（如S、Se、Te、As2S3、As2Te3、 Sb2S3） 氧化物半导体（如GeO2、B2O3、SiO2、TiO2） 10 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic

7、 Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 11 （1）单晶硅 单晶硅具有准金属的性质，有较弱的导电性， 而且其电导率随着温度的升高而增加，有显著的半 导电性。 机械强度高 结晶性好 自然界中储量丰富 成本低 可以拉制出大尺寸的完整单晶 1.3 一些重要的半导体材料 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 12 (1)Performance and application 计算机中央处理装置 (即对数据进行操作部分)的 基本单元

8、 晶体管 双极型晶体管 场效应晶体管 计算机存储器的 基本单元 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 13 (2)Preparation 制备方法 提拉法或 悬浮区熔法 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 14 (3)Research and development 研究开发方向 优质大直径（250300mm）单晶硅的研制生产， 其均匀性要求很高； 单

9、晶硅中微缺陷的密度亦需进一步降低； 制片后的氧化层错密度要求从100个cm-2降低至 10个cm-2， 氧化层错密度降低与氧、碳含量、工艺条件有关， 特别是提拉单晶的速度和温度场的均匀性。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials （2）砷化镓（GaAs）单晶 15 很可能成为继单晶硅之后 第二种最重要的半导体电子材料 宽禁带，高电子迁移可以在较高的工作 温度和工作频率下工作 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non

10、-metallic MaterialsMaterials 16 (1)GaAs GaAs中电子的有效质量仅为自由电 子质量的1/15， GaAs中电子速度更 快制造出速度更快、功能更强 的计算机，高频通信信号的放大器 砷化镓中的电子激发后释放能量以 发光的形式进行制作半导体激 光器和光探测器 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 1.4 PN结 把本征半导体的两侧分别掺入施主型和受主型杂 质，或者将一块n型和一块p型半导体结合在一 起，两者的界面及其相邻的区域就称为PN结。

11、 PN结的最大特性就是单向导电性。 17 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 18 （1）热阻器 与金属不同，半导体的电阻率随温度升高是减 少的，利用这种特性做成热阻器除可以用来测 温外，还可以用于火灾报警 。 这是由于当热阻器受热时，电阻下降，就让一 很大的电流通过电路，启动警铃。 1.5 半导体材料的应用 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 19

12、 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 20 （2）压力传感器 半导体的能带结构与能隙宽度与半导体的原子 间距有关，当压力作用在这种半导体上时，原 子间距减小，同时能隙变窄，导电性增加。 因此，可以根据电导来推算压力的大小。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 21 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-meta

13、llic Non-metallic MaterialsMaterials 22 （3）光敏电阻器 半导体的电导率随入射光量的增加而增加。 这种效应可用来制作光敏电阻，此处所说的光 可以是可见光，也可以是紫外线或红外线， 只要所提供的光子能量与禁带宽度相当或大于 禁带宽度即可。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 23 （4）磁敏电阻 在通电的半导体上加磁场时，半导体的电阻将增 加，这种现象称为磁阻效应。 产生磁阻现象的原因在于加磁场后，半导体内运 动的载流子会受到洛伦兹力

14、的作用而改变路程的 方向，因而延长了电流经过的路程，从而导致电 阻增加。根据这种特性可做成磁敏电阻。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 24 （5）光电倍增管 光电倍增管是利用电子的受激发射，激发源起初是 光子，而后是被电场加速的电子。 假定一个非常弱的光源将价带中的一个电子激发到 了导带中，而后，在电场作用下，这个电子被加速 到很高的速度并具有了很高的能量，它将激发一个 或更多的其他电子，这些电子也将受这个电场的作 用而加速再激发其他的电子，如此下去，一个非常 弱的光

15、信号就被放大了。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 25 （6）发光二极管 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 26 （7）整流二极管 利用PN结的单向导电性 半波整流电路 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 27 （8）齐纳二极管 Zener diodes 利用P-N结的击穿特性 如果反向电压（偏压）增加到某个特殊值，对于 一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观 的增加。 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic Non-metallic Non-metallic MaterialsMaterials 28 （8）晶体管 Transistors 由二个P-N结组成 可以是P-N-P-型，也可以是N-P-N型 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic No