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1、无机非金属材料无机非金属材料 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials1 Chapter 7Chapter 7 Non-metallic Inorganic Non-metallic Inorganic MaterialsMaterials 本章内容 7.1无机非金属材料的分类和特点 7.2 水泥与玻璃 7.3 陶瓷 7.4 半导体材料 7.5 超导材料 2Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.4 半导体材料 Semiconductors 3Chapter7 Non-metallic Inorganic
2、 Materials 4 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 7.4.1 半导体材料概述 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 能带理论 5Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 6 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 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.4.2 半导体分类及特点 1. 元素半导体Ge（锗）,Si（硅）,C（金 刚石）、-
3、Sn（灰锡）、P（磷）、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 7 高纯半导体 掺杂 掺杂半导体 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 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 ） 受主杂质（ p-型半导体）：A族元素（C、 Si、
4、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B） 8 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials n-型半导体（电子型，施主型） 9Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials p-型半导体（空穴型，受主型） 10Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 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、G
5、aN、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 11Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 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、G
6、aAs 、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） 12Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials (3)超晶格半导体 5. 超晶格半导体材料 利用异质外延法，即在晶体衬底上一层叠一 层地生长出不同材料的薄膜来，所得材料叫 超晶格材料 13 超晶格 由两种不同的半导体薄层交替排列所组 成的周期列阵 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 组分超晶格 超晶格的重复单元是由不同半导体 材料的薄膜堆垛而
7、成 14Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 掺杂超晶格 在同一种半导 体中，用交替 地改变掺杂类 型的方法做成 的新型人造周 期性半导体结 构的材料 15 掺杂超晶格半导体的能带结构 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 16 任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以 做成超晶格； 多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小， 杂质引起的晶格畸变也较小，掺杂超晶格中没有像 组分超晶格那样明显的异质界面； 掺杂超晶格的有效能量隙可以具有从零到未调制的 基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚 度
8、和掺杂浓度的选择。 掺杂超晶格的优点 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 多维超晶格 17Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 应变超晶格 在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本 身发生应变而阻止缺陷的产生 18 SiGe/Si 是典型半导体应变超晶格材料，随 着能带结构的变化，载流子的有效质量可能变 小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般 Si 器件更高速工作的电子器件。 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 半导体的电阻特性 19 半导体 金属 T R
9、金属和半导体的电阻温度曲线 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 20 （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 7.4.3 一些重要的半导体材料 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 21 (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 晶体管 双极型晶体管 场效应晶体管 计算机存储器的
10、 基本单元 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 22 (2)Preparation 制备方法 提拉法或 悬浮区熔法 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 23 (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。 Chapter
11、7 Non-metallic Inorganic Materials （2）砷化镓（GaAs）单晶 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials24 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 25 (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 Chapter7 Non-metallic Inorganic
12、Materials 7.5 超导材料 Superconducting materials 26Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.5.1 超导现象及其临界条件 27 超导电性在超低温下失去电阻的性质 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 超导状态下的THJ界面 28 只有当电流、温 度与磁场3个条件 都满足规定条件 时，才能出现超 导现象。 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 临界温度（TC）超导体必须冷却至 某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界
13、电流密度（JC）通过超导体的电 流密度必须小于某一临界电流密度才能 保持超导体的超导性。 临界磁场（HC）施加给超导体的磁 场必须小于某一临界磁场才能保持超导 体的超导性。 29Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 超导材料的特性 1. 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零 2. Messner效应（完全抗磁性）：超导材料处于 超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁 力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零 30 迈斯纳效应 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.5.2 两类超导体 第一类超导体：在低
14、于临界磁场Hc的磁场H中处 于超导态时，表现出完全抗磁性，即在超导体内 部B = 0 (HM) 0；在高于Hc的磁场中则处于 正常态，B/0 H，M 0。 31 磁力线 屏蔽电流 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 第二类超导体 有两个临界磁场：下临 界磁场Hc1和上临界磁 场Hc2。 当外磁场达到Hc1时， 第二类超导体内出现正 常态和超导态相互混合 的状态，只有当磁场增 大到Hc2时，其体内的 混合状态消失而转化为 正常导体。 32Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 33 外磁场Hc1Hc1外磁
15、场Hc2 磁力线 屏蔽电流 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.5.3 超导理论简介 BCS理论：巴丁（Bardeen）、库柏（ Cooper）和施瑞弗（Schrieffer）共同提 出。 在BCS理论中，最重要的是库珀提出的电 子对概念。 34Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 超导微观理论 当温度TTc时，热运动使库珀对被拆散为正 常电子，超导态转变为正常态。 35Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 36Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 37 超导的微观机制 超导的微观机制 Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 7.5.4 超导材料发展 38Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials YBaCuO超导体的结构 Tc =78.5K 39 YBa2Cu3O7- Re=稀土 ，如Y Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials 40 HgBaCuO超导体 Chapter7 Non-metallic In
