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1、第三章 电性材料,导体、半导体和绝缘体材料 超导材料 铁电、压电、热释电和介电材料,3.1 导体、半导体和绝缘体材料,导体的电阻率 10-5 10-4cm 半导体的电阻率 10-4 1010cm 绝缘体的电阻率 1010 1014cm,3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别能带理论,能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。,原子结构示意图,能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去
2、，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。,H + H H2,金属中电子的共有化,允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带：被电子占满的允许带称为满带； 空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带的底能级为Ec，价带的
3、顶能级为Ev， Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。,体块硅的能带示意图,GaN能带图,3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释,导体的能带结构：,价带部分填入,价带被填满,绝缘体的能带结构： 价带为满带， 禁带较宽 Eg36 eV,半导体的能带结构： 价带为满带， 禁带宽度 Eg02 eV,载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。 导体的载流子是自由电子； 半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。,Electron conduction in n-type semiconductors (and metals),Hole
4、 conduction in p-type semiconductor,本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流子数目有限，导电性能不好。 N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多数为电子。杂质能级施主能级 P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多数为空穴。杂质能级受主能级,不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同，从而有不同的导电性。 本征半导体， n 型半导体， p型半导体,PN结(PN-junction),3.1.3 导体材料 金属：如银、铜、铝等； 可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等； 合金：如黄铜、镍铬合金等； 可
5、用作电阻材料和热电偶材料； 非金属：如石墨、C3K、 C24S6等； 可用作耐腐蚀导体和导电填料等。,3.1.4 半导体材料,非晶,单晶,多晶,硅和锗第一代半导体材料,相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石结构，间接带隙半导体材料. 不同点： 硅 锗 室温本征电阻率 2.3105cm 50cm 禁带宽度 1.12 eV 0.66 eV 锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,一、本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,硅和锗的共价键结构,共价键
6、共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发
7、。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,二、杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体
8、，也称为（电子半导体）。,N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,P 型半导体,空穴,硼原子,杂质半导体的示意表示,单晶硅棒 (直拉法),硅（111）晶面图,硅在太阳能电池上的应用 单晶硅 多晶硅 非晶硅,砷化镓第二代半导体材料,特点： 化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型， 禁带宽度为1.43 eV 容易制成半绝缘材料(电阻率10
9、7 109cm) 本征载流子浓度低 光电特性好 耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感 用途： 光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，发光二极管、场效应晶体管等。,砷化镓,氮化镓第三代半导体材料,氮化镓及其相关氮化物材料： 是指元素周期表中A族元素铝、镓、铟和族元素氮形成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。,特点： 三种晶体结构：纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿 宽禁带半导体材料： InN-1.9 eV，GaN-3.4 eV，AlN-6.2eV,用途： 晶体管、 发光管、激光二极管和光电探测器等器件,氮化镓,Wide Band Ga
10、p: 3.4 eV High Break down field Large electron saturation velocity: 1.3 x 10-7 cm/s Chemically stable at high T Operate at 400 C high temperature Short wavelength light emission and high power electronic applications,有机半导体材料及其应用,特点： 是分子型晶体材料，其特征由材料的分子性质决定。有机半导体没有三维晶体点阵，而且它们的分子内和分子间的相互作用、局域结构无序、非晶和结晶
11、区域以及化学杂质也不同，复杂。 用途： 太阳能电池 （酞菁、二酞菁以及某些聚合物如聚乙炔的衍生物等） 光电二极管 （有机无机材料异质结结构） 有机半导体电容,精英865PE主板PHOTONPF1,DVD、功放的音响系统 音响信号电流会引起普通铝电解电容的诱电体、电极箔、接触点的振动，而有机半导体电容的卷曲材料是用聚脂树脂固定起来的，不会产生音响信号电流引起的振动。另外，有机半导体电容的铝壳采用聚脂树脂灌装封口也是重要的因素之一(普通铝电解电容是用胶垫封口的)，在重低音范围内这一点是非常重要的,3.3 铁电、压电、热释电和介电材料,极化 ： 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电
12、场方向转动的现象，称为电介质的极化。 自发极化：在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。,热电体： 因为原子的构型是温度的函数，所以极化状态将随温度发生变化。这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。 铁电体： 存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。 压电体： 压电效应是指材料在外力作用下发生极化而在材料两端的表面上出现电位差的效应。具有压电性质的材料称为压电 材料,3.3.1 铁电材料,铁电材料： 是指在某些温度范围内具有自发极化，且其自发极化强度能因外
13、电场的作用而重新取向的材料，通常铁电体同时具有热释电和压电性。铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线。,铁电材料的电滞回线,常见的铁电材料: （1）BT：钛酸钡BaTiO3，钙铁矿结构，居里温度120 oC；（2）PT：钛酸铅PbTiO3，钙铁矿结构，居里温度492 oC；（3）PZT：锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3，钙铁矿结构，居里温度386 oC； （4）BST：钛酸钡锶(BaxSr1-x)TiO3, 钙铁矿结构，常温下没有铁电性，介电常数高，现多用于DRAM的栅介质； （5）SBT：钽酸锶铋SrBi2Ta2O9，层状钙钛矿结构，具有优异的抗疲劳特性； （6）BTO
14、：钛酸铋Bi4Ti3O12，层状钙钛矿结构，有较好的抗疲劳特性。,极化的本质: 对称性的减小,3.3.2 压电材料,压电效应： 1880年Cuire Pierr和Curie jacques兄弟在实验中发现，当在某些特定方向上对-石英晶体施加压力时，在与力方向垂直的两个平面内分别出现正负束缚电荷。这种现象称为压电性。这种由机械能转换成电能的过程称为正压电效应。反之，如果把电场加到压电晶体上，晶体在电场作用下产生应变或应力，这种由电能转换成机械能的过程称为逆压电效应。,正压电效应,逆压电效应,压电材料的用途：水声换能器 传感器 滤波器 变压器 点火器 陀螺仪 液流泵,1942年，发现钛酸钡具有压电
15、性。此后，又研制成功一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料-锆钛酸铅。利用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。,3.3.3 热释电材料,热释电效应： 某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷，这一现象称为热释电效应。具有热释电效应的材料称为热释电材料。,用途： 红外光谱仪、红外遥感器、热辐射探测器，非接触测温、无损探伤等,3.3.4 介电材料,介电体的极化： 在外电场作用下，电介质材料中在紧靠带电体的一端会出现同号的过剩电荷，另一端则出现负号的过剩电荷，这就是所谓的介电体的极化现象。 介电性： 如果将
16、某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性。电容量增加的倍数称为电介质的介电常数，或称介电渗透率，用来表示材料介电性的大小。,3.3.5 铁电、压电和介电材料的应用,评价存储器的标准： 容量、速度、非易失性、功耗和价格 现有存储器的性能比较： DRAM： 优点是容量、速度和成本，弱点是不具备非易失性 快闪存储器： 优点是容量和非易失性，短处是写入速度慢 SRAM： 优点是速度和功耗，缺点是难以实现大容量比 铁电随机存取存储器：容量、速度、非易失性、功耗和价格,64K FeRAM,存储原理是基于铁电薄膜的剩余极化 当外加电场或电压撤去后，铁电薄膜仍存在着剩余极化电荷。当外加电场时，铁电体在宏观上表现为极化强度与外电场之间产生非线性响应，得到电滞回线；反向电场超过矫顽场时发生极化反转
