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1、第三章 电性材料导体、半导体和绝缘体材料导体、半导体和绝缘体材料 超导材料超导材料 铁电、压电、热释电和介电材料铁电、压电、热释电和介电材料 3.1 3.1 导体、半导体和绝缘体材料导体、半导体和绝缘体材料 导体的电阻率导体的电阻率 10-510-4cm半导体的电阻率半导体的电阻率 10-41010cm绝缘体的电阻率绝缘体的电阻率 10101014cm 3.1.13.1.1导体、半导体和绝缘体的区别导体、半导体和绝缘体的区别能带理论能带理论 能能级级：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
2、图能能带带：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，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 HH + H H2 2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
3、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、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
4、。 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)e- e- e- e-(-)(+)Hole conduction in p-type semiconductor(+)(-)e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Semiconductor Electron / Hole ConductivityElectron / Hole Conductivity本征半导体：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
5、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)pnConduction BandConduction Band Valence Band Valence Band electronsholesBand gapBand gapEFpEFnpnConduction BandConduction Band Valence Band Valence Band e
6、lectronsholesBand gapBand gap electronsEFp= EFn3.1.3 3.1.3 导体材料导体材料 金属：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：合金：如黄铜、镍铬合金等； 可用作电阻材料和热电偶材料； 非金属：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半导体材料半导体材料无机半导体有机半导体元素半导体化合物半导体本征半导体杂质半导体 半导体材料（按结构形态）晶态半导体非晶态半导体 半导体材料（按化学成份）非晶单晶多晶硅和锗第一代半导体材料相同点：具有灰
7、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。GeSi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硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电
8、子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自，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，所以本征半导体的本征半导体的导电能力很弱导电能力很弱。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。+4+4+4+4在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可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（即以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力）
9、，它的导电能力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键上留下一个空位，称为键上留下一个空位，称为空穴空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。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导体的导
10、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，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。二、杂质半导体二、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：
11、型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的五价五价元素磷（或锑），晶元素磷（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。
12、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，称为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的三价三价元素，如硼（或铟），元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原引束缚电子来填补，使得硼原子成为不
13、能移动的带负电的离子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所子。由于硼原子接受电子，所以称为以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子杂质半导体的示意表示杂质半导体的示意表示P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体单晶硅棒 (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砷化镓第二代半导体材料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107 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
14、二极管、场效应晶体管等。砷化镓 氮化镓氮化镓第三代半导体材料第三代半导体材料 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 Gap: 3.4 eV High Break down field Large electron saturation
15、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
16、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PHOTONPF1DVD、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
17、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
18、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：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
19、的减小3.3.2压电材料压电材料压电效应： 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
20、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 3.3.4 介电材料介电材料 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
21、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 3.3.5 铁电、压电和介电材料的应用铁电、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
22、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；E0时表现出正、负剩余极化(Pr)，分别对应于存储的“1”和“0”数字信息。因此，铁电存储单元不需外电场和电压的维持，仍能保持原有的极化信息。 铁电存储器的应用领域：强耐辐射能力 空间和航天技术应用优异的读写耐久性 电视频道存储器、游戏机数字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用低电压工作和低功耗移动电话及射频识别系统中的存储器高速写入和编程能力，低功耗、长耐久性等IC卡最理想的存储器。压电传感器 是利用压电效应制造而成的。压电传感器主要应
23、用在加速度、压力和力等的测量中。 结构简单、体积小、重量轻。压电传感器压电式单向测力传感器的结构图石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成压电式加速度传感器的结构图它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电式刀具切削力测量示意图 压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。压电式玻璃破碎传感器（a） 外形; （b） 内部电路 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电
24、压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k。子弹穿膛 生物医学-心室压电式玻璃破碎报警器电路框图 PIX-30/4三维扫描仪 采用 动态压电传感器技术对实体物件进行超高精度 扫描，最小间距达50微米。能够扫描的实物包括：各种工业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼压电陶瓷微位移器（纳米级） 光纤的光学定位、光纤熔焊机、生物细胞穿刺、摄像形状记忆叠层装置的机械夹持器 压电陶瓷点火器清华大学研制的直径清华大学研制的直径1毫米世界最小超声马达毫米世界最小超声马达 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子之间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。超声用压电陶瓷换能器超声用压电陶瓷换能器高介电材料 2002年6月25日，摩托罗拉半导体与她的中国合作伙伴南京大学固态微结构国家重点实验室、中国科学院物理研究所联合宣布，经过两年的合作，他们在半导体工艺用高介电材料研究上取得突破性进展：他们推出的铝酸镧(LaAlO)和镧铝氧氮(LaAlON)高介电材料将有望在65纳米以下工艺中作为栅介质层的主要材料，取代目前被普遍采用的二氧化硅，进而推动半导体工艺技术向更小尺寸发展
