1第一章.电子材料概论1

电子材料概论电子材料概论1欢迎同学们选修欢迎同学们选修 电子材料概论电子材料概论 !2主讲人 :l陈伟凡（博士，副教授）办公室：材料楼 A332lOffice Hour: 10 am2 pm, Tue3 电子材料导论 李言荣，恽正中 主编，清华大学出版社， 2005年教材 ：41. 电子材料 陈鸣 主编，北京邮电大学出版社， 20062. 电子材料 贾德昌等 主编，哈尔滨工业大学出版社， 20003. 信息材料 干福熹 主编，天津大学出版社， 20004. 纳米电子学 杜磊，庄奕琪 主编，电子工业出版社， 20045. Electronic Materials. 2nd ed. Braithwaite, N., and G. Weaver. Butterworths, 1998.教学参考资料 ：5本章主要内容一、电子材料基本概论二、电子材料在国民经济中的地位三、 电子材料的分类四、 电子材料对环境的要求五、电子材料的应用与发展动态6课程性质和任务课程性质和任务本课程主要讲授电子信息技术和产业中所涉及的 导电、电阻、超导、半导体、电介质、光电子、磁性以及敏感 等功能材料的 制备方法 、 结构特征 、 元器件设计 和 应用开发 等所需的 材料基础知识 。简单介绍 基本物理原理 。通过本课程的学习使同学深入了解材料与光、电、热、磁相互作用的 基本原理 ；基本了解电子信息材料的应用和制造的基本工艺和方法 ；掌握当今电子信息材料的 种类 ，熟悉在关键领域应用材料的 名称机理 ；了解电子信息材料的 发展趋势和最新进展 ； 最终使同学具备从事电子材料生产、研究、应用和开发的基础知识和基本能力 。7何谓电子材料？电子材料电子材料 是指与是指与 电子工业电子工业 有关的、有关的、在在 电子学电子学 与与 微电子学微电子学 中使用的材料中使用的材料，是制作，是制作 电子元器件和集成电路电子元器件和集成电路 的的物质基础。物质基础。 8电子学电子学 是一门以应用为主要目的的科学和技术，主要研究是一门以应用为主要目的的科学和技术，主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。微电子学微电子学 是研究在固体（主要是是研究在固体（主要是 半导体半导体 ）材料上构成的微）材料上构成的微小化电路，子系统及系统的小化电路，子系统及系统的 电子学电子学 分支。作为电子学的一分支。作为电子学的一门分支学科，微电子学主要是研究门分支学科，微电子学主要是研究 电子电子 或或 离子离子 在固体材料在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的。微电科。微电子学是以实现电路和系统的集成为目的的。微电子学中实现的电路和系统又称为子学中实现的电路和系统又称为 集成电路集成电路 和和 集成系统集成系统 ，是，是微小化的；在微电子学中的空间尺寸通常是以微小化的；在微电子学中的空间尺寸通常是以 微米微米 和和 纳米纳米为单位的。为单位的。 9本课程教学内容2 电阻材料 是指常用的 电阻器、片式电阻器 、混合集成电路中的 薄膜和厚膜电阻器 、 可变电阻器 和 电位器 等所用的电阻体材料3 超导材料4 半导体材料（ 10-6 m 1012 m）5 电介质材料 在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于 1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质6 光电子材料 信息获取、传输、储存、处理和输出所涉及的材料 7 磁性材料8 敏感电子材料 能感知规定的被测量，并按照一定的规律将之转换成输出信号的装置，由敏感元件和转换元件组成。1 导电材料导电材料 用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引线和布线10第一个点接触式的 晶体管 (transistor)， Bell Lab, 1947成为现代电子工业的基础Ge 晶体管 获 1956年诺贝尔物理奖电子材料简要历史11First Transistor and Its Inventors贝尔实验室的肖克利、伯莱顿 （前面站者）和 巴丁 （后面站者），因共同发明晶体管而分享1956年的诺贝尔物理奖 12肖克利当年创办的半导体实验室现已成为硅俗的历史地标 1955年， “晶体管之父 ”威廉 肖克利 ，受 特尔曼 邀请离开贝尔实验室到硅谷创建肖克利半导体实验室 13肖克利（中央坐者）的追随者们，包括那 8个 “叛逆 ”，在 “黛娜木层 ”庆祝他们的首领荣获诺贝尔奖 14八叛逆在 Fairchild Semiconductor， 1959年 . 从左至右 : Gordon Moore, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni 与 Jay Last “八叛逆 ”。八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的资助，于 1957年，创办了 仙童半导体公司 （仙童成为现在的 Intel和 AMD之父 ）。 15First Silicon IC Chip Made by Robert Noyce of Fairchild Camera in 196116Si 1-10方向投影及高分辨电子显微像芯片最基础的半导体材料 硅纳米尺度成分分析1968年 8月， 诺伊斯 与负责研发的 戈登 摩尔和工艺开发专家 安迪 格罗夫 创立 Intel公司17Nehalem-EX生产工艺 45nmHKMG，热设计功耗最高 130W。晶体管数量为23亿 (600 mm2)。 2010年 3月 Intel发布的 首批八核心处理器Nehalem-EX架构简图1958年 德州仪器公司展示的全球第一块集成电路板，几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路 集成电路 50多年的变迁：更快更小更低廉 18材料、能源和信息技术材料、能源和信息技术 是当前国际公认的新科技是当前国际公认的新科技革命的三大支柱。革命的三大支柱。电子材料处于材料科学与工程的最前沿电子材料处于材料科学与工程的最前沿 。电子材。电子材料的优劣直接影响电子产品的质量，与电子工业的经料的优劣直接影响电子产品的质量，与电子工业的经济效益有密切关系。济效益有密切关系。一个国家的电子材料的品种、数量和质量，成了一个国家的电子材料的品种、数量和质量，成了一个衡量该国一个衡量该国 科科 学技术学技术 、 国民经济水平国民经济水平 和和 军事国防力军事国防力量量 的主要标志的主要标志 。二、电子材料在国民经济中的地位二、电子材料在国民经济中的地位19众多电子产品的核心部件 芯片20国民经济 国家安全科学技术半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗、武器装备的微型化、智能化21一代 材料 孕育出一代 器件 、一代 系统 、一代 整机 ，从而改变着人们的 生活方式 和 生存环境 。 22三、电子材料的分类三、电子材料的分类1. 按 用途 分：结构电子材料 和 功能电子材料 。1) 结构电子材料 是指能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料；2) 功能电子材料 是指除强度性能外，还有特殊性能，或能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料。23功能材料：主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料结构材料：以力学性能为基础，制造受力构件所用材料242.按 组成 (化学作用 )分：无机电子材料 和 有机电子材料l 无机电子材料 可以分为金属材料 (以金属键结合）和非金属材料（以离子键和共价键结合）；l 有机电子材料 主要是指高分子材料（以共价键和分子键结合） ；253. 按 物理性质 分 :导电材料超导材料半导体材料绝缘材料压电铁电材料磁性材料光电材料敏感材料等。264. 按 应用领域 分 :微电子材料电器材料电容器材料磁性材料光电子材料 压电材料电声材料等；275. 传统电子材料与先进电子材料先进电子材料（新型材料）： 是指具有优异性能和应用前景的一类材料，正在发展中， 具有保密性。 传统电子材料 (基础材料 ):已工业化批量生产并大量应用的成熟材料。这类材料由于其产量大、产值高、价格较低，涉及面广泛，是很多支柱产业的基础。28四、电子材料对环境的要求四、电子材料对环境的要求电子材料在做成元器件和集成电路之后，应具备电子材料在做成元器件和集成电路之后，应具备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。主要有一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。主要有以下几方面的要求：以下几方面的要求：1. 温度温度2. 压力压力3. 湿度湿度4. 环境中的化学颗粒及尘埃环境中的化学颗粒及尘埃5. 霉菌和昆虫霉菌和昆虫6. 辐射辐射7. 机械因素机械因素29五、电子材料的应用与发展动态五、电子材料的应用与发展动态为适应电子整机和设备 为适应电子整机和设备 小型化、轻量化、薄型小型化、轻量化、薄型化、数字化、多功能、以及生产的自动化化、数字化、多功能、以及生产的