广东工业大学电子材料复习资料

1、第2章 超导材料一.超导电性：当温度下降到某一值(Tc)时，材料的电阻突然消失。 超导体：在某一温度下能呈现出超导电性的材料。 二.超导体的分类 按磁化特性不同分为： 1.第一类超导体（除V、Nb以外的金属） 第一类超导体又称软超导体。只存在一个临界磁场Hc，当外磁场H<Hc时，呈现完全抗磁性，体内磁感应强度为零。 2.第二类超导体（V、Nb及合金、化合物、高温超导体等）第二类超导体也称硬超导体，具有两个临界磁场，分别用Hc1（下临界磁场）和Hc2（上临界磁场）表示。当外磁场H< Hc1时，具有完全抗磁性，体内磁感应强度处处为零。外磁场强度满足Hc1 H< Hc2时，超导态和

2、正常态同时并存，磁力线通过体内正常态区域，称为混合态或涡旋态。外磁场H增加时，超导态区域缩小，正常态区域扩大，H> Hc2时，超导体全部变为正常态。3. 超导材料的基本性质与理论基础 材料具有超导性能的必要条件：迈斯纳效应和零电阻效应。1. 零电阻超导体处于超导态时（临界温度以下）电阻完全消失。若用它组成闭合回路，一旦回路中形成电流，则电路中没有能量损耗，不需要任何电源补充能量，电流可以持续下去。2. 迈斯纳效应（完全抗磁性） 超导体处于超导态时，不管有无外磁场存在，超导体内磁感应强度总是等于零。在外磁场中，处于超导态的超导体内磁感应强度为零的特性称为超导体的完全抗磁性，这种现象被称为超

3、导体的迈斯纳效应。四超导体超导的三个条件；超导材料只有同时满足三个条件才能处于超导态： T < Tc ：温度小于临界温度； H < Hc：磁场小于临界磁场； I < Ic ：电流小于临界电流；五 BCS理论(1) BCS理论表述：超导电性源于固体中电子的配对，而电子配对的相互吸引作用源于电子和晶格振动间相互作用，即交换虚声子； 配对发生在自旋相反动量和为零的两个电子间，即动量凝聚。(2) 两点结论：进入超导态的电子发生了深刻变化；晶格起重要作用，电-声决定性。第3章 半导体材料1 根据物质的导电性质，将它们分为导体，绝缘体，以及介于这两者之间的半导体三大类。二半导体的分类（按

4、杂质类型分，按导电类型分）；1.按是否含有杂质：本征半导体和杂质半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。存在电子和空穴两种载流子。但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，np。杂质以替位的形式存在于锗、硅晶体中，由此而形成的半导体称为杂质半导体。如果对纯净半导体掺入适当的杂质，也能提供载流子。把提供导带电子的杂质称为施主；而将提供价带空穴（即接收价带电子）的杂质称为受主。2. 按导电类型：N型半导体和P型半导体在掺施主的半导体中，由于施主电离，使p<n，电子导电占优势，因而称之为N型半导体。施主杂质亦称N型杂质。 在掺受主的半导体中，由于受主电离，使p>n，空穴导电

5、占优势，因而称之为P型半导体。受主杂质亦称P型杂质。当半导体中既有施主杂质，又有受主杂质时，半导体的导电类型就主要取决于掺杂浓度高的杂质。当施主数量超过受主时，半导体就是N型的；反之，受主数量超过施主则为P型的。三半导体的电学特性 1.负电阻温度系数：即随着温度的升高，电阻值下降。 2.整流效应：在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。 3.光电导效应：光电导是指由光照引起半导体电导率增加的现象。 4.光生伏特效应：发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏特效应。 5.霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于

6、磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。四硅和锗的制备方法1.物理提纯：不改变材料的化学组成进行提纯。（1）区熔提纯：利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯的技术。 影响区熔提纯的三个因素：熔区长度、熔区移动速度、区熔次数的选择（2）拉单晶法：是生长半导体单晶的主要方法。在直拉单晶炉内，向盛有熔硅（锗）坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。在工艺流程中，最为关键的是拉晶过程，它又分为润晶、缩颈、放肩、等径

7、生长、拉光等步骤。2.化学提纯：把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素。 萃取提纯法：利用混合液在某溶剂中的溶解度的差异，萃取分离。 精馏提纯法：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。第4章 电介质材料一.电介质1.电介质：是指以感应方式而不是以传导的方式来传递电信号的物质。 2.电介质极化：电介质在电场作用下产生感应电荷，也称束缚电荷的现象称为电介质的极化。3.极化过程：在外电场作用下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿等物理过程。4.电介质跟绝缘体、导体的区别：绝缘体是指能够承受较强电场的电介质材料，而电介质除了绝缘特性而外，主要是指在较弱电场下具有极化

8、能力，并能在其中长期存在电场的一种物质。与金属不同，材料内部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在束缚电荷，即通过极化过程来传递和记录电子信息。与此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。 二.介电损耗 电介质的极化速度有限，当电介质上加交变电场时，电位虽也以同样的角频率振动，但其相位落后于所加电场的相位，导致出现相位差角（称为电介质损耗角），即存在一定的弛豫时间。由上述原因所造成的能量损耗叫介电损耗（亦称介质色散）。介电损耗影响因素：交流电频率、串联等效电阻、电容量损耗大在低频下使用，损耗小在高频下使用。3. 电介质极化的基本类型按微观

9、机制，归纳为以下几种基本形式，即电子位移极化、离子位移极化、偶极子取向极化、空间电荷极化及自发极化等。1. 电子位移极化 电介质中原子、分子和离子等任何粒子，在电场作用下都能感生一个沿电场方向的感应偶极矩。这是由于在电场的作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生位移而引起的。 该极化存在于一切介质中。 电子位移极化建立的时间很短，约在10-1410-16s范围。表明，若所加电场为交变电场，其频率即使高达光频(100-1000THz)，电子位移极化也来得及响应。2. 离子位移极化 在离子晶体和玻璃等无机介质中，正负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零，但在电场作用下，这些离子除产生电子位移外，离

10、子本身还将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动，形成感应偶极矩，这就是离子位移极化。 离子位移极化对外电场的响应时间也较短，比电子位移极化慢2-3个数量级，与离子在平衡位置的固有振动频率相当。3. 偶极子取向极化 非晶态极性有机电介质的分子或分子链节具有一定的固有偶极矩，可把它们看成是偶极子。在电场作用下，偶极分子或链节受到电场转矩的作用，驱使它们沿电场方向取向。但热运动却使分子作混乱排布，起解除取向作用。分子间相互作用也阻碍极性分子在电场方向的取向。一定温度和电场作用下，达到一个新的统计平衡状态。在新平衡状态下，偶极子在空间各方向的几率不再相同，沿电场方向取向的大

11、于其他方向，在电场方向形成宏观偶极矩。若组成介质的分子是极性的，其本身就存在固有偶极矩。虽在无外电场作用时，热运动 使偶极分子混乱取向，介质在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零，但在外电场作用下，偶极分子将沿电场方向偏转定向，这时电介质内部分子偶极矩的矢量和就不再是零，整个电介质对外感生出宏观偶极矩。4. 空间电荷极化 离子型结构电介质中存在一些弱束缚离子，如外来掺杂离子或处于晶格缺陷位置上的离子。位能稍高，不稳定，易受热而激活。 在外电场作用下，除了部分构成电导外，另一部分可能不足以越过所有阻隔它们运动的势垒，只能在一个不大区域内越过一些较低的势垒，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。 热离子

12、位移极化建立的时间较慢，约为10-2S。 当外加电场频率较高时，极化的改变就滞后于电场的改变。这种现象称为“极化驰豫”。5. 自发极化 当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下，载流子将迁移而使介质有微小的漏导电流。实际介质往往结构不均匀，各相间的介电性能也不完全相同，因而载流子可能被阻止在这些相界面上，形成空间电荷的局部积累，使介质中电荷分布不均匀，产生电矩，发生极化。建立的时间很长，从几分之一秒到几个小时，一般在直流和低频下出现，极化时将消耗能量。某些晶体具有特殊的结构，其晶胞本身的正负电荷重心不相重合，即晶胞具有极性。由于晶体构造的周期性和重复性，当某一晶胞在某

13、一方向出现偶极矩时，将逐渐影响到与之相邻的其他晶胞，使之也在同一方向出现偶极矩。这种极化状态是在外电场为零时自发建立起来的，因而称为自发极化。具有相同极化方向的自发极化区域称为电畴。每个电畴都有一定的固有电矩（电偶极矩的简称，是电荷系统的极性的一种衡量），在一般情况下，各个电畴的电矩方向是各不相同的，各电畴的电矩相互抵消，介质对外不显极性。当外加电场后，各电畴将沿电场方向转向，从而显示出强烈的极化效应。由自发极化产生的介电常数非常高，电畴随电场转向的时间也很长，且消耗电场能量。与理想介质不同，实际电介质中总是或多或少地存在着一定量的能够自由迁移的带电粒子，在无外电场时，它们作紊乱的热运动，因此

14、不形成电流。当加上不高的外电场后，这些载流子受到电场力的作用，便在不规则的热运动上叠加了沿电场力方向的定向迁移，从而形成电流，不过这种电流很小，故称为漏导电流或漏导。4. 电介质的击穿 当电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称为介电强度的破坏，或叫介质的击穿。主要击穿类型有电击穿和热击穿。五.电容器的介质材料 1.绝缘材料：如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等。2.介电氧化膜：由铝、钽、铌等阀金属表面生成。六.铁电材料铁电材料，在外加电场不存在时具有自发极化，且自发极化的方向可以被外加电场所改变。材料的极化强度和电场之间存在像铁磁体那样的B-H磁滞回线，称为“电滞回线”。

15、介电常数特别高，也称为“强介材料”或“强介体”。 最具代表性的铁电材料是BaTiO3和以其为基的材料，它同时也是压电材料。七.铁电、热释电、压电、介电晶体之间的关系 在压电晶体中，有一部分存在自发极化，可能具有热释电性，为热释电晶体。 在热释电晶体中，有些晶体其自发极化方向能随外电场方向反向而反向，这类晶体为铁电体。 具有铁电性的晶体，必具有热释电性和压电性。具有热释电性的晶体，必具有压电性，却不一定具有铁电性。 压电晶体、热释电晶体、铁电晶体均属电介质晶体。八.压电效应 正压电效应：当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“

16、正压电效应”。逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。第5章 磁性材料1. 电子磁矩 1.电子磁矩：由电子运动所产生的磁矩称为电子磁矩。由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩（主要）两部分组成。 2.磁性的来源：电子磁矩就是物质磁性的主要来源。2. 材料的磁性1.顺磁性：有些材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M跟的方向相同，即 >。呈弱磁性。顺磁性物质的原子或分子都具有未填满的电子壳层，故都具有未被抵消的电子磁矩，从而有一个固有的总磁矩。但这些物质的原子或分子磁矩之间相互作用十分微弱，热运动很易使原

17、子或分子磁矩的方向杂乱无章，对外作用相互抵消，物体在宏观上不表现磁性。然而，在外磁场作用下，原子或分子磁矩便微弱地转向外磁场方向排列，由此而对外显示出微弱的磁性。2.铁磁性： 有一类材料在一定温度以下，只要很小的外加磁场作用就能被磁化到饱和， > 0。呈强磁性。铁磁性材料的主要特征有如下几个：（1） 很易磁化，在不强的磁场下就可磁化到饱和状态，且相应的饱和磁化强度很高。（2） 铁磁性物质的磁化强度和外磁场不呈线性关系，当反复磁化时，磁化强度与磁场强度的关系是一闭合曲线，称为磁滞回线。（3） 铁磁性物质的磁性与温度有关。当温度增加时，磁化强度逐渐减小。存在一转变温度Tp ，当T> Tp 时，铁磁性消失，转变为顺磁性。3.铁磁性与顺磁性的根本区别在于： 铁磁性材料内存在自发磁化，而顺磁性材料内则无此现象。三.磁滞回线 磁滞回线形成的根本原因在于磁性材料的不可逆磁化。 一般磁性材料都有相应的磁滞回线，但由于磁特性的不同，其磁滞回线的形状也有很大的差异。常用的软磁材料与硬磁材料的磁滞回线比较图。4. 软磁材料 磁滞回线窄而长，起始磁导率高，矫顽力小。在