功能材料-2. 电性材料

1、1功 能 材 料 2.电性材料思考题：n1 金属和本征半导体，它们的电导率随温度的 变化关系？n2 物质产生电阻的原因？23导言导言n电性材料按其电学性能的特点，可分为四大类，即电性材料按其电学性能的特点，可分为四大类，即导体导体、半导体半导体、超导体超导体和和绝缘体绝缘体。n从材料的应用角度来说，则种类繁多，可分为从材料的应用角度来说，则种类繁多，可分为导电材料导电材料、电阻材料电阻材料、电热材料电热材料、绝缘材料绝缘材料等。等。n电阻率电阻率和电导率和电导率是材料电性的基本性能参数，二者互是材料电性的基本性能参数，二者互为倒数。对各向同性的材料来说，为倒数。对各向同性的材料来说，和和为标量

2、。为标量。4n室温下一些材料的电阻率见表室温下一些材料的电阻率见表2.102.10。n不同材料的电阻率差异极大。不同材料的电阻率差异极大。n材料的电阻率与温度的关系也有很大差别。材料的电阻率与温度的关系也有很大差别。n材料电性能的差异与其成分、组织、结构，以及外界环境材料电性能的差异与其成分、组织、结构，以及外界环境( (如湿度、压力、磁场等如湿度、压力、磁场等) )都有很大的关系。都有很大的关系。5讲述内容讲述内容n2.1 2.1 导电材料（简介）导电材料（简介）n2.2 2.2 半导体材料半导体材料n2.3 2.3 超导材料超导材料62.1 2.1 导电材料导电材料n导电材料按导电机理可分

3、为导电材料按导电机理可分为电子导电材料电子导电材料和和离子导电材料离子导电材料。n电子导电材料包括以下三大类：电子导电材料包括以下三大类：n导体导体 导体的电导率导体的电导率10105 5 S/m( S/m(或或-1-1m m-1-1) )；n半导体半导体 半导体的电导率半导体的电导率为为1010-8-810104 4 S/mS/m；n超导体超导体 超导体的电导率超导体的电导率在温度小于其临界温度时，在温度小于其临界温度时， 可以认为是无限大。可以认为是无限大。n当材料的当材料的1010-7-7 S/m S/m时，就可以认为该材料基本上不能时，就可以认为该材料基本上不能导电，而成为导电，而成为

4、绝缘体绝缘体。7n离子导电材料的导电机理则主要是起源于离子的运动离子导电材料的导电机理则主要是起源于离子的运动，由，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此，其电导于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此，其电导率也远小于电子导电材料的电导率，目前最高不超过率也远小于电子导电材料的电导率，目前最高不超过10102 2S/mS/m，大多都在，大多都在10100 0S/mS/m以下。以下。n本节将主要讨论导体材料。本节将主要讨论导体材料。8本节内容本节内容n2.1.1 2.1.1 导电材料的种类及应用导电材料的种类及应用n2.1.2 2.1.2 电阻材料的种类及应用电阻材料的种类及应用n2.

5、1.3 2.1.3 其他导电材料及应用其他导电材料及应用92.1.1 2.1.1 导电材料的种类及应用导电材料的种类及应用n导电材料按化学成分主要有以下两类：导电材料按化学成分主要有以下两类：n(1)(1)纯金属纯金属n纯金属是主要的导体材料，电导率纯金属是主要的导体材料，电导率为为10107 710108 8S/mS/m。n常用的有铜、铝、银、金、镍和铂等。常用的有铜、铝、银、金、镍和铂等。n(2)(2)合金材料合金材料n合金材料的电导率为合金材料的电导率为10105 510107 7S/mS/m，如铜合金、铝合金、银，如铜合金、铝合金、银合金、镍合金和不锈钢等。合金、镍合金和不锈钢等。10

6、11n合金导电材料牺牲部分导电能力，以克服纯金属机械强度合金导电材料牺牲部分导电能力，以克服纯金属机械强度不足等缺点。不足等缺点。n银铜合金银铜合金耐热性。耐热性。n锆铜合金锆铜合金强度和耐热性。强度和耐热性。n铍铜合金铍铜合金强度、耐蚀性、耐磨损性、耐疲劳性。强度、耐蚀性、耐磨损性、耐疲劳性。n铜锌合金铜锌合金切削加工、耐蚀性。切削加工、耐蚀性。n铝合金铝合金密度小，有足够的强度、塑性和耐蚀性。电子密度小，有足够的强度、塑性和耐蚀性。电子工业中常用做机械强度要求较高、重量要求轻的导电材料。工业中常用做机械强度要求较高、重量要求轻的导电材料。122.1.2 2.1.2 电阻材料的种类及应用电阻

7、材料的种类及应用n电阻材料是指电阻率较高的一类导电材料电阻材料是指电阻率较高的一类导电材料，包括精密电阻，包括精密电阻材料和电阻敏感材料。材料和电阻敏感材料。n主要用来制作主要用来制作标准电阻器标准电阻器、变阻器变阻器及及一些敏感电阻一些敏感电阻( (如应如应变电阻、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等变电阻、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等) )器件。器件。n这种材料通常为高电阻率的合金。这种材料通常为高电阻率的合金。13n在高电阻合金中，最主要的是在高电阻合金中，最主要的是铜镍系合金铜镍系合金、铜锰系合金铜锰系合金、镍铬系合金镍铬系合金、铁铬铝系合金铁铬铝系合金及及贵金属系合金贵金属系合金。n按照

8、使用情况不同，高电阻合金常分为按照使用情况不同，高电阻合金常分为测量仪器及标准电测量仪器及标准电阻用合金阻用合金、电位器用合金电位器用合金、电热器用合金电热器用合金、传感器用合金传感器用合金等。等。n由于使用情况不同，对它们的要求也各异。由于使用情况不同，对它们的要求也各异。14n对用于制作标准电阻及电工测量仪表的电阻材料对用于制作标准电阻及电工测量仪表的电阻材料，应具有，应具有尽可能大的电阻率和尽可能小的电阻温度系数，电阻率不尽可能大的电阻率和尽可能小的电阻温度系数，电阻率不随时间而变化，并有良好的机械特性，如强度高、韧性好随时间而变化，并有良好的机械特性，如强度高、韧性好及抗腐蚀性好等；及

9、抗腐蚀性好等；n对用于变阻器对用于变阻器( (电位器电位器) )的电阻材料的电阻材料，应具有较高的电阻率，应具有较高的电阻率和较低的电阻温度系数，有较强的耐蚀性、抗氧化性、耐和较低的电阻温度系数，有较强的耐蚀性、抗氧化性、耐热性和机械强度等；热性和机械强度等；n对用于电子电路中的一般电阻元件所用的电阻材料对用于电子电路中的一般电阻元件所用的电阻材料，要求，要求有一定的电阻率，电阻温度系数尽可能小，电阻值稳定，有一定的电阻率，电阻温度系数尽可能小，电阻值稳定，不受电流频率的影响，并且制作的电阻元件不会在电路中不受电流频率的影响，并且制作的电阻元件不会在电路中产生噪声。产生噪声。152.1.3 2

10、.1.3 其他导电材料及应用其他导电材料及应用n(1)(1)电接触材料电接触材料n电子设备中常需用到各种可变电阻器、电位器、开关插头电子设备中常需用到各种可变电阻器、电位器、开关插头座、继电器等电子元件。这些元件均具有滑动接点或分合座、继电器等电子元件。这些元件均具有滑动接点或分合接点，用于这些电接触连接的导电材料，称为电接触材料，接点，用于这些电接触连接的导电材料，称为电接触材料，又称为又称为接点材料接点材料、接头材料接头材料。n对电接触材料的一般要求是：对电接触材料的一般要求是：接触电阻低而稳定，无损耗，接触电阻低而稳定，无损耗，接触无变形，不熔接，开关准确，价格合适等。接触无变形，不熔接

11、，开关准确，价格合适等。16n电接触材料的品种很多，根据电接触材料的品种很多，根据材料的性质材料的性质，可分为，可分为纯金属纯金属接触材料接触材料和和合金接触材料合金接触材料两大类；两大类；n根据根据接点的工作条件接点的工作条件，又可分为，又可分为弱电流小功率接触材料弱电流小功率接触材料、中等功率接触材料中等功率接触材料、大功率接触材料大功率接触材料，以及，以及真空开关接触真空开关接触材料材料等。等。n但是，各种接触材料都有自身的优缺点，利用单一材料难但是，各种接触材料都有自身的优缺点，利用单一材料难以满足所有的要求，因此，只能按照不同的工作条件进行以满足所有的要求，因此，只能按照不同的工作条

12、件进行选择。选择。17n通常按照工作电流的大小选择接触材料。通常按照工作电流的大小选择接触材料。n当电流小于当电流小于100mA100mA时，要求接触电阻稳定，时，要求接触电阻稳定，常用常用AgAg、PdPd、AuAu、PtPt等贵金属或以它们为基的合金等贵金属或以它们为基的合金；n当开关当开关100 mA100 mA以上较大电流时，除要求接触电阻稳定外，以上较大电流时，除要求接触电阻稳定外，还要求接点耐电弧、耐熔接，因此，采用以还要求接点耐电弧、耐熔接，因此，采用以AgAg为主体的合为主体的合金及金及AgAg与与NiNi、W W、C C、CdOCdO等的烧结体；等的烧结体；n当电流更大时，则

13、多采用当电流更大时，则多采用W W、MoMo、CuCu、WCWC等为主要成分的等为主要成分的合金材料。合金材料。PC电脑主板上金银等材料：铜与金银的导电率几乎一样，但是铜会氧化，从而影响到导电率，金银不会；显见的，都是指那些暴露在外的触点上，才会可能用到金银；如内存槽中的触点，CPU座的触点等等 18(2)(2)电碳材料电碳材料n电碳材料是非金属高电阻导电材料，它包电碳材料是非金属高电阻导电材料，它包括括石墨等结晶形碳和炭黑石墨等结晶形碳和炭黑、焦炭焦炭等无定形等无定形碳。碳。19n石墨石墨具有六方形的晶体结构，由无数平行的层面叠合而成，具有六方形的晶体结构，由无数平行的层面叠合而成，每一层面

14、的碳原子分布在正六角平面的顶角上，构成三维每一层面的碳原子分布在正六角平面的顶角上，构成三维空间的有序排列。空间的有序排列。高纯度的石墨晶体具有类似金属的导电高纯度的石墨晶体具有类似金属的导电能力。能力。n无定形碳无定形碳的原子排列无序，但在经过的原子排列无序，但在经过22002500的高的高温处理后，无序结构就会转变为三维空间的有序结构，从温处理后，无序结构就会转变为三维空间的有序结构，从而具有与石墨类似的特性。而具有与石墨类似的特性。20n以石墨或碳为主要成分，加上一定的胶黏剂，如煤焦油、以石墨或碳为主要成分，加上一定的胶黏剂，如煤焦油、沥青或其他材料沥青或其他材料(如金属粉末如金属粉末)

15、等，按照不同的配方与工艺，等，按照不同的配方与工艺，可制成碳素基体材料。可制成碳素基体材料。n碳素基体材料碳素基体材料有碳质、碳石墨质、天然石墨质、电化石有碳质、碳石墨质、天然石墨质、电化石墨质和金属石墨质等五类，其中金属石墨质的基体材墨质和金属石墨质等五类，其中金属石墨质的基体材料中含有不同量的金属粉末，如铜粉、铅粉、锡粉、银粉料中含有不同量的金属粉末，如铜粉、铅粉、锡粉、银粉等。随着其他金属含量的增加，材料的性质逐渐接近于该等。随着其他金属含量的增加，材料的性质逐渐接近于该种金属的特性。种金属的特性。21n采用不同的配方与工艺，将碳素基体材料的粉末与煤焦油采用不同的配方与工艺，将碳素基体材

16、料的粉末与煤焦油等胶黏剂混合压制成型，经过高温烧结后就制成了各种电等胶黏剂混合压制成型，经过高温烧结后就制成了各种电碳制品。碳制品。n常用的有：常用的有：电机电刷电机电刷、电位器电刷电位器电刷、碳棒碳棒以及以及干电池干电池和和电电解池的各种电极解池的各种电极、电真空器件的电极电真空器件的电极及及隔热隔热和和支撑元件支撑元件等。等。22(3)(3)导电高聚物和导电胶黏剂导电高聚物和导电胶黏剂n高聚物一般为良好的绝缘体，而导电高聚物可分为自身显高聚物一般为良好的绝缘体，而导电高聚物可分为自身显示导电性的示导电性的高分子导电体高分子导电体(又称又称导电高分子导电高分子或或结构型导电结构型导电树脂树脂

17、)和在绝缘的高分子中分散具有导电性填料的和在绝缘的高分子中分散具有导电性填料的复合导复合导电体电体(又称又称添加型导电材料添加型导电材料)两大类。目前工业上广泛使用两大类。目前工业上广泛使用的多是复合型导电材料。的多是复合型导电材料。 n复合导电高聚物由复合导电高聚物由基体高聚物基体高聚物和和导电填料导电填料，以及，以及增塑剂增塑剂、溶剂溶剂、颜料颜料等组成。等组成。23n基体高聚物的物化性质决定了复合导电高聚物的机械性能、基体高聚物的物化性质决定了复合导电高聚物的机械性能、加工性能和耐化学性能等。加工性能和耐化学性能等。n基体高聚物的性能也影响导电高聚物的导电性，基体高聚物的性能也影响导电高

18、聚物的导电性，一般来说，一般来说，基体高聚物对导电填料的接触面越大，基体材料的硬度越基体高聚物对导电填料的接触面越大，基体材料的硬度越大，热变形温度越高，其导电体的导电件能越好，且导电大，热变形温度越高，其导电体的导电件能越好，且导电性也越稳定。性也越稳定。24n导电填料对高聚物的导电性起决定性作用。常用的有导电填料对高聚物的导电性起决定性作用。常用的有Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Fe等金属粉末和炭黑颗粒等。等金属粉末和炭黑颗粒等。n与金属导体相比，导电高聚物具有电导率可以控制与金属导体相比，导电高聚物具有电导率可以控制(10810-5cm)，耐腐蚀，加工性能优良，密度低，有弹性和，耐腐蚀，

19、加工性能优良，密度低，有弹性和价格便宜等价格便宜等优点优点。n主要缺点是主要缺点是：易变形、分解和收缩，硬度和耐候性差，燃易变形、分解和收缩，硬度和耐候性差，燃烧时会产生有毒气体等。烧时会产生有毒气体等。252.2 2.2 半导体材料半导体材料n1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明弗莱明的的手下诞生。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。手下诞生。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。n人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。时代。n1946年年2月月14日，日，世界上第一台计算机世界上第一

20、台计算机ENIAC 诞生诞生。世界上第一台电子计算机其实是ABC(Atanasoff-Berry Computer,阿塔纳索夫-贝瑞计算机) ENIAC是第二台。 英文全称为英文全称为 Electronic Numerical Integrator And Computer 26世界上第一台计算机世界上第一台计算机 两位发明人莫奇来和爱克特两位发明人莫奇来和爱克特工作中的工作中的ENIACENIAC 327n这部机器使用了这部机器使用了18800个真空管，长个真空管，长50英尺，宽英尺，宽30英尺，英尺， 占地占地1500平方英尺，重达平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，吨（大约是一间

21、半的教室大，六只大象重）。它的计算速度快，六只大象重）。它的计算速度快，每秒可从事每秒可从事5000次的次的加法运算加法运算，运作了九年之久。，运作了九年之久。n由于吃电很凶，由于吃电很凶， 据传据传ENIAC每次一开机，整个费城西区每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。的电灯都为之黯然失色。n另外，真空管的损耗率相当高，几乎每另外，真空管的损耗率相当高，几乎每15分钟就可能烧掉分钟就可能烧掉一支真空管，操作人员须花一支真空管，操作人员须花15分钟以上的时间才能找出坏分钟以上的时间才能找出坏掉的管子，使用上极不方便。掉的管子，使用上极不方便。28电子管优缺点电子管优缺点n缺点：缺点：体

22、积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源。率低、结构脆弱而且需要高压电源。n优点：优点：负载能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率负载能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好，所以仍然在一些地方领域的工作特性要比晶体管更好，所以仍然在一些地方（如大功率无线电发射设备）继续发挥着不可替代的作用。（如大功率无线电发射设备）继续发挥着不可替代的作用。 29n目前计算机运算速度：目前计算机运算速度：n由富士通制造的由富士通制造的日本超级计算机日本超级计算机“京京”排名首位，成为全排名首位，成为全球

23、运算速度最快的超级计算机。运行速度为每秒球运算速度最快的超级计算机。运行速度为每秒1.051.05万万万万亿次浮点计算，由亿次浮点计算，由6854468544个个SPARC64 VIIIfxSPARC64 VIIIfx处理器组成，处理器组成，每个处理器均内置每个处理器均内置8 8个内核，总内核数量为个内核，总内核数量为548352548352个。个。n中国的天河一号中国的天河一号A A(Tianhe-1A)(Tianhe-1A)，运算速度为每秒，运算速度为每秒2.572.57千万千万亿次浮点计算。亿次浮点计算。n美国的美国的“美洲虎美洲虎”(Jaguar)(Jaguar)，运算速度为每秒，运算

24、速度为每秒1.7591.759千万千万亿次浮点计算。亿次浮点计算。半导体、晶体管半导体、晶体管30天河一号天河一号A A是在是在“天河一号天河一号”的基础上经升级后的二期系统超级计算机。的基础上经升级后的二期系统超级计算机。由中国国防科技大学与天津滨海新区合作研发，斥资六亿元由中国国防科技大学与天津滨海新区合作研发，斥资六亿元人民币制造，它装置在天津中国国家超级计算机中心里，总人民币制造，它装置在天津中国国家超级计算机中心里，总共有一百四十个机柜，一百五十多公吨重。共有一百四十个机柜，一百五十多公吨重。20102010年年1111月世界超级计算机月世界超级计算机TOP500TOP500排名，位

25、列世界第一。后排名，位列世界第一。后20112011年年6 6月被日本超级计算机月被日本超级计算机“京京”超越。超越。20122012年年6 6月月1818日，日，国际超级电脑组织公布的全球超级电脑国际超级电脑组织公布的全球超级电脑500500强名单中，强名单中，“天天河一号河一号A A”排名全球第五排名全球第五 。31天河二号计算能力天河二号计算能力2 2年后将超日本年后将超日本“京京”系统系统6 6倍倍n20132013年年5 5月，月， “天河二号天河二号”的计算能力突破每秒的计算能力突破每秒5.495.49亿亿亿亿次，这个数字是当前世界最快的日本次，这个数字是当前世界最快的日本“京京”

26、系统的系统的6 6倍，倍，为世界顶级的超级计算机。为世界顶级的超级计算机。 3219481948年贝尔实验室发明晶体管年贝尔实验室发明晶体管n19471947年年1212月月1616日日：威廉：威廉邵克邵克雷（雷（William ShockleyWilliam Shockley）、）、约翰约翰巴顿（巴顿（John BardeenJohn Bardeen）和沃特和沃特布拉顿（布拉顿（Walter Walter BrattainBrattain）成功地在贝尔实）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。验室制造出第一个晶体管。 晶体管之父，william shockley n由于其响应速度快，准确性，

27、晶体管可用于各种各样的由于其响应速度快，准确性，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。33The first monolithic integrated circuit, about the size of a finger tip, was documented and developed at Texas Instruments by

28、 Jack Kilby in 1958. The IC was a chip of a single Ge crystal containing one transistor, one capacitor, and one resistor. 世界上第一个集成电路世界上第一个集成电路（1958）34n半导体与半导体与PCPC机机n19711971年，年，英特尔发布了其第一个微处理器英特尔发布了其第一个微处理器40044004。40044004规格为规格为1/81/8英寸英寸 1/16 1/16英寸，包含仅英寸，包含仅20002000多个晶体管，采用英特尔多个晶体管，采用英特尔1010微米微米P

29、MOSPMOS技术生产。技术生产。 n19721972年，年，英特尔发布了第一个英特尔发布了第一个8 8位处理器位处理器80088008。 n19781978年，年，英特尔发布了第一款英特尔发布了第一款1616位处理器位处理器80868086。n19781978年，年，英特尔标志性地把英特尔英特尔标志性地把英特尔80888088微处理器销售给微处理器销售给IBMIBM新新的个人电脑事业部，武装了的个人电脑事业部，武装了IBMIBM新产品新产品IBM PCIBM PC的中枢大脑。的中枢大脑。1616位位80888088处理器为处理器为80868086的改进版，含有的改进版，含有2.92.9万个晶

30、体管。万个晶体管。n19821982年，年，286286微处理器微处理器( (全称全称8028680286，意为，意为“第二代第二代80868086”) )推出，推出，提出了指令集概念，即现在的提出了指令集概念，即现在的x86x86指令集，可运行为英特尔前指令集，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。一代产品所编写的所有软件。286286处理器使用了处理器使用了1340013400个晶体管。个晶体管。35n19931993年，年，英特尔英特尔奔腾奔腾处理器问世，含有处理器问世，含有3 3百万个晶体管，百万个晶体管，采用英特尔采用英特尔0.80.8微米制程技术生产。微米制程技术生产。n200

31、52005年年5 5月月2626日，日，英特尔第一个主流双核处理器英特尔第一个主流双核处理器“英特尔英特尔奔腾奔腾D D处理器处理器”诞生，含有诞生，含有2.32.3亿个晶体管，采用英特尔领亿个晶体管，采用英特尔领先的先的9090纳米制程技术生产。纳米制程技术生产。n20062006年年7 7月月2727日，日，英特尔英特尔酷睿酷睿2 2双核处理器诞生。该处理双核处理器诞生。该处理器含有器含有2.92.9亿多个晶体管，采用英特尔亿多个晶体管，采用英特尔6565纳米制程技术在纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。世界最先进的几个实验室生产。 36n半导体材料与微电子技术和光电信息技术：半导体

32、材料与微电子技术和光电信息技术：n半导体材料的发展与器件紧密相关，可以说，电子技术的半导体材料的发展与器件紧密相关，可以说，电子技术的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力。开拓的强大动力。n而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。37n19481948年诞生的第一个晶体三极管采用了锗单晶制成。年诞生的第一个晶体三极管采用了锗单晶制成。n19521952年，

33、用直拉法成功地拉出世界上第一根硅单晶，并制出了年，用直拉法成功地拉出世界上第一根硅单晶，并制出了硅结型晶体管，从而推进了半导体材料的广泛应用和半导体器硅结型晶体管，从而推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。件的飞速发展。n2020世纪世纪6060年代初，硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法年代初，硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法进一步改进和提高，促进了半导体材料开始向高纯度、高完整进一步改进和提高，促进了半导体材料开始向高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展。性、高均匀性和大直径方向发展。n7070年代以来，应微电子技术要求而出现了大规模集成电路和超年代以来，应微电子技

34、术要求而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，这样就对半导体材料提出了越来越高的要求，大规模集成电路，这样就对半导体材料提出了越来越高的要求，使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高完整性、高使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高完整性、高均匀性和大尺寸方向发展。均匀性和大尺寸方向发展。38本节内容本节内容n2.2.1 2.2.1 典型半导体材料典型半导体材料n2.2.2 2.2.2 半导体微结构材料半导体微结构材料n2.2.3 2.2.3 非晶态半导体非晶态半导体392.2.1 2.2.1 典型半导体材料典型半导体材料n典型半导体材料按其组成可以分为以下三类：典型半导体材料按其组

35、成可以分为以下三类：n（1 1）元素半导体）元素半导体n（2 2）化合物半导体）化合物半导体n（3 3）典型的半导体器件）典型的半导体器件40（1 1）元素半导体）元素半导体n仅由单一元素组成的半导体材料称为仅由单一元素组成的半导体材料称为元素半导体元素半导体。n现已确定大约有十几种元素具有半导体的性质，它们基现已确定大约有十几种元素具有半导体的性质，它们基本上处于本上处于AA族族AA族的金属与非金属的交界处，如族的金属与非金属的交界处，如AA族元素族元素B(B(硼硼) )， AA族元素族元素Ge(Ge(锗锗) )、Si(Si(硅硅) )，VAVA族元素族元素S(S(硫硫) )，Se(Se(硒

36、硒) )、Te(Te(碲碲) )等，如图等，如图2.22.2所示。所示。411) 1) 硅和锗硅和锗n硅和锗的性质硅和锗的性质n在半导体材料中，硅和锗是公认的最优材料，应用广泛，在半导体材料中，硅和锗是公认的最优材料，应用广泛，它它是第一代半导体材料的典型代表是第一代半导体材料的典型代表。n硅与锗在晶体结构和一般理化性质上颇为类似。它们都具硅与锗在晶体结构和一般理化性质上颇为类似。它们都具有有金刚石立方晶体结构金刚石立方晶体结构，化学键为共价键，每个原子贡献，化学键为共价键，每个原子贡献4 4个价电子。个价电子。n硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆。两者相比，硅和锗都是具有灰色金属光泽的

37、固体，硬而脆。两者相比，锗的金属性更显著。锗的金属性更显著。n硅和锗的主要性能见表硅和锗的主要性能见表2.82.8（P56P56）。）。42 硅和锗半导体材料硅和锗半导体材料性质性质晶体的制备晶体的制备（1 1）直拉法）直拉法（2 2）区熔法）区熔法常温下化学性质稳定不溶于盐酸或稀硫酸等易与碱起反应在高纯石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料锭，建立熔区，将原料锭与籽晶一端熔合后，移动熔区，单晶便在舟内生长。在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶方向长大。43硅和锗的应用硅和锗的应用 目前，电子工业中使用的半导体材料主要是硅，目前

38、，电子工业中使用的半导体材料主要是硅，是制造大规模集成电路的最关键材料。是制造大规模集成电路的最关键材料。 锗单晶适于制造红外透镜、光学窗口和滤波片锗单晶适于制造红外透镜、光学窗口和滤波片等红外光学仪器。（等红外光学仪器。（高折射率、低吸收率高折射率、低吸收率）442) 2) 硒硒n硒有几种同素异构体，最重要是具有半导体性质的结晶硒。硒有几种同素异构体，最重要是具有半导体性质的结晶硒。n硒且有金属光泽，禁带宽度硒且有金属光泽，禁带宽度E Eg g为为1.5eV1.5eV。n硒的晶格缺陷使硒成为空穴型导电的硒的晶格缺陷使硒成为空穴型导电的P P型半导体，但其空型半导体，但其空穴的迁移率很小，约穴

39、的迁移率很小，约0.1cm0.1cm2 2/(V/(Vs)s)以下，且随温度的升高以下，且随温度的升高而增大。而增大。n硒整流器硒整流器是最早的固体整流器之一，但其效率和允许电流是最早的固体整流器之一，但其效率和允许电流密度均远低于锗、硅整流器，因此，现在很少采用。密度均远低于锗、硅整流器，因此，现在很少采用。n硒具有光电效应，硒光电池可对整个可见光光谱都有较好硒具有光电效应，硒光电池可对整个可见光光谱都有较好的灵敏性。的灵敏性。45(2) (2) 化合物半导体化合物半导体n由两种或两种以上元素组成，具有半导体特性的化合物称由两种或两种以上元素组成，具有半导体特性的化合物称为为化合物半导体化合

40、物半导体。n化合物半导体的种类繁多，它包括化合物半导体的种类繁多，它包括晶态无机化合物及其固晶态无机化合物及其固溶体溶体、非晶态无机化合物非晶态无机化合物、有机化合物有机化合物和和氧化物半导体氧化物半导体等。等。n通常所说的化合物半导体，多指晶态无机化合物半导体。通常所说的化合物半导体，多指晶态无机化合物半导体。46n与硅、锗、硒等元素半导体相比，化合物半导体具有许多与硅、锗、硒等元素半导体相比，化合物半导体具有许多优良的特性。优良的特性。特别是当这些特性为硅、锗所不具备时，就特别是当这些特性为硅、锗所不具备时，就显得尤为重要。例如，在发光器件、激光器件和高速器件显得尤为重要。例如，在发光器件

41、、激光器件和高速器件等方面，一些化合物半导体得到了重要的应用。等方面，一些化合物半导体得到了重要的应用。广泛应用于微电子和光电子领域；可制备发光器件、半导体激光器、太阳能电池和高速集成电路等。 禁带宽度较大1.43eV介电常数和电子有效质量小、电子迁移率高l GaAs471) 1) 化合物半导体的分类化合物半导体的分类n化合物半导体按元素组成的不同可分为化合物半导体按元素组成的不同可分为二元化合物半导体二元化合物半导体和和多元化合物半导体多元化合物半导体两大类。两大类。n二元化合物半导体二元化合物半导体nA AA-AA-A族化合物半导体族化合物半导体 由由AA族族AlAl、GaGa、InIn和

42、和AA族族P P、AsAs、SbSb等元素组成，共等元素组成，共1010种：种：GaAsGaAs、GaPGaP、GaSbGaSb、A1SbA1Sb、InAsInAs、InPInP、InSbInSb、GaNGaN、A1PA1P、AlAsAlAs。nB BBBAA族化合物半导体族化合物半导体 由由ZnZn、CdCd、HgHg等等BB元素和元素和S S、SeSe、TeTe等等AA元素组成，共元素组成，共1212种。如：种。如：CdSCdS、CdTeCdTe、CdSeCdSe、ZnSZnS、ZnSeZnSe、ZnTeZnTe等。等。48nC CA-AA-A族化合物半导体族化合物半导体 由第由第AA族元

43、素之间组成，族元素之间组成，典型的如：典型的如：SiCSiC。nD. A-AD. A-A族化合物半导体族化合物半导体 由由AA和和AA族元素组成，共族元素组成，共9 9种。如：种。如：PbSPbS、PbSePbSe、PbTePbTe等。等。nE EA-AA-A族化合物半导体族化合物半导体 由由AA和和AA族元素组成，如：族元素组成，如：BiBi2 2TeTe3 3、SbSb2 2SeSe3 3、SbSb2 2TeTe3 3等。等。49多元化合物半导体多元化合物半导体nA.B-A-(A)A.B-A-(A)2 2组成的多元化合物半导体组成的多元化合物半导体，如，如AgGeTeAgGeTe2 2。n

44、B.B-A-(A)B.B-A-(A)2 2组成的多元化合物半导体组成的多元化合物半导体，如，如AgAsSeAgAsSe2 2。nC.(B)C.(B)2 2-B-A-(A)-B-A-(A)4 4组成的多元化合物半导体组成的多元化合物半导体，如，如CuCu2 2CdSnTeCdSnTe4 4。n通常的化合物半导体材料的物理性质见表通常的化合物半导体材料的物理性质见表2.9(P59-60)2.9(P59-60)。50512)A-AA-A族化合物半导体族化合物半导体 nA-AA-A族化合物的结构为族化合物的结构为闪闪锌矿型结构锌矿型结构。n这种结构与金刚石结构相似，这种结构与金刚石结构相似，它含有两种

45、原子，如砷化镓的它含有两种原子，如砷化镓的砷和镓，分别组成两个面心立砷和镓，分别组成两个面心立方晶格，将两个晶格沿空间对方晶格，将两个晶格沿空间对角线位移角线位移1/41/4长度套合，即成长度套合，即成为闪锌矿型结构，每个原子和为闪锌矿型结构，每个原子和周围最近邻的周围最近邻的4 4个其他原子发个其他原子发生键合。生键合。52砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)n砷化镓是目前应用最广的砷化镓是目前应用最广的A-AA-A族化合物半导体，族化合物半导体，是是第二代半导体材料的典型代表第二代半导体材料的典型代表。53A. A. 砷化镓的性质砷化镓的性质n其室温下的禁带宽度比硅、锗大，达到其室温下的禁

46、带宽度比硅、锗大，达到1.424eV1.424eV，这就决，这就决定了由砷化镓制成的半导体器件定了由砷化镓制成的半导体器件可以在较高的温度下工作可以在较高的温度下工作，适用于制造大功率器件；适用于制造大功率器件；n砷化镓的电子有效质量小，仅为硅、锗的砷化镓的电子有效质量小，仅为硅、锗的1/31/3以下，这使以下，这使得杂质电离能减小，在极低的温度下仍可电离，保证了砷得杂质电离能减小，在极低的温度下仍可电离，保证了砷化镓器件能化镓器件能在极低的温度下工作，并使噪声减小在极低的温度下工作，并使噪声减小；n砷化镓的电子迁移率高，达到砷化镓的电子迁移率高，达到8500 cm8500 cm2 2/(v/

47、(vs)s)，约为硅的，约为硅的7 7倍，倍，可用于制作场效应晶体管等器件可用于制作场效应晶体管等器件，满足信息处理的，满足信息处理的高速化和高频化等要求；砷化嫁还具有较高的光电转换效高速化和高频化等要求；砷化嫁还具有较高的光电转换效率，率，有利于制作激光器件和红外光电器件有利于制作激光器件和红外光电器件。54电子有效质量（补充）电子有效质量（补充）n并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例系数。力与加速度的一个比例系数。n在准经典近似中，晶体电子在外力在准经典近似中，晶体电子在外力F F* *作用下具有加速度作用

48、下具有加速度a a* *，所以参照牛顿第二定律定义的所以参照牛顿第二定律定义的m m* *=F=F* */a/a* *称作惯性质量。称作惯性质量。n负的有效质量说明晶格对电子作负功，即电子要供给晶格负的有效质量说明晶格对电子作负功，即电子要供给晶格能量，而且电子供给晶格的能量大于外场对电子作功。能量，而且电子供给晶格的能量大于外场对电子作功。 n有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及内部势体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及内部势场的作用。场的作用。55B. B. 砷化镓单晶材料的

49、制备砷化镓单晶材料的制备n砷化镓单晶的制备主要有砷化镓单晶的制备主要有从熔体中生长体单晶从熔体中生长体单晶和和外延生长薄层外延生长薄层单晶单晶等方法。等方法。n制备砷化镓体单晶主要采用两种方法：制备砷化镓体单晶主要采用两种方法：一种是在石英管密封系一种是在石英管密封系统中装有砷源，通过调节砷源温度来控制系统中的砷压，这种统中装有砷源，通过调节砷源温度来控制系统中的砷压，这种方法包括方法包括水平区熔法、定向结晶法、温度梯度法、磁拉法和浮水平区熔法、定向结晶法、温度梯度法、磁拉法和浮区熔炼法区熔炼法等。等。n另一种是将熔体用某种流体程盖，并在压力大于砷化镓离解压另一种是将熔体用某种流体程盖，并在压

50、力大于砷化镓离解压的气氛中合成拉晶，称为的气氛中合成拉晶，称为液体封闭直拉法（液体封闭直拉法（LECLEC技术）。技术）。用这用这种方法可在高压下拉晶，因而成为制备具有高分解压的化合物种方法可在高压下拉晶，因而成为制备具有高分解压的化合物半导体单晶的主要方法。半导体单晶的主要方法。56n目前国内外在工业生产中主要采用目前国内外在工业生产中主要采用水平区熔法水平区熔法和和液封直拉法液封直拉法制备砷化镓单晶。制备砷化镓单晶。n砷化镓薄层单晶砷化镓薄层单晶( (即膜材料即膜材料) )的制备方法主要包括的制备方法主要包括气相外延生长法气相外延生长法、液相外延生长法液相外延生长法以及以及气束外延气束外延

51、生长法生长法等。等。57C. C. 砷化嫁的主要用途砷化嫁的主要用途n自自GaAsGaAs出现以来，化合物半导体材料迅速崛起，并发挥越出现以来，化合物半导体材料迅速崛起，并发挥越来越重要的作用。与硅相比，化合物半导体具备一些独特来越重要的作用。与硅相比，化合物半导体具备一些独特的性能，因此，的性能，因此，在超高速、超高频、低功耗、低噪声器件在超高速、超高频、低功耗、低噪声器件和电路，特别是光电子器件和光电存储器件方面有独特的和电路，特别是光电子器件和光电存储器件方面有独特的优势优势，受到了广泛的重视。，受到了广泛的重视。n目前主要的化合物半导体材料在信息技术领域的应用情况目前主要的化合物半导体

52、材料在信息技术领域的应用情况见表见表2.102.10。58表表2.10 2.10 化合物半导体的应用化合物半导体的应用59 GaP禁带宽度大2.25eV，带间跃迁可发射550nm的绿光，掺杂后可发出黄、红光发光二极管，广泛用于交通、广告等数字和图像显示。InP载流子速度高工作区长热导率大主要用于制作光电器件、光电集成电路和高频高速电子器件其他其他A-AA-A族化合物半导体及应用族化合物半导体及应用是目前发光材料中效率较高的材料！是目前发光材料中效率较高的材料！60InSb熔点较低，不易挥发，故易制；禁带宽度较小InAs制成光电导型、光生伏特型和光磁电型三种探测器禁带宽度较小可制成光生伏特型探测

53、器n这两种材料性质相似，它们有显著的这两种材料性质相似，它们有显著的磁阻效应磁阻效应，是制造霍尔器件和光磁电器件的良好材料。是制造霍尔器件和光磁电器件的良好材料。61磁阻效应磁阻效应（Magnetoresistance EffectsMagnetoresistance Effects）（）（补充补充）n是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。现象。n同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，

54、某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应磁阻效应。623 3）BBAA族化合物半导体族化合物半导体nBBAA族化合物半导体主要有硫化锌

55、、硒化锌、硫化族化合物半导体主要有硫化锌、硒化锌、硫化锌、硒化镉和碲化镉等。锌、硒化镉和碲化镉等。n这些材料这些材料主要用于红外光电器件主要用于红外光电器件，其进展远落后于，其进展远落后于族材料，由于其熔点高，蒸气压大，不易获得单晶，族材料，由于其熔点高，蒸气压大，不易获得单晶，PNPN结制作困难，因此目前许多器件都是用多晶制作的，结制作困难，因此目前许多器件都是用多晶制作的，这就限制了它们在制作器件方面的广泛应用。这就限制了它们在制作器件方面的广泛应用。63 硫化锌硫化锌(ZnS)(ZnS)和硒化锌和硒化锌(ZnSe)(ZnSe)n硫化锌具有闪锌矿型和纤维锌矿型晶体结构，是一种重要硫化锌具有

56、闪锌矿型和纤维锌矿型晶体结构，是一种重要的发光材料。粉末状硫化锌是的发光材料。粉末状硫化锌是光致发光光致发光、阴极射线致发光阴极射线致发光和和电致发光电致发光材料。材料。n硫化锌电致发光材料是在硫化锌粉中加入活性剂铜、锰、硫化锌电致发光材料是在硫化锌粉中加入活性剂铜、锰、铅等烧成的铅等烧成的( (在很多情况下，还要添加氯、铝等在很多情况下，还要添加氯、铝等) )。n硫化锌单晶或烧结片是良好的红外窗口材料，单晶是硫化锌单晶或烧结片是良好的红外窗口材料，单晶是P P型型材料，可作激光调制器，也可以和一般为材料，可作激光调制器，也可以和一般为N N型和型和族族化合物化合物( (如硫化镉如硫化镉) )

57、组成异质结发光材料。组成异质结发光材料。n硒化锌可用来制作黄光和绿光的结型发光器件。硒化锌可用来制作黄光和绿光的结型发光器件。64硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)、硒化镉、硒化镉(CdSe)(CdSe)和碲和碲化镉化镉(CdTe)(CdTe)n硫化镉属六方晶系，有很强的各向异性。硫化镉属六方晶系，有很强的各向异性。n粉末材料可制成电致发光器件、光敏电阻、光电池及太阳粉末材料可制成电致发光器件、光敏电阻、光电池及太阳能电池等。能电池等。n单晶材料主要用于红外窗口、激光调制器、单晶材料主要用于红外窗口、激光调制器、射线探测器。射线探测器。n单晶型硫化镉光敏电阻不但在可见光区域使用是广泛，具单晶型硫

58、化镉光敏电阻不但在可见光区域使用是广泛，具有很高的灵敏度，而且对有很高的灵敏度，而且对x x射线、射线、和和射线也很灵射线也很灵敏。敏。65n硫化镉和硒化镉的导电类型通常为硫化镉和硒化镉的导电类型通常为N N型。型。n碲化镉可掺杂制成碲化镉可掺杂制成PNPN结晶体，其化学键极性小，晶体的用结晶体，其化学键极性小，晶体的用途与硫化镉晶体相似，用它制作的核辐射探测器可在途与硫化镉晶体相似，用它制作的核辐射探测器可在150150下上作。下上作。n硒化镉主要用做光敏电阻，具有比硫化镉更宽的光谱响应硒化镉主要用做光敏电阻，具有比硫化镉更宽的光谱响应范围和更快的响应速度，但其灵敏度随工作温度变化较大，范围

59、和更快的响应速度，但其灵敏度随工作温度变化较大，在低照度下的灵敏度远低于硫化镉。在低照度下的灵敏度远低于硫化镉。66 4) 4)其他化合物半导体及应用其他化合物半导体及应用n碳化硅碳化硅(SiC)(SiC)和氮化镓和氮化镓(GaN)(GaN)n近年来，近年来，以碳化硅以碳化硅(SiC)(SiC)和氮化镓和氮化镓(GaN)(GaN)为代表的宽禁带半为代表的宽禁带半导体材料蓬勃兴起，成为第三代半导体材料。导体材料蓬勃兴起，成为第三代半导体材料。n碳化硅单晶一般为碳化硅单晶一般为N N型半导体，它具有宽的禁带宽度，稳型半导体，它具有宽的禁带宽度，稳定的化学性能，同时其临界击穿电压、热导率、饱和电子定

60、的化学性能，同时其临界击穿电压、热导率、饱和电子漂移速度均较高，因此，它被认为是高频、大功率、耐高漂移速度均较高，因此，它被认为是高频、大功率、耐高温、抗辐射的半导体器件的优选材料。温、抗辐射的半导体器件的优选材料。67SiCSiCn在这些苛刻的条件下，在这些苛刻的条件下，SiCSiC可以代替可以代替SiSi和和GaAsGaAs，成为各种，成为各种微电子器件的载体，可制作发热器或红外光源，用它制成微电子器件的载体，可制作发热器或红外光源，用它制成的整流管在的整流管在500500下仍能保持良好的整流特性。下仍能保持良好的整流特性。n碳化硅还适于制作发光二极管，能发黄、红和天蓝色的光。碳化硅还适于