第二章(电性材料).

1、主要内容：主要内容：l导电材料l半导体材料l超导材料 电性材料的类别电性材料的类别按电学性能特点按电学性能特点： 电性材料电性材料导体导体半导体半导体超导体超导体绝缘体绝缘体 从材料的应用角度：从材料的应用角度： 电性材料电性材料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 第二章电性材料导电材料可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。导电材料可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。三大类电子导电材料：三大类电子导电材料： 导体：电导率导体：电导率 10105 5 S Sm m-1-1（或（或 -1-1m m-1-1）；）； 半导体：电导率半导体：电导率 在在1010-8-

2、810104 4 S Sm m-1-1之间；之间； 超导体：电导率超导体：电导率 趋于趋于无限大（无限大（T TT Tc c）。）。第一节导电材料第一节导电材料导电材料导电材料纯金属纯金属合金合金 铜铜铝铝其他其他( (银、金、镍、铂等银、金、镍、铂等) )铜合金铜合金铝合金铝合金其他其他( (银合金、金合金、镍合金等银合金、金合金、镍合金等) )导电材料的性能要求：导电材料的性能要求：高的电导率，高的力学性能、良好的耐腐蚀性能和加工性能。高的电导率，高的力学性能、良好的耐腐蚀性能和加工性能。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料一、导电材料的种类及应用一、导电材料的种类及应用l 纯

3、金属纯金属电导率电导率 在在10107 710108 8 S Sm m-1-1之间。之间。1 1、铜、铜纯铜，又称紫铜，外观呈淡紫红色。纯铜，又称紫铜，外观呈淡紫红色。优点：优点：良好的导电性（仅次于银）、耐腐蚀性、塑性加工性。良好的导电性（仅次于银）、耐腐蚀性、塑性加工性。缺点：缺点：硬度低、耐磨性差、易与硫生成硫化铜而致使导电性能降低。硬度低、耐磨性差、易与硫生成硫化铜而致使导电性能降低。因此，用铜制造的导线不能与硫化过的橡胶直接接触，使用时必须在因此，用铜制造的导线不能与硫化过的橡胶直接接触，使用时必须在铜导线外面预先镀好一层锡。铜导线外面预先镀好一层锡。影响铜导电性能的因素：影响铜导电

4、性能的因素：杂质杂质( (如氧如氧) )、冷加工等将降低铜的电导率。、冷加工等将降低铜的电导率。改善措施：改善措施：在保护气氛下可以重熔出无氧铜，具有塑性高，电导率高在保护气氛下可以重熔出无氧铜，具有塑性高，电导率高的特点。冷加工制成的纯铜经的特点。冷加工制成的纯铜经400400600600 C C退火处理，可使其导电性能有所退火处理，可使其导电性能有所恢复。恢复。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料2 2、铝、铝铝的电导率约为铜的铝的电导率约为铜的61%61%，密度为铜的，密度为铜的30%30%，机械强度为铜的，机械强度为铜的1/21/2，比，比强度比铜高约强度比铜高约30%30

5、%。优点：优点：良好的导电性，良好的导电性，资源丰富，价格便宜。资源丰富，价格便宜。缺点：缺点：强度低，热稳定性较差，不易焊接，与其他电极电位较大的金强度低，热稳定性较差，不易焊接，与其他电极电位较大的金属属( (如铜如铜) )接触时耐腐蚀能力降低。接触时耐腐蚀能力降低。例如，在环境潮湿中，易形成电动势相当高的局部电池而遭受严重的例如，在环境潮湿中，易形成电动势相当高的局部电池而遭受严重的腐蚀破坏。因此，在选用铝材时，应避免高电极电位杂质的存在，而对铝腐蚀破坏。因此，在选用铝材时，应避免高电极电位杂质的存在，而对铝线与铜线的接合处，则要增加保护措施。线与铜线的接合处，则要增加保护措施。影响铝的

6、性能的因素：影响铝的性能的因素：杂质使铝的电导率下降杂质使铝的电导率下降（其中铬、锂、锰、钒、（其中铬、锂、锰、钒、钛等影响较大，须严格控制）钛等影响较大，须严格控制）。冷加工对铝的电导率影响不大。冷加工对铝的电导率影响不大（例如经（例如经90%90%以上冷变形，铝的抗拉强度可提高以上冷变形，铝的抗拉强度可提高5 56 6倍，电导率降低约倍，电导率降低约1.5%1.5%）。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料3 3、其他纯金属、其他纯金属（1 1）银）银特点：特点：具有最高的电导率，极好的加工性，但价格较高。具有最高的电导率，极好的加工性，但价格较高。在贵金属中，银又是价格最低的。

7、在贵金属中，银又是价格最低的。应用：应用：接点材料、云母与陶瓷电容器的被覆与烧渗银电极、银基焊料、接点材料、云母与陶瓷电容器的被覆与烧渗银电极、银基焊料、导线电镀材料、制造高分子导电复合材料的导电相材料等。导线电镀材料、制造高分子导电复合材料的导电相材料等。（2 2）金）金特点：特点：电导率与铝相近，化学性质稳定，但价格昂贵。电导率与铝相近，化学性质稳定，但价格昂贵。应用：应用：接点与电镀材料，引线和连接材料等。接点与电镀材料，引线和连接材料等。（3 3）镍）镍特点：特点：熔点较高，便于焊接。熔点较高，便于焊接。应用：应用：电真空器件电真空器件( (如支架、栅板、极板、隔离罩等如支架、栅板、极

8、板、隔离罩等) ) 。（4 4）铂）铂特点：特点：良好的化学稳定性、良好的加工性。良好的化学稳定性、良好的加工性。应用：应用：触点材料、高温热电偶材料、厚膜导体及电极材料等。触点材料、高温热电偶材料、厚膜导体及电极材料等。 第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料室温下一些纯金属的电导率室温下一些纯金属的电导率材料类别材料类别 / Sm1材料类别材料类别 / Sm1银（银（AgAg）6.3107铁（铁（FeFe）1.03107铜（铜（CuCu）5.85107铂（铂（PtPt）0.94107金（金（AuAu）4.25107钯（钯（PdPd）0.92107铝（铝（AlAl）3.45107锡

9、（锡（SnSn）0.91107镁（镁（MgMg）2.2107钽（钽（TaTa）0.8107锌（锌（ZnZn）1.7107铬（铬（CrCr）0.78107钴（钴（CoCo）1.6107铅（铅（PbPb）0.48107镍（镍（NiNi）1.46107锆（锆（ZrZr）0.25107第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料l 合金材料合金材料电导率电导率 在在10105 510107 7 S Sm m-1-1之间。之间。1 1、铜合金、铜合金（1 1）银铜合金）银铜合金特点：特点：银的加入提高耐热性和强度，但导电性能略有下降。银的加入提高耐热性和强度，但导电性能略有下降。应用：应用：含银含银

10、0.030.030.1%0.1%的银铜合金用作引线、电极、电接触片等。的银铜合金用作引线、电极、电接触片等。（2 2）锆铜合金（）锆铜合金（Cu-0.2ZrCu-0.2Zr）特点：特点：强度和耐热性优于银铜合金，但成本较高。强度和耐热性优于银铜合金，但成本较高。应用：应用：代替银铜，用作高温引线和导线。代替银铜，用作高温引线和导线。（3 3）铍铜合金）铍铜合金特点：特点：无磁性，高的耐蚀性、耐磨损性、耐疲劳性。铍的加入可提高无磁性，高的耐蚀性、耐磨损性、耐疲劳性。铍的加入可提高强度，但电导率下降。强度，但电导率下降。应用：应用：用作导电弹簧、电刷、插头等。用作导电弹簧、电刷、插头等。（4 4）

11、铜镍合金）铜镍合金特点：特点：良好的耐蚀性、较高的杨氏模量。良好的耐蚀性、较高的杨氏模量。应用：应用：继电器用弹簧。继电器用弹簧。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料2 2、铝合金、铝合金 （1 1）铝硅合金）铝硅合金特点及应用：特点及应用：铸造铝硅合金铸造铝硅合金(11(1113%Si)13%Si)流动性好流动性好, ,线膨胀系数比铝小，具有良好的线膨胀系数比铝小，具有良好的耐蚀性和焊接性。耐蚀性和焊接性。变形铝硅合金加工性能良好，用作连接线。变形铝硅合金加工性能良好，用作连接线。（2 2）铝镁合金）铝镁合金(Mg%(Mg%1%)1%)特点：特点：加工简便、焊接性和耐蚀性较好。加

12、工简便、焊接性和耐蚀性较好。应用：应用：软态合金可作电线电缆的芯线，硬态合金多作架空导线。软态合金可作电线电缆的芯线，硬态合金多作架空导线。3 3、其他合金材料、其他合金材料（1 1）银合金和金合金）银合金和金合金特点及应用：特点及应用：良好的导电性、化学稳定性，常用作接点材料。良好的导电性、化学稳定性，常用作接点材料。（2 2）镍合金）镍合金特点及应用：特点及应用：良好的成型加工性、封装性、电镀性等，用作封装材料。良好的成型加工性、封装性、电镀性等，用作封装材料。 第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料室温下一些合金的电导率室温下一些合金的电导率材料类别材料类别 / Sm1Al-1

13、.2%MnAl-1.2%Mn合金合金2.95107黄铜（黄铜（70%Cu-30%Zn70%Cu-30%Zn）1.6107灰铸铁灰铸铁0.15107不锈钢，不锈钢，3013010.14107镍铬合金（镍铬合金（80%Ni-20%Cr80%Ni-20%Cr） 0.093107第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料二、电阻材料的种类及应用二、电阻材料的种类及应用 一类电阻率较高的导电材料，包括精密电阻材料和电阻敏感材料。一类电阻率较高的导电材料，包括精密电阻材料和电阻敏感材料。l 锰铜电阻合金锰铜电阻合金锰铜合金属铜、锰、镍系精密电阻合金，密度锰铜合金属铜、锰、镍系精密电阻合金，密度8.4

14、8.48.78.7。特点：特点：电阻温度系数小、稳定性好，对铜热电势小，机械加工和焊接电阻温度系数小、稳定性好，对铜热电势小，机械加工和焊接性能良好。但使用温度范围窄。性能良好。但使用温度范围窄。应用：应用：制作室温范围的各种中、低阻值电阻器，如标准电阻器、分流制作室温范围的各种中、低阻值电阻器，如标准电阻器、分流器、精密或普通的电阻元件。器、精密或普通的电阻元件。l 康铜电阻合金康铜电阻合金康铜合金含镍约康铜合金含镍约40%40%，密度，密度8.888.88。若用铝代替锰铜中的镍，又可得到密。若用铝代替锰铜中的镍，又可得到密度为度为8.008.00的新康铜合金（又称无镍锰白铜）。的新康铜合金

15、（又称无镍锰白铜）。特点：特点：电阻温度系数低，抗氧化能力、机械性能、耐热性能优良，使电阻温度系数低，抗氧化能力、机械性能、耐热性能优良，使用温度范围宽。缺点是对铜的热电势高，不适于作直流元件。用温度范围宽。缺点是对铜的热电势高，不适于作直流元件。应用：应用：交流精密电阻器和电位器绕组等。交流精密电阻器和电位器绕组等。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料l 镍铬系电阻合金镍铬系电阻合金 1 1、镍铬电阻合金线、镍铬电阻合金线特点：特点：电阻率较高，耐热性、耐磨性、耐腐蚀性良好，使用温度范围电阻率较高，耐热性、耐磨性、耐腐蚀性良好，使用温度范围宽。但电阻温度系数大，阻值稳定性差。宽。

16、但电阻温度系数大，阻值稳定性差。应用：应用：制造普通的线绕电阻器和电位器。制造普通的线绕电阻器和电位器。2 2、镍铬合金薄膜、镍铬合金薄膜特点：特点：性能稳定，阻值精度高，电阻率高，阻值范围宽，电阻温度系性能稳定，阻值精度高，电阻率高，阻值范围宽，电阻温度系数小。数小。应用：应用：制造金属膜电阻器、薄膜集成电路中的薄膜电阻器。制造金属膜电阻器、薄膜集成电路中的薄膜电阻器。3 3、镍铬基精密电阻合金、镍铬基精密电阻合金特点：特点：电阻率高，电阻温度系数小，耐热、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、电阻率高，电阻温度系数小，耐热、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、机械强度高、加工性能好，使用温度范围宽。但焊接性能比锰铜线差

17、。机械强度高、加工性能好，使用温度范围宽。但焊接性能比锰铜线差。应用：应用：制造线绕电阻器、电位器，以及大功率、高阻值、小型化的精制造线绕电阻器、电位器，以及大功率、高阻值、小型化的精密电阻元件。密电阻元件。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料l 贵金属电阻合金贵金属电阻合金 应用：应用：精密线绕电位器绕组的重要材料。精密线绕电位器绕组的重要材料。 1 1、铂基电阻合金、铂基电阻合金 特点：特点：电阻值适中，耐腐蚀、抗氧化性能极优，接触电阻小且稳定，电阻值适中，耐腐蚀、抗氧化性能极优，接触电阻小且稳定，硬度高，寿命长，加工性、焊接性良好。硬度高，寿命长，加工性、焊接性良好。2 2、

18、钯基电阻合金、钯基电阻合金 特点：特点：电阻率高，电阻温度系数较低，接触电阻低而稳定，焊接性能电阻率高，电阻温度系数较低，接触电阻低而稳定，焊接性能好，价格较铂基电阻合金线低。但耐腐蚀性、抗氧化性较铂基合金差。好，价格较铂基电阻合金线低。但耐腐蚀性、抗氧化性较铂基合金差。3 3、金基合金、金基合金 特点：特点：抗氧化性、耐腐蚀性仅次于铂，价格比铂低。抗氧化性、耐腐蚀性仅次于铂，价格比铂低。金基二元合金电阻率低，电阻温度系数较高，硬度较低，不耐磨。金基二元合金电阻率低，电阻温度系数较高，硬度较低，不耐磨。金基多元合金金基多元合金( (如金银铜线、金镍铬线、金镍铜线及金钯铁铝线等如金银铜线、金镍铬

19、线、金镍铜线及金钯铁铝线等) )具具有高的电阻率，低的电阻温度系数，硬度、强度和耐磨性均有提高。有高的电阻率，低的电阻温度系数，硬度、强度和耐磨性均有提高。4 4、银基合金、银基合金特点：特点：性能介于金基线和锰铜线之间。抗腐蚀性较锰铜线好，但不抗性能介于金基线和锰铜线之间。抗腐蚀性较锰铜线好，但不抗硫化和盐雾的腐蚀，因此使用价值不如金基电阻合金线。硫化和盐雾的腐蚀，因此使用价值不如金基电阻合金线。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料三、其他导电材料及应用三、其他导电材料及应用 l 电接触材料电接触材料电接触材料是用于有滑动接点或分合接点的电子元件中的电接触连接电接触材料是用于有滑

20、动接点或分合接点的电子元件中的电接触连接的导电材料，又称为接点材料、接头材料。如可变电阻器、电位器、开关的导电材料，又称为接点材料、接头材料。如可变电阻器、电位器、开关插头座、继电器等。插头座、继电器等。电接触材料的一般要求：电接触材料的一般要求：接触电阻低而稳定，无损耗、接触无变形、接触电阻低而稳定，无损耗、接触无变形、不熔接、开关准确等。不熔接、开关准确等。常用材料常用材料：（1 1）AgAg、PdPd、AuAu、PtPt等贵金属或以它们为基的合金，适等贵金属或以它们为基的合金，适用于较小电流的场合。（用于较小电流的场合。（2 2）W W、MoMo、CuCu、WCWC等为主要成分的合金材料

21、，适等为主要成分的合金材料，适用于较大电流的场合。用于较大电流的场合。l 电碳材料电碳材料电碳材料是非金属高电阻导电材料，包括石墨等结晶形碳和炭黑、焦电碳材料是非金属高电阻导电材料，包括石墨等结晶形碳和炭黑、焦炭等无定形碳。用于制造电机电刷、电位器电刷、碳棒、各种电极等炭等无定形碳。用于制造电机电刷、电位器电刷、碳棒、各种电极等 。l 复合导电高聚物复合导电高聚物复合导电高聚物由基体高聚物和导电填料以及增塑剂、溶剂、颜料等复合导电高聚物由基体高聚物和导电填料以及增塑剂、溶剂、颜料等组成。组成。第二章 电性材料2.1 2.1 导电材料导电材料半导体材料的重要性：半导体材料的重要性：半导体材料是微

22、电子技术和光电信息技术的物质基础。半导体材料是微电子技术和光电信息技术的物质基础。半导体材料的发展与器件紧密相关，两者相互影响，相互促进。半导体材料的发展与器件紧密相关，两者相互影响，相互促进。半导体材料的发展：半导体材料的发展：19411941年，半导体材料开始得到应用。年，半导体材料开始得到应用。19481948年，世界上诞生了第一个具有放大性能的晶体三极管。年，世界上诞生了第一个具有放大性能的晶体三极管。19521952年，世界上第一根硅单晶采用直拉法成功拉出。年，世界上第一根硅单晶采用直拉法成功拉出。2020世纪世纪6060年代初，硅材料单晶制备方法进一步得到改进和提高。年代初，硅材料

23、单晶制备方法进一步得到改进和提高。7070年代以来，半导体材料成功应用于集成电路。年代以来，半导体材料成功应用于集成电路。半导体材料的发展方向：半导体材料的发展方向：高纯度、高完整性、高均匀性和大尺寸。高纯度、高完整性、高均匀性和大尺寸。第二节半导体材料第二节半导体材料第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC现在的笔记本电脑现在的笔记本电脑第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料世界上第一只晶体管世界上第一只晶体管世界上第一个集成电路世界上第一个集成电路单晶硅集成电路单晶硅集成电路第二章 电性材料2.2 2.2 半导

24、体材料半导体材料一、典型半导体材料一、典型半导体材料l 元素半导体元素半导体 半导体元素基本上处于半导体元素基本上处于AA族族AA族的金属与非金属的交界处，约有族的金属与非金属的交界处，约有十几种，如十几种，如族元素族元素B B（硼），（硼），IVIV族元素族元素GeGe（锗）、（锗）、SiSi（硅），（硅），V V族元素族元素S S（硫）、（硫）、SeSe（硒）、（硒）、TeTe（碲）等。（碲）等。 SiSi和和GeGe是第一代半导体材料的典型代表，应用最为广泛。是第一代半导体材料的典型代表，应用最为广泛。AtPoBiPbTlITeSbSnInBrSeAsGeGaClSPSiAlFONCBA

25、AAAA第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料1 1、硅和锗、硅和锗 （1 1）硅和锗的性质）硅和锗的性质v 晶体结构晶体结构 金刚石立方金刚石立方v 化学键化学键 共价键。共价键。每一个原子贡献四个价电子。每一个原子贡献四个价电子。v 具有灰色金属光泽，硬而脆具有灰色金属光泽，硬而脆v 室温电子迁移率室温电子迁移率 e e(Ge)(Ge)3800cm3800cm2 2/ V/ Vs s； e e(Si)(Si)1800cm1800cm2 2/ V/ Vs sv 室温本征电阻率室温本征电阻率 (Ge)(Ge)2.32.310105 5 cmcm； (Si)(Si)4646 cmc

26、mv 室温禁带宽度室温禁带宽度 E Eg g(Ge)(Ge)0.67eV0.67eV；E Eg g(Si)(Si)1.106eV1.106eV硅、锗的金刚石立方结构硅、锗的金刚石立方结构第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料 （2 2）硅和锗单晶的制备）硅和锗单晶的制备 首先获得超高纯度的硅或锗的多晶材料，然后制备硅或锗单晶。首先获得超高纯度的硅或锗的多晶材料，然后制备硅或锗单晶。石英管石英管高频加热器高频加热器惰性气体惰性气体(N2)拉伸装置拉伸装置石墨制螺杆容器石墨制螺杆容器气体出口气体出口半导体材料半导体材料区熔提纯法示意图区熔提纯法示意图区熔提纯原理：区熔提纯原理：利用溶

27、质在凝固时的重新分布来获得提纯效果。利用溶质在凝固时的重新分布来获得提纯效果。 将原料装入螺杆状容器内，采用感应加热使一部分原料熔化，然后缓将原料装入螺杆状容器内，采用感应加热使一部分原料熔化，然后缓慢移动熔化部分，杂质（溶质）则陆续淀积于螺杆容器的终端，经过多慢移动熔化部分，杂质（溶质）则陆续淀积于螺杆容器的终端，经过多次循环作用，即可获得到超高纯度的半导体多晶材料，有害杂质的含量次循环作用，即可获得到超高纯度的半导体多晶材料，有害杂质的含量小于小于0.010.011010-6-6。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料制备单晶的方法包括直拉法、区熔法、定向结晶法等。制备单晶的

28、方法包括直拉法、区熔法、定向结晶法等。直拉法是制备大单晶的最主要方法。直拉法是制备大单晶的最主要方法。直拉单晶设备及剖面图直拉单晶设备及剖面图第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料石英坩埚石英坩埚石墨托石墨托石墨加热器石墨加热器保温筒保温筒电极电极硅单晶硅单晶籽晶籽晶现代直拉炉示意图现代直拉炉示意图直拉单晶原理：直拉单晶原理：首先将区域熔炼法得到的高纯首先将区域熔炼法得到的高纯度硅或锗多晶材料装入坩埚中使之度硅或锗多晶材料装入坩埚中使之熔化，然后加热到比材料熔点稍高熔化，然后加热到比材料熔点稍高的温度后保持炉温。将籽晶夹在籽的温度后保持炉温。将籽晶夹在籽晶杆上，随后让籽晶杆下降，

29、使籽晶杆上，随后让籽晶杆下降，使籽晶与液面接触，接着缓慢降低温度，晶与液面接触，接着缓慢降低温度，同时使籽晶杆一边旋转，一边向上同时使籽晶杆一边旋转，一边向上提拉，这样晶体便在籽晶下按籽晶提拉，这样晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大，最终成长为单晶硅锭的方向长大，最终成长为单晶硅锭或单晶锗锭。或单晶锗锭。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料单晶硅锭单晶硅锭单晶硅片单晶硅片切片、抛光切片、抛光单晶硅片的平整度要求：单晶硅片的平整度要求：硅片在硅片在25mm25mm44mm44mm的范围内起伏不超过的范围内起伏不超过100nm100nm。对比：对比：相当于一个相当于一个60m60m10

30、5m105m的足球场地面起伏不超过的足球场地面起伏不超过0.24mm0.24mm！第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料 （3 3）硅和锗的主要用途）硅和锗的主要用途 硅：硅：用于制造集成电路、可控硅、二极管、晶体管等。用于制造集成电路、可控硅、二极管、晶体管等。 用于制造夜视镜和夜视照相机的红外聚焦透镜。用于制造夜视镜和夜视照相机的红外聚焦透镜。 超纯硅对超纯硅对1 17 7 mm红外光透过率高达红外光透过率高达909095%95%。锗：锗：用于制造红外器件、高频器件等。用于制造红外器件、高频器件等。 锗在红外及高频特性方面具有优良的性能。锗在红外及高频特性方面具有优良的性能。

31、 2 2、硒、硒 （1 1）硒的性质）硒的性质 具有金属光泽，禁带宽度具有金属光泽，禁带宽度E Eg g约约1.5eV1.5eV。硒为空穴型导电的。硒为空穴型导电的p p型半导体，其型半导体，其空穴的迁移率很小，约空穴的迁移率很小，约0.1cm0.1cm2 2/(V/(Vs)s)以下，且随温度的升高而增大。以下，且随温度的升高而增大。 （2 2）硒的主要用途）硒的主要用途 用于制造固体整流器、光电池等。用于制造固体整流器、光电池等。 硒整流器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硒整流器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，现已很少采用。锗、硅整流

32、器，现已很少采用。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料l 化合物半导体化合物半导体1 1、化合物半导体的类别、化合物半导体的类别 （1 1）二元化合物半导体）二元化合物半导体v A-AA-A族化合物半导体族化合物半导体GaAsGaAs、GaPGaP、InPInP、InSbInSb、InAsInAs、GaNGaN、AlPAlP、AlAsAlAs、AlSbAlSb、GaSbGaSb等。等。v B-AB-A族化合物半导体族化合物半导体CdSCdS、CdTeCdTe、CdSeCdSe等。等。v A-AA-A族化合物半导体族化合物半导体SiCSiC。 第二章 电性材料2.2 2.2 半导

33、体材料半导体材料v A-A A-A族化合物半导体族化合物半导体GeSGeS、GeSeGeSe、SnTeSnTe、PbSPbS、PbTePbTe等。等。v A-AA-A族化合物半导体族化合物半导体AsSeAsSe3 3、AsTeAsTe3 3、AsSAsS3 3、SbSSbS3 3等。等。 （2 2）多元化合物半导体）多元化合物半导体v IB-A-(A)IB-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。v IB-A-(A)IB-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。v (IB)(IB

34、)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。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料 2 2、-族化合物半导体族化合物半导体 （1 1）砷化镓）砷化镓(GaAs)(GaAs) 砷化镓是第二代半导体材料的典型代表。砷化镓是第二代半导体材料的典型代表。 砷化镓的性质砷化镓的性质v 晶体结构晶体结构 闪锌矿型闪锌矿型v 化学键化学键 共价键。共价键。每个原子和周围最近邻的四个其每个原子和周围最近邻的四个其 它原子发生键合。它原子发生键合。v 室温电子迁移率室温电子迁移率 e e8500cm8

35、500cm2 2/ V/ Vs s。约为硅的约为硅的7倍。倍。v 室温禁带宽度室温禁带宽度 E Eg g1.424eV1.424eV。比硅的大。比硅的大。 Ga As砷化镓的闪锌矿型砷化镓的闪锌矿型晶体结构晶体结构第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料籽晶籽晶石英坩埚石英坩埚B2O3熔体熔体惰性气体惰性气体高频线圈高频线圈熔体熔体单晶单晶液封法（液封法（LEC）的原理图）的原理图砷化镓单晶材料的制备砷化镓单晶材料的制备 制备砷化镓单晶的方法包括水平区熔制备砷化镓单晶的方法包括水平区熔法、定向结晶法、温度梯度法、磁拉法、法、定向结晶法、温度梯度法、磁拉法、浮区熔炼法、液体封闭直拉法

36、等。浮区熔炼法、液体封闭直拉法等。 液体封闭直拉法是制备砷化镓单晶的液体封闭直拉法是制备砷化镓单晶的主要方法。主要方法。液封直拉单晶原理：液封直拉单晶原理： 类似制备硅单晶的直拉法。类似制备硅单晶的直拉法。 将熔体用某种流体（如将熔体用某种流体（如B B2 2O O3 3）覆盖，并）覆盖，并置于惰性气体中。封闭系统保持高的压力置于惰性气体中。封闭系统保持高的压力（大于砷化镓的离解压），拉单晶的过程（大于砷化镓的离解压），拉单晶的过程同直拉法。同直拉法。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料砷化镓的主要用途砷化镓的主要用途主要用于制造光电子器件、光电存储器等。主要用于制造光电子器件

37、、光电存储器等。 化合物半导体的应用化合物半导体的应用领域领域应用应用器件器件材料材料微电子微电子计算机计算机超高速集成电路（超高速集成电路（IC）GaAs, InP移动电话移动电话场效应器件（场效应器件（FET）GaAs卫星直播卫星直播高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管GaAs光电子光电子光通信光通信激光器件激光器件GaAs, InP, GaSb, InAs遥控耦合器遥控耦合器红外发光二极管红外发光二极管GaAs显示装置显示装置可见光二极管可见光二极管GaP, GaAs, GaN, GaAsP, GaAlAs, InGa, AlP热成像仪热成像仪CdTe, CdZnTe, HgCdTe红外

38、探测器红外探测器InSb, CdTe, HgCdTe, PbS, PbZnTe传感器传感器磁敏、光敏器件磁敏、光敏器件GaAs, InAsP, CdS太阳能电池太阳能电池GaAs, InP, GaSb第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料 （2 2）其他）其他-V-V族化合物半导体及应用族化合物半导体及应用 磷化镓磷化镓(GaP)(GaP) 特点：特点：高的光电转换效率，低电耗下具有高的亮度。高的光电转换效率，低电耗下具有高的亮度。 磷化镓是高效率多色性发光材料，在掺入适当的杂质后，能发出磷化镓是高效率多色性发光材料，在掺入适当的杂质后，能发出红、绿、黄等颜色的光。红、绿、黄等颜

39、色的光。 应用：应用：制造可见光发光二极管和数码管。制造可见光发光二极管和数码管。 磷化铟磷化铟(InP)(InP) 特点：特点：物理性质与砷化镓相似，但电子迁移率更大，负阻效应更明显。物理性质与砷化镓相似，但电子迁移率更大，负阻效应更明显。 应用：应用：制造电子转换器件、场效应晶体管、激光器等器件。制造电子转换器件、场效应晶体管、激光器等器件。 锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)和砷化铟和砷化铟(InAs)(InAs) 特点：特点：熔点较低，禁带宽度较小，磁阻效应显著，易于制备。熔点较低，禁带宽度较小，磁阻效应显著，易于制备。 应用：应用：锑化铟：锑化铟：制造光电导型、光生伏特型、光磁电型

40、探测器。制造光电导型、光生伏特型、光磁电型探测器。 砷化铟：砷化铟：制造光生伏特型探测器。制造光生伏特型探测器。 利用利用InSb、InAs的磁阻效应，制造霍尔器件和光磁电器件。的磁阻效应，制造霍尔器件和光磁电器件。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料3 3、-族化合物半导体及应用族化合物半导体及应用（1 1）硫化锌）硫化锌(ZnS)(ZnS)和硒化锌和硒化锌(ZnSe)(ZnSe) 特点及应用：特点及应用： 硫化锌：硫化锌：具有闪锌矿型和纤维锌矿型晶体结构。粉末状硫化锌是重要具有闪锌矿型和纤维锌矿型晶体结构。粉末状硫化锌是重要的光致发光、阴极射线致发光和电致发光材料。硫化锌单

41、晶或烧结片是良的光致发光、阴极射线致发光和电致发光材料。硫化锌单晶或烧结片是良好的红外窗口材料，单晶还可制造激光调制器。好的红外窗口材料，单晶还可制造激光调制器。 硒化锌：硒化锌：用于制造黄光和绿光结型发光器件。用于制造黄光和绿光结型发光器件。（2 2）硫化镉）硫化镉(CdS)(CdS)、硒化镉、硒化镉(CdSe)(CdSe)和碲化镉和碲化镉(CdTe)(CdTe) 特点及应用：特点及应用： 硫化镉：硫化镉：属六方晶系，各向异性显著。粉末材料可制成电致发光器件、属六方晶系，各向异性显著。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；单晶材料可用于红外窗口、激光调制光敏电阻、光电池

42、及太阳能电池等；单晶材料可用于红外窗口、激光调制器、器、 射线探测器、光敏电阻等。射线探测器、光敏电阻等。 硒化镉：硒化镉：制造光敏电阻。制造光敏电阻。 碲化镉：碲化镉：制作核辐射探测器。制作核辐射探测器。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料4 4、其他化合物半导体及应用、其他化合物半导体及应用（1 1）碳化硅）碳化硅(SiC)(SiC)和氮化镓和氮化镓(GaN)(GaN) SiCSiC和和GaNGaN具有宽的禁带，是第三代半导体材料的典型代表。具有宽的禁带，是第三代半导体材料的典型代表。 特点：特点：碳化硅单晶禁带宽度较宽，化碳化硅单晶禁带宽度较宽，化学性能稳定，临界击穿电压

43、、热导率和饱学性能稳定，临界击穿电压、热导率和饱和电子漂移速度高。和电子漂移速度高。 应用：应用：SiCSiC制造高频、大功率、耐高温、制造高频、大功率、耐高温、抗辐射的半导体器件，如发热器或红外光抗辐射的半导体器件，如发热器或红外光源，发光二极管。源，发光二极管。GaNGaN制备高亮度蓝光二制备高亮度蓝光二极管。极管。（2 2）硫化铅等铅的硫族化合物半导体）硫化铅等铅的硫族化合物半导体 特点：特点：禁带宽度小，红外光电导效应禁带宽度小，红外光电导效应显著。显著。 应用：应用：光敏电阻（近红外探测器）、光敏电阻（近红外探测器）、激光器材料。激光器材料。GaN蓝光二极管蓝光二极管第二章 电性材料

44、2.2 2.2 半导体材料半导体材料我国化合物半导体材料的研究和制备现状：我国化合物半导体材料的研究和制备现状： 我国在化合物半导体材料的研究和制备上与发达国家的差距较明显，我国在化合物半导体材料的研究和制备上与发达国家的差距较明显，主要体现在单晶片的研制水平和商品化方面。主要体现在单晶片的研制水平和商品化方面。 以以GaAsGaAs为例：为例：GaAsGaAs单晶单晶研制水平研制水平大批量生产水平大批量生产水平商品化水平商品化水平发达国家发达国家 150200mm 150 mm 100mm中国中国 100 mm 50 mm 而在而在SiCSiC和和GaNGaN研究方面，我国目前基本上还处于研

45、究阶段，没有开研究方面，我国目前基本上还处于研究阶段，没有开始大规模生产。始大规模生产。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料5 5、固溶体半导体及应用、固溶体半导体及应用 固溶体半导体是由两种或两种以上的元素或化合物半导体相互溶合而固溶体半导体是由两种或两种以上的元素或化合物半导体相互溶合而成的材料。成的材料。重要特性：重要特性：禁带宽度可调禁带宽度可调。（1 1）镓砷磷）镓砷磷 特点：特点：由由GaAsGaAs和和GaPGaP组成的固溶体（组成的固溶体（GaAsGaAs1-1-xP Px），是一种可见光发光材），是一种可见光发光材料。随着料。随着x值由值由1 1变到变到0 0

46、，发光波长由，发光波长由565nm(GaP)565nm(GaP)变到变到900nm(GaAs)900nm(GaAs)。 应用：应用：制作红、黄光二极管。制作红、黄光二极管。（2 2）镓铝砷）镓铝砷 特点：特点：由由GaAsGaAs和和AlAsAlAs组成的固溶体（组成的固溶体（GaGa1-1-xAlAlxAsAs），是可见光发光和激），是可见光发光和激光材料。光材料。 应用：应用：发光二极管、双异质结激光器。发光二极管、双异质结激光器。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料（3 3）碲镉汞）碲镉汞 特点：特点：由由CdTeCdTe和和HgTeHgTe组成的连续固溶体（组成的连续固

47、溶体（HgHg1-1-xCdCdxTeTe）。具有优越的光）。具有优越的光电特性，其本征载流子浓度低，电子有效质量小，电子迁移率高，电子与电特性，其本征载流子浓度低，电子有效质量小，电子迁移率高，电子与空穴迁移率比大。空穴迁移率比大。 应用：应用：制造高速响应器件，如高频调制器件、红外探测器件、光通讯制造高速响应器件，如高频调制器件、红外探测器件、光通讯器件等。器件等。 美国美国F F1616战斗机上装有碲镉汞红外探测阵列。战斗机上装有碲镉汞红外探测阵列。（4 4）碲锡铅）碲锡铅 特点：特点：由由PbTePbTe和和SnTeSnTe组成的连续固溶体（组成的连续固溶体（PbPb1-1-xSnSn

48、xTeTe），），x取某一特定取某一特定值时，可使其禁带宽度值时，可使其禁带宽度E Eg g为零。为零。 应用：应用：制造红外探测器件。制造红外探测器件。（5 5）碲锑铋和碲硒铋）碲锑铋和碲硒铋 特点：特点：碲锑铋是碲锑铋是SbSb2 2TeTe3 3和和BiBi2 2TeTe3 3组成的固溶体（组成的固溶体（(Bi(Bi1-1-xSbSbx) )2 2TeTe3 3），碲硒），碲硒铋是铋是BiBi2 2SeSe3 3和和BiBi2 2TeTe3 3的固溶体（的固溶体（BiBi2 2(Se(Se1-1-xTeTex) )3 3）。）。 应用：应用：制造半导体致冷器件和温差发电器件。制造半导体致

49、冷器件和温差发电器件。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料l 典型的半导体器件典型的半导体器件 1 1、半导体温度计、半导体温度计 原理：原理：本征半导体的电导率与温度的依赖关系：本征半导体的电导率与温度的依赖关系： 选择适当的半导体材料，用灵敏度足够高的仪器测出其电导率的变化，选择适当的半导体材料，用灵敏度足够高的仪器测出其电导率的变化，从而测定出对应的温度。从而测定出对应的温度。 特点：特点：灵敏度高。能够检测出约灵敏度高。能够检测出约1010-4-4K K的温度变化。的温度变化。 应用：应用：火警报警器。火警报警器。2 2、光敏器件、光敏器件 原理：原理：具有足够能量的光

50、子（具有足够能量的光子（E E E Eg g）能够激发产生额外的载流子，）能够激发产生额外的载流子，同时使半导体的电导率增大。通过检测电导率，确定光线的强度。同时使半导体的电导率增大。通过检测电导率，确定光线的强度。 特点：特点：灵敏度高，应用范围广。灵敏度高，应用范围广。从紫外到可见光、并可延伸至红外光。从紫外到可见光、并可延伸至红外光。 应用：应用：路灯自动通断用光感应器、红外探测器件。路灯自动通断用光感应器、红外探测器件。TkE12lnlng0第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料3 3、二极管、二极管最简单的二极管：最简单的二极管：在一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施

51、，在一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施，在两边掺入不同的杂质，分别形成在两边掺入不同的杂质，分别形成p p型和型和n n型半导体，它们的交界面上就构型半导体，它们的交界面上就构成了成了p-np-n结，即一个最简单的二极管。结，即一个最简单的二极管。二极管的特性：二极管的特性：单向导电。单向导电。多余的空穴多余的空穴p- n结结多余的电子多余的电子p型型n型型一个一个p-n结二极管结二极管 第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料（a a）一个）一个p-np-n结二极管的构造；结二极管的构造；（b b）在正向偏压作用下非本征载流子的移动方向，称正向注入；）在正向偏压作用下非本征载

52、流子的移动方向，称正向注入；（c c）在反向偏压作用下非本征载流子的移动方向，称反向抽取；）在反向偏压作用下非本征载流子的移动方向，称反向抽取；（d d）二极管的电流与所加偏压之间的函数关系。）二极管的电流与所加偏压之间的函数关系。复合区复合区p型型n型型- -+ +（b）- -（c）+ +耗尽区耗尽区n型型p型型(+)( )OV（d）反向偏压反向偏压正向偏压正向偏压I多余的空穴多余的空穴p-n结结多余的电子多余的电子p型型n型型（a）自建电场自建电场二极管的工作原理：二极管的工作原理：第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料4 4、晶体管、晶体管最简单的晶体管：最简单的晶体管：在

53、一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施，在一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施，在三个区域分别掺杂，形成串联的在三个区域分别掺杂，形成串联的p-np-n结，即一个最简单的晶体管。结，即一个最简单的晶体管。晶体管的特性：晶体管的特性：信号放大。信号放大。多余的空穴多余的空穴多余的电子多余的电子nnp一个一个npn双极结晶体管双极结晶体管 第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料npn发射区发射区集电区集电区基区基区外部负载外部负载IexVbcVeb 基区基区- -集电区结上承受较大的反向偏压（集电区结上承受较大的反向偏压（V Vbebe），回路中的电流很小。），回路中的电流很小。

54、发射区发射区- -基区结上受到较小的正向偏压的作用（基区结上受到较小的正向偏压的作用（V Vebeb），在发射区），在发射区- -基区基区结界面附近区域中，发生空穴和电子的复合。这种复合并不能都准确地发结界面附近区域中，发生空穴和电子的复合。这种复合并不能都准确地发生于结界面上。生于结界面上。 来自发射区的一些电子，在复合前已穿过发射区来自发射区的一些电子，在复合前已穿过发射区- -基区结进入基区。基区结进入基区。 若基区足够薄，则来自发射区的未复合电子将跨过基区若基区足够薄，则来自发射区的未复合电子将跨过基区- -集电区结。集电区结。 电子一旦跨过基区电子一旦跨过基区- -集电区结，将快速被

55、吸引到集电区右侧高电位处，集电区结，将快速被吸引到集电区右侧高电位处，如果未复合电子足够多，就会有一个较大的电流流过外部负载。如果未复合电子足够多，就会有一个较大的电流流过外部负载。晶体管的工作原理：晶体管的工作原理：第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料二、半导体微结构材料二、半导体微结构材料 江畸江畸(Esaki) (Esaki) 的的“半导体超晶格半导体超晶格” 概念：概念：使两种或两种以上性质不同的半导体单晶薄膜使两种或两种以上性质不同的半导体单晶薄膜( (厚度是晶格常数的几厚度是晶格常数的几倍到十几倍倍到十几倍) )交替周期性生长，从而给天然材料加上一个人造周期势场，交

56、替周期性生长，从而给天然材料加上一个人造周期势场，人为改变电子的行为，最终改变半导体材料的性质。人为改变电子的行为，最终改变半导体材料的性质。 半导体器件设计新思路：半导体器件设计新思路：“掺杂工程掺杂工程”“能带工程能带工程”。l 同质结和异质结同质结和异质结1 1、同质结、同质结 在同一种半导体单晶中通过掺杂形成的两种不同导电类型的交界面，在同一种半导体单晶中通过掺杂形成的两种不同导电类型的交界面，即结，称为同质结。即结，称为同质结。2 2、异质结、异质结 在一种半导体单晶上生长另一种半导体在一种半导体单晶上生长另一种半导体( (或金属或金属) )单晶，即异质外延生单晶，即异质外延生长，则

57、两种材料间形成的交界面，也是一种结，称为异质结。长，则两种材料间形成的交界面，也是一种结，称为异质结。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料l 超晶格材料超晶格材料1 1、超晶格结构、超晶格结构 将半导体材料外延生长层沿生长方向周期性排列起来而形成的一种重将半导体材料外延生长层沿生长方向周期性排列起来而形成的一种重复结构，称为超晶格结构。复结构，称为超晶格结构。 例如，在例如，在AlAlx xGaGa1- 1-x xAs / GaAsAs / GaAs异质结的异质结的GaAsGaAs外侧再生长外侧再生长AlAlx xGaGa1- 1-x xAsAs，然后，然后在在AlAlx xG

58、aGa1- 1-x xAsAs外侧再生长外侧再生长GaAsGaAs，即可以形成，即可以形成AlAlx xGaGa1- 1-x xAs / GaAsAs / GaAs超晶格。超晶格。2 2、超晶格种类、超晶格种类 （1 1）组分超晶格）组分超晶格 由不同半导体材料的薄膜堆垛而成的超晶格，称为组分超晶格。由不同半导体材料的薄膜堆垛而成的超晶格，称为组分超晶格。 组分超晶格的特点：组分超晶格的特点： 由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度E Eg g，因此在异质界面处的，因此在异质界面处的能带是不连续的。能带是不连续的。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料

59、半导体材料 （2 2）掺杂超晶格）掺杂超晶格 在同一种半导体中用交替地改变掺杂类型的方法做成的人造周期性半在同一种半导体中用交替地改变掺杂类型的方法做成的人造周期性半导体结构，称为掺杂超晶格。导体结构，称为掺杂超晶格。 掺杂超晶格的特点：掺杂超晶格的特点：v 选材广泛。选材广泛。 任何一种半导体材料，只要控制好掺杂类型，都可以做成超晶格。任何一种半导体材料，只要控制好掺杂类型，都可以做成超晶格。v 结构完整性好结构完整性好。 由于掺杂量一般较小（由于掺杂量一般较小（10107 710101919/cm/cm3 3），杂质引起的晶格畸变较小，），杂质引起的晶格畸变较小，没有明显的异质界面。没有明

60、显的异质界面。v 禁带宽度可调。禁带宽度可调。只要选择好各分层的厚度和掺杂浓度，即可获得所需的禁带宽度。只要选择好各分层的厚度和掺杂浓度，即可获得所需的禁带宽度。第二章 电性材料2.2 2.2 半导体材料半导体材料（3 3）多维超晶格）多维超晶格 一维超晶格能够将电子和空穴限制在二维平面内，从而产生量子力学一维超晶格能够将电子和空穴限制在二维平面内，从而产生量子力学效应，因此，把载流子再限制在二维或三维等低维空间中，就可能会出效应，因此，把载流子再限制在二维或三维等低维空间中，就可能会出现更多的新的光电特征。现更多的新的光电特征。一维、二维、三维超晶格及状态密度一维、二维、三维超晶格及状态密度