第八章电性材料

第八章电性材料佟运祥办公室：11号楼1012

电话：82518173Email:Tongyx@1第八章电性材料导体：电阻率10-5

～10-4Ω·cm；半导体：电阻率10-4

～1010Ω·cm；（10-3

～107Ω·cm）绝缘体：电阻率1010

～1014Ω·cm2第八章电性材料一、半导体材料1、半导体的发展与用途（1）半导体材料的发展锗单晶最早用于制造二极管和三极管，但是锗器件热稳定性不如硅。1941多晶硅制成检波器;1948拉出单晶硅。1951用四氯化硅还原法制备了多晶硅（第一代半导体开始应用）。1954年和1958年相继研制成第一只硅单晶管和第一块集成电路，硅和电子器件相互促进，被称为“新石器时代”，硅产量和用量标志一个国家的电子工业水平。二十世纪九十年代，第二代半导体砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）崭露头角。3第八章电性材料第三代半导体是以GaN材料P型掺杂的突破为起点，1992年GaN产业应用----美ShujiNakamura教授制造第一支GaN发光二极管。

1999年日本Nichia公司制造第一支GaN蓝光激光器。在光显示、光储存、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有广阔的应用前景。以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。预测销售2003（$10亿）至2009（$50亿）4第八章电性材料（2）半导体的用途制作晶体管、集成电路、电力电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、家电、网络、电子信息等产业。2002年我国销售收入1.4亿人民币，全球第三。5第八章电性材料2、半导体材料分类①元素半导体金属-非金属Ge、Si、Se、Te等；Ge

（2s22p2）sp3杂化。②化合物半导体ⅢA--ⅤA

AlP、AlS、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等③多元化合物半导体AgGeSe2、AgGeTe2、Cu2CdSnTe4、InXGa1-XN，AlXGa1-XN④固溶体半导体Ge-SiGaAs-GaPHg1-xCdxTe⑤半导体陶瓷⑥非晶态半导体⑦纳米半导体6第八章电性材料（1）硅和锗①理化性质锗、本征电导率50Ω·cm；硅的约为2.3×105Ω·cm常温下稳定，高温与氧、氯反应，自然界没有游离的硅和锗。锗不溶于盐酸、稀硫酸，但是溶于热硫酸、浓硝酸、HF-HNH3混合酸中。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸、但是溶于HF-HNH3混合酸中。所以半导体工业常用HF-HNH3混酸做腐蚀液。硅化物具有良好的导电性和耐高温、抗迁移等特性。硅和锗都具有金刚石结构，禁带宽度：锗0.66eV,硅

1.12eV。7

第八章电性材料②硅和锗晶体的制备

锗----直拉法（熔硅、锗中引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，缓慢旋转提拉）硅----直拉法、悬浮区熔法（区域提纯与晶体生长结合）③硅的主要用途

大规模集成电路、晶体二极管、电阻、电容、红外焦距透镜（夜视）。

8第八章电性材料（2）砷化镓①性质：禁带宽度比硅、锗都大，有负阻效应。②制备：石英密封管中装有砷源，通过控制砷源温度，来控制系统中的砷压；用液体覆盖熔体，并加压至压力大到砷化镓的离解压的气氛中合成拉晶（液体封闭直拉法）③用途：发光二极管显示器GaAs、InP及其合金一起被称为第二代半导体材料GaAs是目前最重要的光电子材料，也是硅材料之后最重要的微电子材料之一。9第八章电性材料（3）蹄镉汞材料（三元）Hg1-xCdxTe随x增大，禁带宽度从HgTe的负值到CdTe的正值，（调节能隙宽度）（4）氮化镓等第三代半导体材料近年来，GaN及相关的二元InN、三元AlGaN、四元AlGaInN合金已成为重要的第三代半导体材料，通过调整合金组分，可以调节带隙能，1.9eV(InN)---6.2eV(AlN),具有直接跃迁型能带结构,是短波半导体激光器的理想材料。

用于增大光信息储存密度、深海通信、材料加工、激光打印、大气污染监控等领域。适用于高密度DVD的应用。GaN基LD（激光二极管）实现了从脉冲到连续波工作的升级，使寿命从秒（级）上升到数千小时。10第八章电性材料（5）半导体陶瓷①PTC热敏半导体陶瓷：（PTCpositivetemperaturecoefficient）BaTiO3为基的(Ba,Sr,Pb)TiO3,BaTiO3；典型铁电材料,常温电阻率大于1012Ω·cm，在纯净的BaTiO3引入微量稀土元素，常温下电阻率可降至10-2～104Ω·cm，若温度超过居里温度，则电阻在几十度的范围内增大3～10个数量级，既产生PTC效应。11第八章电性材料实验表明，PTC效应主要是在降温过程中形成的，高温烧成的样品直接淬火至室温，不呈PTC效应，降温速度越慢，PTC效应越大。BaTiO3单晶半导体不呈现PTC效应，而把BaTiO3单晶半导体粉碎后烧结成陶瓷，呈现很大的PTC效应，因而证明PTC效应来源于多晶半导体晶界。机理：BaTiO3在室温下是铁电体，存在自发极化，对晶界层势垒起屏蔽作用。PTC材料的室温电阻率主要有晶粒的电阻率所决定，为低阻的n型半导体。当温度达到居里温度附近时，自发极化迅速减小，并在材料由铁电体转变为顺电体时完全消失。晶界势垒阻碍晶粒中电子的流通，呈高电阻特性。所以在居里温度附近出现向高电阻突变的PTC效应。PTC材料所具有的独特电阻率随温度的变化关系，主要用于温度自控，过电流或过电压保护、彩电消磁、马达启动等。

12第八章电性材料②NTC半导体陶瓷：（Mn、Fe、Co、Ni的氧化物按一定的比例混合，采用陶瓷工艺制备而成。负温度系数－1%～－6%。NTC半导体陶瓷一般为尖精石结构，通式为AB2O4，A二价正离子、B三价正离子。NTC热敏半导体陶瓷材料通常以MnO为主，同时引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高温下形成半反或全反尖晶石结构的半导体材料。常温（MnO-CoO-O2、MnO-NiO-O2、MnO-FeO-O2、MnO-CuO-O2）高温（Mn-Co-Ni-Al-Cr-O、Zr-Y-O、Al-Mg-FeO、Ni-Ti-O）应用：电路温度补偿、控温、测温传感器13第八章电性材料③CTR半导体陶瓷（criticaltemperatureresister）负温度系数，利用材料从半导体相转变到金属状态时电阻急剧变化而制成，故称为急剧温度热敏电阻。以V2O5为基础，常掺杂MgO、CaO、SrO、BaO、Ba2o、P2O5、SiO2、GeO2、NiO、WO3、MoO3等，这种热敏电阻-电流特性与温度有一定的依赖关系，在急变温度附近，电压峰值有很大的变化，因而具有温度开关特性（火灾报警、温度报警），可靠性高、反应时间快。压敏半导体陶瓷压敏半导体陶瓷是指材料所具有的电阻值，在一定电流范围内具有非线性可变特性的陶瓷，这类元器件也称为为非线性电阻器。它在某一临界电压下电阻非常高，几乎无电流通过，当超过临界电压时，电阻急剧变化，随着电压的少许增加，电流会迅速增大。

14第八章电性材料二、铁电、压电、热释电和介电材料

电介质材料的电性：包括压电性、铁电性和热释电性等。这些性质与材料中的极化密切相关。自发极化：是一种极性矢量，造成晶胞中正负电荷中心沿某特殊方向发生位移。一般电介质只有在电场作用下才出现极化。铁电体中存在自发极化，而且自发极化可在电场作用下转向。15第八章电性材料铁电陶瓷：一种电介质材料，主要由钛酸盐、锆酸盐和锡酸盐等构成。具有铁电性，其在电场中的行为与铁磁性材料在磁场中的行为相似，故---居里温度：一定的铁磁材料存在一特定的临界温度，称为居里温度，在此温度时它们的磁性发生突变，当温度在居里温度点以上时，它们的磁化率（磁导率）和磁场强度H无关，这时铁磁质转化为顺磁质，（例如，铁的居里点是1040K，镍的是631K，钴的是1388K）16第八章电性材料1、铁电材料铁电体的特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线。铁电材料主要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重新取向的材料。通常铁电体具有热释电和压电性。17第八章电性材料铁电材料的应用铁电随机存储器：一般来说,对存储器有五个方面的要求，即容量、速度、非易失性、功耗和价格。铁电存储器有可能成为同时满足这五大要求的存储器，这主要得益于铁电材料的高介电常数及其特殊的自发极化现象。铁电存储器的存储原理是基于铁电薄膜的剩余极化，即当外加电场撤去后，铁电薄膜仍然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；反向电场超过矫顽力时发生极化反转.IC卡的核心是数据存储芯片，由于铁电存储器有高速度写入和编程能力、低功耗、耐久性好等特点，是IC卡最理想的存储器。18第八章电性材料常见的铁电材料：①BT：钛酸钡BaTiO3，钙钛矿结构居里温度120℃。②PT：钛酸铅PbTiO3，钙钛矿结构居里温度492℃。③PZT；锆钛酸铅Pb(ZrXTi1-X)O3，钙钛矿结构，居里温度386℃。④BST：钛酸锶钡(BaxSi1-X)TiO3，钙钛矿结构，常温没有铁电性介电常数高。⑤SBT：钽酸锶铋SrBi2Ta2O9，层状钙钛矿结构，具有优异的抗疲劳特性。⑥BTO：钛酸铋Ba4Ti3O12，层状钙钛矿结构，具有较好的抗疲劳特性⑦其他：PbZrO3锆酸铅及其掺La材料等。

铁电材料有着优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，它集中力、热、电、光等性能与一体。目前，人们已成功地研制出力敏传感器、热释电探测器、铁电存储器、光波导器等。19第八章电性材料2、压电材料压电效应：机械力激起晶体表面荷电的效应称为（正）压电效应。1880年P居里和J居里兄弟发现：对石英晶体在某些特定方向上加压时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。机理:压电材料（晶体）不受外力作用时，正负电荷重心重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷也为零。压电材料受力后（压缩力、伸缩力），引起晶体表面带电且两种力引起的电荷恰相反。

20第八章电性材料晶体不受力时、正负电荷中心重合21第八章电性材料晶体受力引起晶体表面带电22第八章电性材料23第八章电性材料逆压电效应：对晶体施加电压时，晶体发生形变的现象。（具有对称中心晶体不具有压电性）陶瓷是由许多晶粒构成的多晶体（无规排列、各向同性），不显压电效应。但是在电场作用后铁电陶瓷具有压电性，构成铁电陶瓷的晶体结构不具有对称中心，存在极化轴，正负电荷中心不重合。有自发极化PS存在。这一极化强度可以随电场转向，在外电场除去后，还能保持一定的剩余极化PS。压电传感器：主要是利用压电效应制造而成的，主要应用在加速度、压力等测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。

24第八章电性材料压电效应在智能材料中的应用：智能材料可以适时感知与响应外界环境的变化，实现自测、自诊断、自修复、自适应等诸多功能。铁电和压电材料在智能陶瓷材料中居于中心地位。

25第八章电性材料飞行器在使用过程中出现疲劳裂纹往往造成灾难性结果，把压电陶瓷驱动器放在已知应变集中的位置上，驱动器可以抵抗来自附近的应变，从而把疲劳寿命延长一个数量级。实验证明，压电陶瓷诱发应变驱动器能够主动减少来自横向裂纹、邻近的孔和缺口等机械损伤或工程造成的应变集中，延长疲劳寿命。利用正压电效应、逆压电效应和电致伸缩等综合效应，成功地研制了高级轿车智能减震装置，具有识别路面并能自我调节的功能。利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动光源、炮弹引爆装置。26第八章电性材料压电超声马达压电超声马达是利用压电陶瓷材料极大超声实现驱动的一种新型电机。与传统电磁马达和静电马达相比，它具有低速下大力矩输出，无电磁干扰、静音操作、保持力矩大、响应速度快结构、简单等优点。

其基本原理是：当定子加电之后，由于逆压电效应，定子表面就会产生超声振动，由于定子和转子之间的摩擦力作用，转子也会跟着运动起来，定子弯曲运动时，定、转子之间有切点接触，定、转子间的摩擦力驱使转子转动。

超声马达已经成功地应用于电子显微镜和隧道电子扫描系统、机器人微电极领域、人造心脏驱动器、磁悬浮列车等领域。27第八章电性材料3、热释电材料同压电效应类似，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。

28热释电效应的应用热释电效应的发现已有两三个世纪，但直到1938年才首先用作红外探测器。60年代以来，由于激光、红外技术的迅速发展，热释电晶体材料已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。热释电晶体除作为探测器外，还可以用于非接触测温、火车热轴探测、森林防火和无损探伤等方面。第八章电性材料29热释电材料用作热电红外探测器晶体的主要性能参数是热释电系数。此外，还要求晶体对红外线辐射具有吸收大、热容量小、介电系数小、介电损耗小、比重小、易加工成薄片等性能。目前热释电晶体材料主要有硫酸三甘肽（TGS）、铌酸锶钡（SBN）、钽酸锂（LiTaO3）、钛酸铅（PbTiO）等。第八章电性材料304、热电效应（三种）（1）塞贝克效应（温差引起电压）两种不同材料A和B相连，两个接触点处在不同的温度T1和T2，断开点的温度为T0，那么断开点的两端就会产生一个电压ΔV的现象。第八章电性材料31（1）塞贝克效应第八章电性材料32（2）帕尔帖效应（通电引起吸放热）