第三章 电性材料

第三章电性材料第1页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.1导体、半导体和绝缘体材料

导体的电阻率10-5~10-4Ω·cm半导体的电阻率10-4~1010Ω·cm绝缘体的电阻率1010~1014Ω·cm

第2页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别

——能带理论

能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。第3页，共76页，2023年，2月20日，星期三原子结构示意图第4页，共76页，2023年，2月20日，星期三能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，从而导致离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。第5页，共76页，2023年，2月20日，星期三H+HH2第6页，共76页，2023年，2月20日，星期三金属中电子的共有化第7页，共76页，2023年，2月20日，星期三允许带：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带：价带以上能量的最低的允许带称为导带。

满带：被电子占满的允许带称为满带；

空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev，Ec和Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。第8页，共76页，2023年，2月20日，星期三体块硅的能带示意图第9页，共76页，2023年，2月20日，星期三

GaN能带图第10页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.1.2导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释导体的能带结构：价带部分填入价带被填满第11页，共76页，2023年，2月20日，星期三绝缘体的能带结构：价带为满带，禁带较宽ΔEg≈3～6eV第12页，共76页，2023年，2月20日，星期三半导体的能带结构：价带为满带，禁带宽度ΔEg≈0～2eV第13页，共76页，2023年，2月20日，星期三载流子：导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体的载流子是自由电子；半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。

第14页，共76页，2023年，2月20日，星期三

Electronconductioninn-typesemiconductors(andmetals)e-e-e-e-(-)(+)Holeconductioninp-typesemiconductor(+)(-)e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Semiconductor

Electron/HoleConductivity第15页，共76页，2023年，2月20日，星期三本征半导体：是指不含杂质的半导体；通常由于载流子数目有限，导电性能不好。N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素，载流子多数为电子。杂质能级—施主能级P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素，载流子多数为空穴。杂质能级—受主能级不同的材料，由于禁带宽度不同，导带中的电子数目不同，从而有不同的导电性。本征半导体，n型半导体，p型半导体第16页，共76页，2023年，2月20日，星期三PN结(PN-junction)第17页，共76页，2023年，2月20日，星期三pnConductionBandConductionBand

ValenceBand

ValenceBand

electronsholesBandgapBandgapEFpEFnpnConductionBandConductionBand

ValenceBand

ValenceBand

electronsholesBandgapBandgap

electronsEFp=EFn第18页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.1.3导体材料

金属：如银、铜、铝等；

可用作电缆材料，电池材料，电机材料，开关材料，辐射屏蔽材料，传感器材料等；

合金：如黄铜、镍铬合金等；可用作电阻材料和热电偶材料；

非金属：如石墨、C3K、C24S6等；可用作耐腐蚀导体和导电填料等。第19页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.1.4半导体材料无机半导体有机半导体元素半导体化合物半导体本征半导体杂质半导体半导体材料（按结构形态）晶态半导体非晶态半导体半导体材料（按化学成份）第20页，共76页，2023年，2月20日，星期三非晶单晶多晶第21页，共76页，2023年，2月20日，星期三硅和锗——第一代半导体材料相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石结构，间接带隙半导体材料.不同点：

硅锗室温本征电阻率2.3×105Ω·cm50Ω·cm

禁带宽度1.12eV0.66eV

锗比硅的金属性更为显著硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。第22页，共76页，2023年，2月20日，星期三GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。一、本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。第23页，共76页，2023年，2月20日，星期三硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第24页，共76页，2023年，2月20日，星期三共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第25页，共76页，2023年，2月20日，星期三在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。第26页，共76页，2023年，2月20日，星期三可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程第27页，共76页，2023年，2月20日，星期三温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。第28页，共76页，2023年，2月20日，星期三二、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第29页，共76页，2023年，2月20日，星期三N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子第30页，共76页，2023年，2月20日，星期三P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子第31页，共76页，2023年，2月20日，星期三杂质半导体的示意表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体第32页，共76页，2023年，2月20日，星期三单晶硅棒(直拉法)第33页，共76页，2023年，2月20日，星期三硅（111）晶面图第34页，共76页，2023年，2月20日，星期三第35页，共76页，2023年，2月20日，星期三硅在太阳能电池上的应用单晶硅多晶硅非晶硅第36页，共76页，2023年，2月20日，星期三第37页，共76页，2023年，2月20日，星期三第38页，共76页，2023年，2月20日，星期三第39页，共76页，2023年，2月20日，星期三砷化镓——第二代半导体材料特点：化合物半导体，晶体结构是闪锌矿型，禁带宽度为1.43eV

容易制成半绝缘材料(电阻率107~109Ω·cm)

本征载流子浓度低光电特性好耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感用途：光电材料，适合于制造高频、高速的器件和电路，发光二极管、场效应晶体管等。第40页，共76页，2023年，2月20日，星期三砷化镓第41页，共76页，2023年，2月20日，星期三氮化镓——第三代半导体材料氮化镓及其相关氮化物材料：是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形成的化合物(AlN、GaN、InN，)以及由它们组成的多元合金材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。

第42页，共76页，2023年，2月20日，星期三

特点：三种晶体结构：纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿宽禁带半导体材料：InN---1.9eV，GaN---3.4eV，AlN---6.2eV

用途：晶体管、发光管、激光二极管和光电探测器等器件

第43页，共76页，2023年，2月20日，星期三氮化镓WideBandGap:~3.4eVHighBreakdownfieldLargeelectronsaturationvelocity:1.3x10-7cm/sChemicallystableathighTOperateat400ºChightemperatureShortwavelengthlightemissionandhighpowerelectronicapplications第44页，共76页，2023年，2月20日，星期三有机半导体材料及其应用

特点：是分子型晶体材料，其特征由材料的分子性质决定。有机半导体没有三维晶体点阵，而且它们的分子内和分子间的相互作用、局域结构无序、非晶和结晶区域以及化学杂质也不同，复杂。

用途：太阳能电池（酞菁、二酞菁以及某些聚合物如聚乙炔的衍生物等）光电二极管（有机／无机材料异质结结构）有机半导体电容第45页，共76页，2023年，2月20日，星期三精英865PE主板——PHOTON

PF1DVD、功放的音响系统

音响信号电流会引起普通铝电解电容的诱电体、电极箔、接触点的振动，而有机半导体电容的卷曲材料是用聚脂树脂固定起来的，不会产生音响信号电流引起的振动。另外，有机半导体电容的铝壳采用聚脂树脂灌装封口也是重要的因素之一(普通铝电解电容是用胶垫封口的)，在重低音范围内这一点是非常重要的第46页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3铁电、压电、热释电和介电材料

极化：

在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。

自发极化：

在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。第47页，共76页，2023年，2月20日，星期三第48页，共76页，2023年，2月20日，星期三第49页，共76页，2023年，2月20日，星期三热电体：因为原子的构型是温度的函数，所以极化状态将随温度发生变化。这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。铁电体：

存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。压电体：压电效应是指材料在外力作用下发生极化而在材料两端的表面上出现电位差的效应。具有压电性质的材料称为压电材料第50页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3.1铁电材料铁电材料：

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而重新取向的材料，通常铁电体同时具有热释电和压电性。铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线。

第51页，共76页，2023年，2月20日，星期三铁电材料的电滞回线

第52页，共76页，2023年，2月20日，星期三常见的铁电材料:（1）BT：钛酸钡BaTiO3，钙铁矿结构，居里温度120oC；（2）PT：钛酸铅PbTiO3，钙铁矿结构，居里温度492oC；（3）PZT：锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3，钙铁矿结构，居里温度386oC；（4）BST：钛酸钡锶(BaxSr1-x)TiO3,钙铁矿结构，常温下没有铁电性，介电常数高，现多用于DRAM的栅介质；（5）SBT：钽酸锶铋SrBi2Ta2O9，层状钙钛矿结构，具有优异的抗疲劳特性；（6）BTO：钛酸铋Bi4Ti3O12，层状钙钛矿结构，有较好的抗疲劳特性。第53页，共76页，2023年，2月20日，星期三第54页，共76页，2023年，2月20日，星期三第55页，共76页，2023年，2月20日，星期三极化的本质:对称性的减小第56页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3.2压电材料压电效应：

1880年CuirePierr和Curiejacques兄弟在实验中发现，当在某些特定方向上对α-石英晶体施加压力时，在与力方向垂直的两个平面内分别出现正负束缚电荷。这种现象称为压电性。这种由机械能转换成电能的过程称为正压电效应。反之，如果把电场加到压电晶体上，晶体在电场作用下产生应变或应力，这种由电能转换成机械能的过程称为逆压电效应。

第57页，共76页，2023年，2月20日，星期三正压电效应逆压电效应

第58页，共76页，2023年，2月20日，星期三压电材料的用途：水声换能器传感器滤波器变压器点火器陀螺仪液流泵1942年，发现钛酸钡具有压电性。此后，又研制成功一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅。利用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。第59页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3.3热释电材料热释电效应：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。用途：红外光谱仪、红外遥感器、热辐射探测器，非接触测温、无损探伤等第60页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3.4介电材料

介电体的极化：在外电场作用下，电介质材料中在紧靠带电体的一端会出现同号的过剩电荷，另一端则出现负号的过剩电荷，这就是所谓的介电体的极化现象。介电性：如果将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性。电容量增加的倍数称为电介质的介电常数，或称介电渗透率，用来表示材料介电性的大小。第61页，共76页，2023年，2月20日，星期三3.3.5铁电、压电和介电材料的应用

评价存储器的标准：容量、速度、非易失性、功耗和价格

现有存储器的性能比较：DRAM：优点是容量、速度和成本，弱点是不具备非易失性快闪存储器：优点是容量和非易失性，短处是写入速度慢

SRAM：优点是速度和功耗，缺点是难以实现大容量比

铁电随机存取存储器：容量、速度、非易失性、功耗和价格

第62页，共76页，2023年，2月20日，星期三64KFeRAM存储原理是基于铁电薄膜的剩余极化．当外加电场或电压撤去后，铁电薄膜仍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；反向电场超过矫顽场时发生极化反转；E＝0时表现出正、负剩余极化(±Pr)，分别对应于存储的“1”和“0”数字信息。因此，铁电存储单元不需外电场和电压的维持，仍能保持原有的极化信息。第63页，共76页，2023年，2月20日，星期三铁电存储器的应用领域：强耐辐射能力——空间和航天技术应用优异的读写耐久性——电视频道存储器、游戏机数字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用低电压工作和低功耗——移动电话及射频识别系统中的存储器高速写入和编程能力，低功耗、长耐久性等——IC卡最理想的存储器。第64页，共76页，2023年，2月20日，星期三第65页，共76页，2023年，2月20日，星期三压电传感器是利用压电效应制造而成的。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

结构简单、体积小、重量轻。压电传感器第66页，共76页，2023年，2月20日，星期三压电式单向测力传感器的结构图石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成第67页，共76页，2023年，2月20日，星期三压电式加速度传感器的结构图它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。第68页，共76页，2023年，2月20日，星期三