电子材料复习纲要

第一章：电子材料概论材料按化学组成和结合键可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四类。金属材料：常温下一般为固态晶体，有较好的强度、塑性和延展性，熔点高、导电导热、有特殊光泽。贵金属：金、银、铑、钌、钯、锇、铱、铂。高分子材料：聚合物的相对分子质量在103~106范围内。第1页，共57页。材料按结晶状态可分为晶体、非晶体和液晶。

非晶态结构的主要类型：连续无规网络：常用于玻璃、非晶硅等材料的结构模型。无规密堆积：主要用于金属玻璃的结构。无规线团模型：主要用于非晶高分子聚合物。第一章：电子材料概论第2页，共57页。液晶：

是一种有机化合物。在一定的外部环境下既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性。处于液晶态的物质，分子排列总的来说是长程有序，但分子位置是不固定的（流动性）。按照结构和光学特性，液晶可分为四类：近晶相液晶向列相液晶碟型液晶胆甾相液晶第3页，共57页。电子材料常用微观分析方法化学成分分析：原子发射光谱(AES)、X射线荧光和电子探针。化学成分分析的常用仪器：质谱仪、能谱仪、傅立叶红外光谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）等。第4页，共57页。电子材料常用微观分析方法结构分析：X射线衍射法。布拉格方程：XRD图谱可以提供的信息：晶体结构、所含元素及其构成、晶粒尺寸、晶体择优取向程度、残余应力、位错密度等。XRD与SAD是相互对应的。第5页，共57页。电子材料常用微观分析方法显微分析：电子显微镜的成像原理TEM（透射~）SEM（扫描~）AFM（原子力~）STM（扫描隧道~）电子显微镜：第6页，共57页。①金属导电材料②厚膜导电材料③薄膜导电材料④

复合物导电材料⑤导电聚合物第二章：导电材料第7页，共57页。常温下电阻率最小的导电材料是银Ag。随着温度的升高，金属的电阻一般增大。电导率：电阻率的倒数。通常以国际标准软铜的电导率为100％，其它材料与之比较，以百分电导率来表示。影响导体电阻的因素：杂质、缺陷、温度和内应力。导电材料第8页，共57页。薄膜导电材料主要要求：导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊性好、成本低。铝薄膜：通常采用真空蒸镀法制备。铬-金薄膜和镍铬-金薄膜：目前使用最多的多层导电薄膜。第9页，共57页。导电聚合物：按其结构特征和导电机理分类：电子导电型聚合物离子导电型聚合物氧化还原型导电聚合物电子导电型聚合物的共同结构特征是分子内具有大的共轭电子π体系。第10页，共57页。电子导电型聚合物：掺杂可以减少能带分裂造成的能级差，因而可提高其电导率。温度升高，电子导电型聚合物的电导率增大。提高共轭链的长度，电子导电型聚合物的电导率增大。以聚乙炔为例，共轭分子链长度增加，其电导率呈指数式增大。第11页，共57页。①电阻材料概述②线绕电阻材料③薄膜电阻材料④

厚膜电阻材料第三章：电阻材料第12页，共57页。电阻、电阻器和电阻单位：电阻是指材料在一定程度上阻碍电流流通，并将电能转变成热能的一种物理性质。将电阻材料做成具有一定形状、结构的实体元件，常称它为电阻器或电阻元件。电阻器的功能：调节和分配电能。第13页，共57页。不同电阻材料，导电机理不同，电阻－温度关系也有所不同。对下面几种电阻材料分别阐述：电阻与温度的关系：①纯金属块体②合金块体③金属或合金薄膜④半导体电阻材料⑤高分子电阻材料第14页，共57页。金属的电阻率与温度的关系：①纯金属块体式中A为常数；T为热力学温度。这说明纯金属的电阻率与温度成正比。纯金属的电阻温度系数为正值。第15页，共57页。当金属中含有杂质时，金属晶格中的间隙原子和缺陷数目增加，自由电子被晶格、间隙原子以及缺陷散射的几率增大。因此合金的电阻率大于纯金属的电阻率。合金电阻率与温度的关系：合金的电阻温度系数比纯金属小。②合金块体第16页，共57页。其电阻取决于下列因素：内部因素：薄膜结构和厚度。晶格热振动和金属杂质引起的电子散射。其它缺陷如晶界、位错引起的电子散射。表面电子散射。外界环境的影响：主要是温度。③金属或合金薄膜第17页，共57页。电阻率与温度的关系：④半导体电阻材料式中u为常数，与半导体材料中载流子的激活能有关。其电阻温度系数可用下式表示：半导体电阻材料的电阻温度系数为负值。第18页，共57页。在合成型电阻材料中，实际起导电作用的主要是链状回路和间断回路。⑤高分子电阻材料合成型电阻材料的等效电路：由链状回路、绝缘回路和间断回路三部分组成。其电阻温度系数可正可负。适当选择材料和工艺，可获得理想的电阻值和电阻温度系数。第19页，共57页。电阻的标识：直标法：例如20Ω，100kΩ，1.0MΩ等。文字符号法：将电阻材料的标称阻值和允许偏差用数字和文字符号按一定规律组合标志在电阻器件上。数码法：采用三位数码表示电阻器件的阻值。数码从左到右，第一、二位为有效值，第三位为指数，单位为欧。偏差仍然采用文字符号法表示。第20页，共57页。电阻的标识：色标法：用不同颜色的环在电阻器表面标出阻值和允许偏差。国外电阻大部分采用色标法。第21页，共57页。定义：在绝缘基体（或基片）上采用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解、喷涂等方法制得的膜状电阻材料，其膜厚一般在1μm以下，称为薄膜电阻材料。特点：体积小、阻值范围宽、电阻温度系数小、性能稳定、容易调阻、易于散热、用料少、适合大量生产、应用广范。薄膜电阻材料第22页，共57页。薄膜电阻材料采用蒸发、溅射、化学沉积等方法制得后，通常要在真空或空气中进行热处理，其目的是什么？热处理工艺可以使晶粒生长进一步完善，减少缺陷和内应力，提高薄膜的稳定性。同时还可以调整薄膜电阻材料的成分和阻值。薄膜电阻材料第23页，共57页。定义：采用厚膜电阻浆料，通过丝网印刷和烧结等方法在绝缘基体上形成的一层较厚的膜，并具有电阻的特性。厚膜电阻浆料是制备厚膜电阻器的关键，通常由导电相、粘结相、有机载体和改性剂组成。丝网印刷和烧结固化是制备各类厚膜电子材料的主要方法。厚膜电阻材料第24页，共57页。第四章：超导材料①引言②超导材料的基本性质与理论基础③低温超导材料④

高温超导材料的发展现状⑤高温超导材料的结构特征第25页，共57页。超导机理研究：经典的BCS理论；西耳斯比定则；迈斯纳效应；高温超导机理：目前还没有统一成熟的理论，在已有的几十种机理模型中，Anderson的共振价键模型较为流行。第26页，共57页。超导材料的基本性质与理论基础表征超导材料性能的几个基本参量：临界温度Tc；

临界磁场强度Hc；

临界电流密度Jc；

穿透深度；相干长度；磁化强度M。第27页，共57页。临界磁场与临界电流影响临界电流密度Jc的主要因素：①

磁通蠕动②磁通钉扎③晶内缺陷④

晶间弱连接第28页，共57页。临界磁场与临界电流西耳斯比定则：在无外加磁场的条件下，临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于Hc。阐述了临界电流与临界磁场之间的内在联系，并得到很多超导体的实验验证。第二类超导体并不遵循西耳斯比定则。第29页，共57页。迈斯纳效应超导现象发现后二十多年，人们一直把超导体看作是“理想导体”。1933年，Missner和Ochsenfeld通过磁测量实验，发现了超导体的一个特殊现象：不管外加磁场的次序如何，超导体内的磁场感应强度（磁通量）总是等于零，与加载历史（途径）无关。此即迈斯纳效应，也称为完全抗磁性。第30页，共57页。迈斯纳效应迈斯纳效应说明：超导体内的磁感应强度不仅是恒量，而且这一恒量值永远是零。零电阻和完全抗磁性是超导态两个独立的基本性质。所谓的零电阻（理想导电性）是针对直流而言的。在交流电的情况下，超导体不再具有完全导电性而出现交流损耗。第31页，共57页。BCS理论BCS理论在解释超导电性方面获得了很大成功。如可以解释同位素效应、迈斯纳效应，在极限条件下还可推导出Pippard方程和Ginzburg-Landau方程。局限性：属于弱耦合理论；不适应于第二类超导体。第32页，共57页。低温超导材料常压下，超导临界温度Tc最高的单质元素是Nb。按照磁场中的磁化行为，可将超导体分为两类：①

第一类超导材料②第二类超导材料第33页，共57页。高温超导材料发展现状新的高Tc材料：目前最高Tc值的超导材料为高压下164K的HgBaCaCuO体系。超导材料应用基础研究：高温超导薄膜及其应用：

高温超导体全部是由多种元素组成的氧化物。第34页，共57页。高温超导材料的结构特征钙钛矿型结构：一般而言，高温超导体都具有层状的钙钛矿型结构。ABO3型钙钛矿结构具有下述特点：

①组分可通过部分替代而在很宽的范围内变化。

②或多或少的存在着氧缺位和A晶位阳离子的缺位。第35页，共57页。第五章：半导体材料①半导体材料的一般性能②锗、硅半导体材料③太阳能电池④化合物半导体材料⑤半导体材料的应用第36页，共57页。半导体材料的一般性能半导体材料的能带特征：价带、导带、空带、禁带半导体中电子填充能带遵循的基本原理：泡利不相容原理（

Pauli’sexclusionprinciple）；能量最小原理半导体中的电子与空穴~载流子第37页，共57页。半导体材料的一般性能半导体载流子的主要来源：本征激发和杂质电离本征半导体：完全纯净、缺陷极少的半导体，其载流子由热激活产生。杂质半导体：N型半导体---施主杂质半导体；P型半导体---受主杂质半导体。P-N结：基本电学特性是单向导电性。第38页，共57页。半导体材料的一般性能半导体的光电性质：半导体中，电子吸收光子能量后的跃迁形式主要有哪些？

本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收、晶格振动吸收。光伏效应及其实际应用半导体的磁学性质：霍尔效应第39页，共57页。半导体的光伏效应当用适当波长的光照射非均匀掺杂的半导体（如P-N结）时，由于光激发和半导体内建电场的作用，将在半导体内部产生电势，这种现象称为光生伏特效应，最主要的实际应用是光电池或太阳能电池。第40页，共57页。半导体的磁学性质如果在一块半导体某一方向上加以电场，并在其垂直方向上加有磁场，则载流子除了受电场力作用外，还要受磁场力的作用。在两种外力的作用下，载流子的运动将发生变化，结果在半导体的两端产生一横向电势差，其方向同时垂直于电流和磁场。这种现象称为霍尔效应。第41页，共57页。硅材料的制备与加工多晶硅制备工艺：常用的单晶硅制备方法：1）水平区域法；2）提拉法；3）浮区法原料的化学处理提纯还原或合成第42页，共57页。第六章：电介质材料①电容器介质材料②压电材料③热释电材料与铁电材料④玻璃电介质材料⑤有机电介质材料第43页，共57页。电容器介质材料电容器在电子电路中的作用：

具有滤波、耦合和电源的功能。电解电容器的比率电容量是各种电容器中最高的。电解电容器：通常是在铝、钽、铌、钛等金属的表面采用阳极氧化法生成一薄层氧化物作为电介质，以电解质（包括电解液、二氧化锰、有机半导体、凝胶电解质）作为阴极而构成的电容器。第44页，共57页。压电材料压电效应：对某些电介质晶体施加应力时，随着形变的产生，晶体某两个相对的表面产生数量相等、符合相反的电荷，而当外力撤销形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应

。反之，在某些电介质晶体的极化方向上施加电场，如果产生与电场强度成正比的应变或机械应力，这种现象称为逆压电效应。第45页，共57页。压电材料具有压电效应的物质（电介质）称为压电体。压电效应产生的条件：必须是电介质晶体；晶体结构没有对称中心；其结构必须有带正负电荷的质点。第46页，共57页。有机电介质材料聚四氟乙烯：结构式-(-CF2-CF2-)-n绝缘材料，耐热性好，抗老化性能好。不溶于任何溶剂中，化学稳定性好。聚氯乙烯（PVC）：结构式-(-CHCl-CH2-)-n

热塑性树脂，广泛用于电线和电缆的绝缘护套。第47页，共57页。第七章：光电子材料①固体激光材料②光导纤维③半导体发光材料④透明导电薄膜材料⑤光显示材料第48页，共57页。固体激光材料激光-LASER：

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光的主要特点：方向性好，相干性好，亮度好，单色性好。激光的发光机制：受激辐射~实现粒子数反转固体激光材料：激光晶体和激光玻璃。激光的波长注意取决于激活离子的内部能级结构。第49页，共57页。固体激光材料固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。激光的波长注意取决于激活离子的内部能级结构。激光器的基本结构：工作物质泵浦源光学谐振腔第50页，共57页。固体激光材料世界上第一台激光器：红宝石激光器典型激光晶体材料：

红宝石激光晶体—掺杂Cr3+的Al2O3单晶。激光跃迁能级属于三能级结构，产生激光的阀值较高。钕-钇铝石榴石激光晶体—Nd3+：Y3Al5O12激光跃迁能级