1、1功 能 材 料 2.電性材料思考題：n1 金屬和本征半導體，它們的電導率隨溫度的 變化關系？n2 物質產生電阻的原因？23導言導言n電性材料按其電學性能的特點，可分為四大類，即電性材料按其電學性能的特點，可分為四大類，即導體導體、半導體半導體、超導體超導體和和絕緣體絕緣體。n從材料的應用角度來說，則種類繁多，可分為從材料的應用角度來說，則種類繁多，可分為導電材料導電材料、電阻材料電阻材料、電熱材料電熱材料、絕緣材料絕緣材料等。等。n電阻率電阻率和電導率和電導率是材料電性的基本性能參數，二者互是材料電性的基本性能參數，二者互為倒數。對各向同性的材料來說，為倒數。對各向同性的材料來說，和和為標量

2、。為標量。4n室溫下一些材料的電阻率見表室溫下一些材料的電阻率見表2.102.10。n不同材料的電阻率差異極大。不同材料的電阻率差異極大。n材料的電阻率與溫度的關系也有很大差別。材料的電阻率與溫度的關系也有很大差別。n材料電性能的差異與其成分、組織、結構，以及外界環境材料電性能的差異與其成分、組織、結構，以及外界環境( (如濕度、壓力、磁場等如濕度、壓力、磁場等) )都有很大的關系。都有很大的關系。5講述內容講述內容n2.1 2.1 導電材料（簡介）導電材料（簡介）n2.2 2.2 半導體材料半導體材料n2.3 2.3 超導材料超導材料62.1 2.1 導電材料導電材料n導電材料按導電機理可分

3、為導電材料按導電機理可分為電子導電材料電子導電材料和和離子導電材料離子導電材料。n電子導電材料包括以下三大類：電子導電材料包括以下三大類：n導體導體 導體的電導率導體的電導率10105 5 S/m( S/m(或或-1-1m m-1-1) )；n半導體半導體 半導體的電導率半導體的電導率為為1010-8-810104 4 S/mS/m；n超導體超導體 超導體的電導率超導體的電導率在溫度小于其臨界溫度時，在溫度小于其臨界溫度時， 可以認為是無限大。可以認為是無限大。n當材料的當材料的1010-7-7 S/m S/m時，就可以認為該材料基本上不能時，就可以認為該材料基本上不能導電，而成為導電，而成為

4、絕緣體絕緣體。7n離子導電材料的導電機理則主要是起源于離子的運動離子導電材料的導電機理則主要是起源于離子的運動，由，由于離子的運動速度遠小于電子的運動速度，因此，其電導于離子的運動速度遠小于電子的運動速度，因此，其電導率也遠小于電子導電材料的電導率，目前最高不超過率也遠小于電子導電材料的電導率，目前最高不超過10102 2S/mS/m，大多都在，大多都在10100 0S/mS/m以下。以下。n本節將主要討論導體材料。本節將主要討論導體材料。8本節內容本節內容n2.1.1 2.1.1 導電材料的種類及應用導電材料的種類及應用n2.1.2 2.1.2 電阻材料的種類及應用電阻材料的種類及應用n2.

5、1.3 2.1.3 其他導電材料及應用其他導電材料及應用92.1.1 2.1.1 導電材料的種類及應用導電材料的種類及應用n導電材料按化學成分主要有以下兩類：導電材料按化學成分主要有以下兩類：n(1)(1)純金屬純金屬n純金屬是主要的導體材料，電導率純金屬是主要的導體材料，電導率為為10107 710108 8S/mS/m。n常用的有銅、鋁、銀、金、鎳和鉑等。常用的有銅、鋁、銀、金、鎳和鉑等。n(2)(2)合金材料合金材料n合金材料的電導率為合金材料的電導率為10105 510107 7S/mS/m，如銅合金、鋁合金、銀，如銅合金、鋁合金、銀合金、鎳合金和不銹鋼等。合金、鎳合金和不銹鋼等。10

6、11n合金導電材料犧牲部分導電能力，以克服純金屬機械強度合金導電材料犧牲部分導電能力，以克服純金屬機械強度不足等缺點。不足等缺點。n銀銅合金銀銅合金耐熱性。耐熱性。n鋯銅合金鋯銅合金強度和耐熱性。強度和耐熱性。n鈹銅合金鈹銅合金強度、耐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性。強度、耐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性。n銅鋅合金銅鋅合金切削加工、耐蝕性。切削加工、耐蝕性。n鋁合金鋁合金密度小，有足夠的強度、塑性和耐蝕性。電子密度小，有足夠的強度、塑性和耐蝕性。電子工業中常用做機械強度要求較高、重量要求輕的導電材料。工業中常用做機械強度要求較高、重量要求輕的導電材料。122.1.2 2.1.2 電阻材料的種類及應用電阻

7、材料的種類及應用n電阻材料是指電阻率較高的一類導電材料電阻材料是指電阻率較高的一類導電材料，包括精密電阻，包括精密電阻材料和電阻敏感材料。材料和電阻敏感材料。n主要用來制作主要用來制作標準電阻器標準電阻器、變阻器變阻器及及一些敏感電阻一些敏感電阻( (如應如應變電阻、熱敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等變電阻、熱敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等) )器件。器件。n這種材料通常為高電阻率的合金。這種材料通常為高電阻率的合金。13n在高電阻合金中，最主要的是在高電阻合金中，最主要的是銅鎳系合金銅鎳系合金、銅錳系合金銅錳系合金、鎳鉻系合金鎳鉻系合金、鐵鉻鋁系合金鐵鉻鋁系合金及及貴金屬系合金貴金屬系合金。n按照

8、使用情況不同，高電阻合金常分為按照使用情況不同，高電阻合金常分為測量儀器及標準電測量儀器及標準電阻用合金阻用合金、電位器用合金電位器用合金、電熱器用合金電熱器用合金、傳感器用合金傳感器用合金等。等。n由于使用情況不同，對它們的要求也各異。由于使用情況不同，對它們的要求也各異。14n對用于制作標準電阻及電工測量儀表的電阻材料對用于制作標準電阻及電工測量儀表的電阻材料，應具有，應具有盡可能大的電阻率和盡可能小的電阻溫度系數，電阻率不盡可能大的電阻率和盡可能小的電阻溫度系數，電阻率不隨時間而變化，并有良好的機械特性，如強度高、韌性好隨時間而變化，并有良好的機械特性，如強度高、韌性好及抗腐蝕性好等；及

9、抗腐蝕性好等；n對用于變阻器對用于變阻器( (電位器電位器) )的電阻材料的電阻材料，應具有較高的電阻率，應具有較高的電阻率和較低的電阻溫度系數，有較強的耐蝕性、抗氧化性、耐和較低的電阻溫度系數，有較強的耐蝕性、抗氧化性、耐熱性和機械強度等；熱性和機械強度等；n對用于電子電路中的一般電阻元件所用的電阻材料對用于電子電路中的一般電阻元件所用的電阻材料，要求，要求有一定的電阻率，電阻溫度系數盡可能小，電阻值穩定，有一定的電阻率，電阻溫度系數盡可能小，電阻值穩定，不受電流頻率的影響，并且制作的電阻元件不會在電路中不受電流頻率的影響，并且制作的電阻元件不會在電路中產生噪聲。產生噪聲。152.1.3 2

10、.1.3 其他導電材料及應用其他導電材料及應用n(1)(1)電接觸材料電接觸材料n電子設備中常需用到各種可變電阻器、電位器、開關插頭電子設備中常需用到各種可變電阻器、電位器、開關插頭座、繼電器等電子元件。這些元件均具有滑動接點或分合座、繼電器等電子元件。這些元件均具有滑動接點或分合接點，用于這些電接觸連接的導電材料，稱為電接觸材料，接點，用于這些電接觸連接的導電材料，稱為電接觸材料，又稱為又稱為接點材料接點材料、接頭材料接頭材料。n對電接觸材料的一般要求是：對電接觸材料的一般要求是：接觸電阻低而穩定，無損耗，接觸電阻低而穩定，無損耗，接觸無變形，不熔接，開關準確，價格合適等。接觸無變形，不熔接

11、，開關準確，價格合適等。16n電接觸材料的品種很多，根據電接觸材料的品種很多，根據材料的性質材料的性質，可分為，可分為純金屬純金屬接觸材料接觸材料和和合金接觸材料合金接觸材料兩大類；兩大類；n根據根據接點的工作條件接點的工作條件，又可分為，又可分為弱電流小功率接觸材料弱電流小功率接觸材料、中等功率接觸材料中等功率接觸材料、大功率接觸材料大功率接觸材料，以及，以及真空開關接觸真空開關接觸材料材料等。等。n但是，各種接觸材料都有自身的優缺點，利用單一材料難但是，各種接觸材料都有自身的優缺點，利用單一材料難以滿足所有的要求，因此，只能按照不同的工作條件進行以滿足所有的要求，因此，只能按照不同的工作條

12、件進行選擇。選擇。17n通常按照工作電流的大小選擇接觸材料。通常按照工作電流的大小選擇接觸材料。n當電流小于當電流小于100mA100mA時，要求接觸電阻穩定，時，要求接觸電阻穩定，常用常用AgAg、PdPd、AuAu、PtPt等貴金屬或以它們為基的合金等貴金屬或以它們為基的合金；n當開關當開關100 mA100 mA以上較大電流時，除要求接觸電阻穩定外，以上較大電流時，除要求接觸電阻穩定外，還要求接點耐電弧、耐熔接，因此，采用以還要求接點耐電弧、耐熔接，因此，采用以AgAg為主體的合為主體的合金及金及AgAg與與NiNi、W W、C C、CdOCdO等的燒結體；等的燒結體；n當電流更大時，則

13、多采用當電流更大時，則多采用W W、MoMo、CuCu、WCWC等為主要成分的等為主要成分的合金材料。合金材料。PC電腦主板上金銀等材料：銅與金銀的導電率幾乎一樣，但是銅會氧化，從而影響到導電率，金銀不會；顯見的，都是指那些暴露在外的觸點上，才會可能用到金銀；如內存槽中的觸點，CPU座的觸點等等 18(2)(2)電碳材料電碳材料n電碳材料是非金屬高電阻導電材料，它包電碳材料是非金屬高電阻導電材料，它包括括石墨等結晶形碳和炭黑石墨等結晶形碳和炭黑、焦炭焦炭等無定形等無定形碳。碳。19n石墨石墨具有六方形的晶體結構，由無數平行的層面疊合而成，具有六方形的晶體結構，由無數平行的層面疊合而成，每一層面

14、的碳原子分布在正六角平面的頂角上，構成三維每一層面的碳原子分布在正六角平面的頂角上，構成三維空間的有序排列。空間的有序排列。高純度的石墨晶體具有類似金屬的導電高純度的石墨晶體具有類似金屬的導電能力。能力。n無定形碳無定形碳的原子排列無序，但在經過的原子排列無序，但在經過22002500的高的高溫處理后，無序結構就會轉變為三維空間的有序結構，從溫處理后，無序結構就會轉變為三維空間的有序結構，從而具有與石墨類似的特性。而具有與石墨類似的特性。20n以石墨或碳為主要成分，加上一定的膠黏劑，如煤焦油、以石墨或碳為主要成分，加上一定的膠黏劑，如煤焦油、瀝青或其他材料瀝青或其他材料(如金屬粉末如金屬粉末)

15、等，按照不同的配方與工藝，等，按照不同的配方與工藝，可制成碳素基體材料。可制成碳素基體材料。n碳素基體材料碳素基體材料有碳質、碳石墨質、天然石墨質、電化石有碳質、碳石墨質、天然石墨質、電化石墨質和金屬石墨質等五類，其中金屬石墨質的基體材墨質和金屬石墨質等五類，其中金屬石墨質的基體材料中含有不同量的金屬粉末，如銅粉、鉛粉、錫粉、銀粉料中含有不同量的金屬粉末，如銅粉、鉛粉、錫粉、銀粉等。隨著其他金屬含量的增加，材料的性質逐漸接近于該等。隨著其他金屬含量的增加，材料的性質逐漸接近于該種金屬的特性。種金屬的特性。21n采用不同的配方與工藝，將碳素基體材料的粉末與煤焦油采用不同的配方與工藝，將碳素基體材

16、料的粉末與煤焦油等膠黏劑混合壓制成型，經過高溫燒結后就制成了各種電等膠黏劑混合壓制成型，經過高溫燒結后就制成了各種電碳制品。碳制品。n常用的有：常用的有：電機電刷電機電刷、電位器電刷電位器電刷、碳棒碳棒以及以及干電池干電池和和電電解池的各種電極解池的各種電極、電真空器件的電極電真空器件的電極及及隔熱隔熱和和支撐元件支撐元件等。等。22(3)(3)導電高聚物和導電膠黏劑導電高聚物和導電膠黏劑n高聚物一般為良好的絕緣體，而導電高聚物可分為自身顯高聚物一般為良好的絕緣體，而導電高聚物可分為自身顯示導電性的示導電性的高分子導電體高分子導電體(又稱又稱導電高分子導電高分子或或結構型導電結構型導電樹脂樹脂

17、)和在絕緣的高分子中分散具有導電性填料的和在絕緣的高分子中分散具有導電性填料的復合導復合導電體電體(又稱又稱添加型導電材料添加型導電材料)兩大類。目前工業上廣泛使用兩大類。目前工業上廣泛使用的多是復合型導電材料。的多是復合型導電材料。 n復合導電高聚物由復合導電高聚物由基體高聚物基體高聚物和和導電填料導電填料，以及，以及增塑劑增塑劑、溶劑溶劑、顏料顏料等組成。等組成。23n基體高聚物的物化性質決定了復合導電高聚物的機械性能、基體高聚物的物化性質決定了復合導電高聚物的機械性能、加工性能和耐化學性能等。加工性能和耐化學性能等。n基體高聚物的性能也影響導電高聚物的導電性，基體高聚物的性能也影響導電高

18、聚物的導電性，一般來說，一般來說，基體高聚物對導電填料的接觸面越大，基體材料的硬度越基體高聚物對導電填料的接觸面越大，基體材料的硬度越大，熱變形溫度越高，其導電體的導電件能越好，且導電大，熱變形溫度越高，其導電體的導電件能越好，且導電性也越穩定。性也越穩定。24n導電填料對高聚物的導電性起決定性作用。常用的有導電填料對高聚物的導電性起決定性作用。常用的有Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Fe等金屬粉末和炭黑顆粒等。等金屬粉末和炭黑顆粒等。n與金屬導體相比，導電高聚物具有電導率可以控制與金屬導體相比，導電高聚物具有電導率可以控制(10810-5cm)，耐腐蝕，加工性能優良，密度低，有彈性和，耐腐蝕，

19、加工性能優良，密度低，有彈性和價格便宜等價格便宜等優點優點。n主要缺點是主要缺點是：易變形、分解和收縮，硬度和耐候性差，燃易變形、分解和收縮，硬度和耐候性差，燃燒時會產生有毒氣體等。燒時會產生有毒氣體等。252.2 2.2 半導體材料半導體材料n1904年，世界上第一只電子管在英國物理學家年，世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明弗萊明的的手下誕生。弗萊明為此獲得了這項發明的專利權。手下誕生。弗萊明為此獲得了這項發明的專利權。n人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。時代。n1946年年2月月14日，日，世界上第一臺計算機世界上第一

20、臺計算機ENIAC 誕生誕生。世界上第一臺電子計算機其實是ABC(Atanasoff-Berry Computer,阿塔納索夫-貝瑞計算機) ENIAC是第二臺。 英文全稱為英文全稱為 Electronic Numerical Integrator And Computer 26世界上第一臺計算機世界上第一臺計算機 兩位發明人莫奇來和愛克特兩位發明人莫奇來和愛克特工作中的工作中的ENIACENIAC 327n這部機器使用了這部機器使用了18800個真空管，長個真空管，長50英尺，寬英尺，寬30英尺，英尺， 占地占地1500平方英尺，重達平方英尺，重達30噸（大約是一間半的教室大，噸（大約是一間

21、半的教室大，六只大象重）。它的計算速度快，六只大象重）。它的計算速度快，每秒可從事每秒可從事5000次的次的加法運算加法運算，運作了九年之久。，運作了九年之久。n由于吃電很兇，由于吃電很兇， 據傳據傳ENIAC每次一開機，整個費城西區每次一開機，整個費城西區的電燈都為之黯然失色。的電燈都為之黯然失色。n另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每15分鐘就可能燒掉分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時間才能找出壞分鐘以上的時間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。掉的管子，使用上極不方便。28電子管優缺點電子管優缺點n缺點：缺點：體

22、積大、功耗大、發熱厲害、壽命短、電源利用效體積大、功耗大、發熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源。率低、結構脆弱而且需要高壓電源。n優點：優點：負載能力強，線性性能優于晶體管，在高頻大功率負載能力強，線性性能優于晶體管，在高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好，所以仍然在一些地方領域的工作特性要比晶體管更好，所以仍然在一些地方（如大功率無線電發射設備）繼續發揮著不可替代的作用。（如大功率無線電發射設備）繼續發揮著不可替代的作用。 29n目前計算機運算速度：目前計算機運算速度：n由富士通制造的由富士通制造的日本超級計算機日本超級計算機“京京”排名首位，成為全排名首位，成為全球

23、運算速度最快的超級計算機。運行速度為每秒球運算速度最快的超級計算機。運行速度為每秒1.051.05萬萬萬萬億次浮點計算，由億次浮點計算，由6854468544個個SPARC64 VIIIfxSPARC64 VIIIfx處理器組成，處理器組成，每個處理器均內置每個處理器均內置8 8個內核，總內核數量為個內核，總內核數量為548352548352個。個。n中國的天河一號中國的天河一號A A(Tianhe-1A)(Tianhe-1A)，運算速度為每秒，運算速度為每秒2.572.57千萬千萬億次浮點計算。億次浮點計算。n美國的美國的“美洲虎美洲虎”(Jaguar)(Jaguar)，運算速度為每秒，運算

24、速度為每秒1.7591.759千萬千萬億次浮點計算。億次浮點計算。半導體、晶體管半導體、晶體管30天河一號天河一號A A是在是在“天河一號天河一號”的基礎上經升級后的二期系統超級計算機。的基礎上經升級后的二期系統超級計算機。由中國國防科技大學與天津濱海新區合作研發，斥資六億元由中國國防科技大學與天津濱海新區合作研發，斥資六億元人民幣制造，它裝置在天津中國國家超級計算機中心里，總人民幣制造，它裝置在天津中國國家超級計算機中心里，總共有一百四十個機柜，一百五十多公噸重。共有一百四十個機柜，一百五十多公噸重。20102010年年1111月世界超級計算機月世界超級計算機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月被日本超級計算機月被日本超級計算機“京京”超越。超越。20122012年年6 6月月1818日，日，國際超級電腦組織公布的全球超級電腦國際超級電腦組織公布的全球超級電腦500500強名單中，強名單中，“天天河一號河一號A A”排名全球第五排名全球第五 。31天河二號計算能力天河二號計算能力2 2年后將超日本年后將超日本“京京”系統系統6 6倍倍n20132013年年5 5月，月， “天河二號天河二號”的計算能力突破每秒的計算能力突破每秒5.495.49億億億億次，這個數字是當前世界最快的日本次，這個數字是當前世界最快的日本“京京”

26、系統的系統的6 6倍，倍，為世界頂級的超級計算機。為世界頂級的超級計算機。 3219481948年貝爾實驗室發明晶體管年貝爾實驗室發明晶體管n19471947年年1212月月1616日日：威廉：威廉邵克邵克雷（雷（William ShockleyWilliam Shockley）、）、約翰約翰巴頓（巴頓（John BardeenJohn Bardeen）和沃特和沃特布拉頓（布拉頓（Walter Walter BrattainBrattain）成功地在貝爾實）成功地在貝爾實驗室制造出第一個晶體管。驗室制造出第一個晶體管。 晶體管之父，william shockley n由于其響應速度快，準確性，

27、晶體管可用于各種各樣的由于其響應速度快，準確性，晶體管可用于各種各樣的數字和模擬功能，包括放大，開關，穩壓，信號調制和數字和模擬功能，包括放大，開關，穩壓，信號調制和振蕩器。振蕩器。晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區域，晶體管可獨立包裝或在一個非常小的的區域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。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. 世界上第一個集成電路世界上第一個集成電路（1958）34n半導體與半導體與PCPC機機n19711971年，年，英特爾發布了其第一個微處理器英特爾發布了其第一個微處理器40044004。40044004規格為規格為1/81/8英寸英寸 1/16 1/16英寸，包含僅英寸，包含僅20002000多個晶體管，采用英特爾多個晶體管，采用英特爾1010微米微米P

29、MOSPMOS技術生產。技術生產。 n19721972年，年，英特爾發布了第一個英特爾發布了第一個8 8位處理器位處理器80088008。 n19781978年，年，英特爾發布了第一款英特爾發布了第一款1616位處理器位處理器80868086。n19781978年，年，英特爾標志性地把英特爾英特爾標志性地把英特爾80888088微處理器銷售給微處理器銷售給IBMIBM新新的個人電腦事業部，武裝了的個人電腦事業部，武裝了IBMIBM新產品新產品IBM PCIBM PC的中樞大腦。的中樞大腦。1616位位80888088處理器為處理器為80868086的改進版，含有的改進版，含有2.92.9萬個晶

30、體管。萬個晶體管。n19821982年，年，286286微處理器微處理器( (全稱全稱8028680286，意為，意為“第二代第二代80868086”) )推出，推出，提出了指令集概念，即現在的提出了指令集概念，即現在的x86x86指令集，可運行為英特爾前指令集，可運行為英特爾前一代產品所編寫的所有軟件。一代產品所編寫的所有軟件。286286處理器使用了處理器使用了1340013400個晶體管。個晶體管。35n19931993年，年，英特爾英特爾奔騰奔騰處理器問世，含有處理器問世，含有3 3百萬個晶體管，百萬個晶體管，采用英特爾采用英特爾0.80.8微米制程技術生產。微米制程技術生產。n200

31、52005年年5 5月月2626日，日，英特爾第一個主流雙核處理器英特爾第一個主流雙核處理器“英特爾英特爾奔騰奔騰D D處理器處理器”誕生，含有誕生，含有2.32.3億個晶體管，采用英特爾領億個晶體管，采用英特爾領先的先的9090納米制程技術生產。納米制程技術生產。n20062006年年7 7月月2727日，日，英特爾英特爾酷睿酷睿2 2雙核處理器誕生。該處理雙核處理器誕生。該處理器含有器含有2.92.9億多個晶體管，采用英特爾億多個晶體管，采用英特爾6565納米制程技術在納米制程技術在世界最先進的幾個實驗室生產。世界最先進的幾個實驗室生產。 36n半導體材料與微電子技術和光電信息技術：半導體

32、材料與微電子技術和光電信息技術：n半導體材料的發展與器件緊密相關，可以說，電子技術的半導體材料的發展與器件緊密相關，可以說，電子技術的發展和半導體器件對材料的需求是促進半導體材料研究和發展和半導體器件對材料的需求是促進半導體材料研究和開拓的強大動力。開拓的強大動力。n而材料質量的提高和新型半導體材料的出現，又優化了半而材料質量的提高和新型半導體材料的出現，又優化了半導體器件性能，產生新的器件，兩者相互影響，相互促進。導體器件性能，產生新的器件，兩者相互影響，相互促進。37n19481948年誕生的第一個晶體三極管采用了鍺單晶制成。年誕生的第一個晶體三極管采用了鍺單晶制成。n19521952年，

33、用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶，并制出了年，用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶，并制出了硅結型晶體管，從而推進了半導體材料的廣泛應用和半導體器硅結型晶體管，從而推進了半導體材料的廣泛應用和半導體器件的飛速發展。件的飛速發展。n2020世紀世紀6060年代初，硅材料在提純、拉晶、區熔等單晶制備方法年代初，硅材料在提純、拉晶、區熔等單晶制備方法進一步改進和提高，促進了半導體材料開始向高純度、高完整進一步改進和提高，促進了半導體材料開始向高純度、高完整性、高均勻性和大直徑方向發展。性、高均勻性和大直徑方向發展。n7070年代以來，應微電子技術要求而出現了大規模集成電路和超年代以來，應微電子技

34、術要求而出現了大規模集成電路和超大規模集成電路，這樣就對半導體材料提出了越來越高的要求，大規模集成電路，這樣就對半導體材料提出了越來越高的要求，使半導體材料的主攻目標更明顯地朝著高純度、高完整性、高使半導體材料的主攻目標更明顯地朝著高純度、高完整性、高均勻性和大尺寸方向發展。均勻性和大尺寸方向發展。38本節內容本節內容n2.2.1 2.2.1 典型半導體材料典型半導體材料n2.2.2 2.2.2 半導體微結構材料半導體微結構材料n2.2.3 2.2.3 非晶態半導體非晶態半導體392.2.1 2.2.1 典型半導體材料典型半導體材料n典型半導體材料按其組成可以分為以下三類：典型半導體材料按其組

35、成可以分為以下三類：n（1 1）元素半導體）元素半導體n（2 2）化合物半導體）化合物半導體n（3 3）典型的半導體器件）典型的半導體器件40（1 1）元素半導體）元素半導體n僅由單一元素組成的半導體材料稱為僅由單一元素組成的半導體材料稱為元素半導體元素半導體。n現已確定大約有十幾種元素具有半導體的性質，它們基現已確定大約有十幾種元素具有半導體的性質，它們基本上處于本上處于AA族族AA族的金屬與非金屬的交界處，如族的金屬與非金屬的交界處，如AA族元素族元素B(B(硼硼) )， AA族元素族元素Ge(Ge(鍺鍺) )、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，如圖等，如圖2.22.2所示。所示。411) 1) 硅和鍺硅和鍺n硅和鍺的性質硅和鍺的性質n在半導體材料中，硅和鍺是公認的最優材料，應用廣泛，在半導體材料中，硅和鍺是公認的最優材料，應用廣泛，它它是第一代半導體材料的典型代表是第一代半導體材料的典型代表。n硅與鍺在晶體結構和一般理化性質上頗為類似。它們都具硅與鍺在晶體結構和一般理化性質上頗為類似。它們都具有有金剛石立方晶體結構金剛石立方晶體結構，化學鍵為共價鍵，每個原子貢獻，化學鍵為共價鍵，每個原子貢獻4 4個價電子。個價電子。n硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆。兩者相比，硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的

37、固體，硬而脆。兩者相比，鍺的金屬性更顯著。鍺的金屬性更顯著。n硅和鍺的主要性能見表硅和鍺的主要性能見表2.82.8（P56P56）。）。42 硅和鍺半導體材料硅和鍺半導體材料性質性質晶體的制備晶體的制備（1 1）直拉法）直拉法（2 2）區熔法）區熔法常溫下化學性質穩定不溶于鹽酸或稀硫酸等易與堿起反應在高純石墨舟前端放上籽晶，后面放上原料錠，建立熔區，將原料錠與籽晶一端熔合后，移動熔區，單晶便在舟內生長。在盛有熔硅或鍺的坩堝內，引入籽晶作為非均勻核，然后控制溫度場，將籽晶旋轉并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶方向長大。43硅和鍺的應用硅和鍺的應用 目前，電子工業中使用的半導體材料主要是硅，目前

38、，電子工業中使用的半導體材料主要是硅，是制造大規模集成電路的最關鍵材料。是制造大規模集成電路的最關鍵材料。 鍺單晶適于制造紅外透鏡、光學窗口和濾波片鍺單晶適于制造紅外透鏡、光學窗口和濾波片等紅外光學儀器。（等紅外光學儀器。（高折射率、低吸收率高折射率、低吸收率）442) 2) 硒硒n硒有幾種同素異構體，最重要是具有半導體性質的結晶硒。硒有幾種同素異構體，最重要是具有半導體性質的結晶硒。n硒且有金屬光澤，禁帶寬度硒且有金屬光澤，禁帶寬度E Eg g為為1.5eV1.5eV。n硒的晶格缺陷使硒成為空穴型導電的硒的晶格缺陷使硒成為空穴型導電的P P型半導體，但其空型半導體，但其空穴的遷移率很小，約穴

39、的遷移率很小，約0.1cm0.1cm2 2/(V/(Vs)s)以下，且隨溫度的升高以下，且隨溫度的升高而增大。而增大。n硒整流器硒整流器是最早的固體整流器之一，但其效率和允許電流是最早的固體整流器之一，但其效率和允許電流密度均遠低于鍺、硅整流器，因此，現在很少采用。密度均遠低于鍺、硅整流器，因此，現在很少采用。n硒具有光電效應，硒光電池可對整個可見光光譜都有較好硒具有光電效應，硒光電池可對整個可見光光譜都有較好的靈敏性。的靈敏性。45(2) (2) 化合物半導體化合物半導體n由兩種或兩種以上元素組成，具有半導體特性的化合物稱由兩種或兩種以上元素組成，具有半導體特性的化合物稱為為化合物半導體化合

40、物半導體。n化合物半導體的種類繁多，它包括化合物半導體的種類繁多，它包括晶態無機化合物及其固晶態無機化合物及其固溶體溶體、非晶態無機化合物非晶態無機化合物、有機化合物有機化合物和和氧化物半導體氧化物半導體等。等。n通常所說的化合物半導體，多指晶態無機化合物半導體。通常所說的化合物半導體，多指晶態無機化合物半導體。46n與硅、鍺、硒等元素半導體相比，化合物半導體具有許多與硅、鍺、硒等元素半導體相比，化合物半導體具有許多優良的特性。優良的特性。特別是當這些特性為硅、鍺所不具備時，就特別是當這些特性為硅、鍺所不具備時，就顯得尤為重要。例如，在發光器件、激光器件和高速器件顯得尤為重要。例如，在發光器件

41、、激光器件和高速器件等方面，一些化合物半導體得到了重要的應用。等方面，一些化合物半導體得到了重要的應用。廣泛應用于微電子和光電子領域；可制備發光器件、半導體激光器、太陽能電池和高速集成電路等。 禁帶寬度較大1.43eV介電常數和電子有效質量小、電子遷移率高l GaAs471) 1) 化合物半導體的分類化合物半導體的分類n化合物半導體按元素組成的不同可分為化合物半導體按元素組成的不同可分為二元化合物半導體二元化合物半導體和和多元化合物半導體多元化合物半導體兩大類。兩大類。n二元化合物半導體二元化合物半導體nA AA-AA-A族化合物半導體族化合物半導體 由由AA族族AlAl、GaGa、InIn和

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

43、素之間組成，族元素之間組成，典型的如：典型的如：SiCSiC。nD. A-AD. A-A族化合物半導體族化合物半導體 由由AA和和AA族元素組成，共族元素組成，共9 9種。如：種。如：PbSPbS、PbSePbSe、PbTePbTe等。等。nE EA-AA-A族化合物半導體族化合物半導體 由由AA和和AA族元素組成，如：族元素組成，如：BiBi2 2TeTe3 3、SbSb2 2SeSe3 3、SbSb2 2TeTe3 3等。等。49多元化合物半導體多元化合物半導體nA.B-A-(A)A.B-A-(A)2 2組成的多元化合物半導體組成的多元化合物半導體，如，如AgGeTeAgGeTe2 2。n

44、B.B-A-(A)B.B-A-(A)2 2組成的多元化合物半導體組成的多元化合物半導體，如，如AgAsSeAgAsSe2 2。nC.(B)C.(B)2 2-B-A-(A)-B-A-(A)4 4組成的多元化合物半導體組成的多元化合物半導體，如，如CuCu2 2CdSnTeCdSnTe4 4。n通常的化合物半導體材料的物理性質見表通常的化合物半導體材料的物理性質見表2.9(P59-60)2.9(P59-60)。50512)A-AA-A族化合物半導體族化合物半導體 nA-AA-A族化合物的結構為族化合物的結構為閃閃鋅礦型結構鋅礦型結構。n這種結構與金剛石結構相似，這種結構與金剛石結構相似，它含有兩種

45、原子，如砷化鎵的它含有兩種原子，如砷化鎵的砷和鎵，分別組成兩個面心立砷和鎵，分別組成兩個面心立方晶格，將兩個晶格沿空間對方晶格，將兩個晶格沿空間對角線位移角線位移1/41/4長度套合，即成長度套合，即成為閃鋅礦型結構，每個原子和為閃鋅礦型結構，每個原子和周圍最近鄰的周圍最近鄰的4 4個其他原子發個其他原子發生鍵合。生鍵合。52砷化鎵砷化鎵(GaAs)(GaAs)n砷化鎵是目前應用最廣的砷化鎵是目前應用最廣的A-AA-A族化合物半導體，族化合物半導體，是是第二代半導體材料的典型代表第二代半導體材料的典型代表。53A. A. 砷化鎵的性質砷化鎵的性質n其室溫下的禁帶寬度比硅、鍺大，達到其室溫下的禁

46、帶寬度比硅、鍺大，達到1.424eV1.424eV，這就決，這就決定了由砷化鎵制成的半導體器件定了由砷化鎵制成的半導體器件可以在較高的溫度下工作可以在較高的溫度下工作，適用于制造大功率器件；適用于制造大功率器件；n砷化鎵的電子有效質量小，僅為硅、鍺的砷化鎵的電子有效質量小，僅為硅、鍺的1/31/3以下，這使以下，這使得雜質電離能減小，在極低的溫度下仍可電離，保證了砷得雜質電離能減小，在極低的溫度下仍可電離，保證了砷化鎵器件能化鎵器件能在極低的溫度下工作，并使噪聲減小在極低的溫度下工作，并使噪聲減小；n砷化鎵的電子遷移率高，達到砷化鎵的電子遷移率高，達到8500 cm8500 cm2 2/(v/

47、(vs)s)，約為硅的，約為硅的7 7倍，倍，可用于制作場效應晶體管等器件可用于制作場效應晶體管等器件，滿足信息處理的，滿足信息處理的高速化和高頻化等要求；砷化嫁還具有較高的光電轉換效高速化和高頻化等要求；砷化嫁還具有較高的光電轉換效率，率，有利于制作激光器件和紅外光電器件有利于制作激光器件和紅外光電器件。54電子有效質量（補充）電子有效質量（補充）n并不代表真正的質量，而是代表能帶中電子受外力時，外并不代表真正的質量，而是代表能帶中電子受外力時，外力與加速度的一個比例系數。力與加速度的一個比例系數。n在準經典近似中，晶體電子在外力在準經典近似中，晶體電子在外力F F* *作用下具有加速度作用

48、下具有加速度a a* *，所以參照牛頓第二定律定義的所以參照牛頓第二定律定義的m m* *=F=F* */a/a* *稱作慣性質量。稱作慣性質量。n負的有效質量說明晶格對電子作負功，即電子要供給晶格負的有效質量說明晶格對電子作負功，即電子要供給晶格能量，而且電子供給晶格的能量大于外場對電子作功。能量，而且電子供給晶格的能量大于外場對電子作功。 n有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規律時，可以不涉及內部勢體中電子在外力作用下的運動規律時，可以不涉及內部勢場的作用。場的作用。55B. B. 砷化鎵單晶材料的

49、制備砷化鎵單晶材料的制備n砷化鎵單晶的制備主要有砷化鎵單晶的制備主要有從熔體中生長體單晶從熔體中生長體單晶和和外延生長薄層外延生長薄層單晶單晶等方法。等方法。n制備砷化鎵體單晶主要采用兩種方法：制備砷化鎵體單晶主要采用兩種方法：一種是在石英管密封系一種是在石英管密封系統中裝有砷源，通過調節砷源溫度來控制系統中的砷壓，這種統中裝有砷源，通過調節砷源溫度來控制系統中的砷壓，這種方法包括方法包括水平區熔法、定向結晶法、溫度梯度法、磁拉法和浮水平區熔法、定向結晶法、溫度梯度法、磁拉法和浮區熔煉法區熔煉法等。等。n另一種是將熔體用某種流體程蓋，并在壓力大于砷化鎵離解壓另一種是將熔體用某種流體程蓋，并在壓

50、力大于砷化鎵離解壓的氣氛中合成拉晶，稱為的氣氛中合成拉晶，稱為液體封閉直拉法（液體封閉直拉法（LECLEC技術）。技術）。用這用這種方法可在高壓下拉晶，因而成為制備具有高分解壓的化合物種方法可在高壓下拉晶，因而成為制備具有高分解壓的化合物半導體單晶的主要方法。半導體單晶的主要方法。56n目前國內外在工業生產中主要采用目前國內外在工業生產中主要采用水平區熔法水平區熔法和和液封直拉法液封直拉法制備砷化鎵單晶。制備砷化鎵單晶。n砷化鎵薄層單晶砷化鎵薄層單晶( (即膜材料即膜材料) )的制備方法主要包括的制備方法主要包括氣相外延生長法氣相外延生長法、液相外延生長法液相外延生長法以及以及氣束外延氣束外延

51、生長法生長法等。等。57C. C. 砷化嫁的主要用途砷化嫁的主要用途n自自GaAsGaAs出現以來，化合物半導體材料迅速崛起，并發揮越出現以來，化合物半導體材料迅速崛起，并發揮越來越重要的作用。與硅相比，化合物半導體具備一些獨特來越重要的作用。與硅相比，化合物半導體具備一些獨特的性能，因此，的性能，因此，在超高速、超高頻、低功耗、低噪聲器件在超高速、超高頻、低功耗、低噪聲器件和電路，特別是光電子器件和光電存儲器件方面有獨特的和電路，特別是光電子器件和光電存儲器件方面有獨特的優勢優勢，受到了廣泛的重視。，受到了廣泛的重視。n目前主要的化合物半導體材料在信息技術領域的應用情況目前主要的化合物半導體

52、材料在信息技術領域的應用情況見表見表2.102.10。58表表2.10 2.10 化合物半導體的應用化合物半導體的應用59 GaP禁帶寬度大2.25eV，帶間躍遷可發射550nm的綠光，摻雜后可發出黃、紅光發光二極管，廣泛用于交通、廣告等數字和圖像顯示。InP載流子速度高工作區長熱導率大主要用于制作光電器件、光電集成電路和高頻高速電子器件其他其他A-AA-A族化合物半導體及應用族化合物半導體及應用是目前發光材料中效率較高的材料！是目前發光材料中效率較高的材料！60InSb熔點較低，不易揮發，故易制；禁帶寬度較小InAs制成光電導型、光生伏特型和光磁電型三種探測器禁帶寬度較小可制成光生伏特型探測

53、器n這兩種材料性質相似，它們有顯著的這兩種材料性質相似，它們有顯著的磁阻效應磁阻效應，是制造霍爾器件和光磁電器件的良好材料。是制造霍爾器件和光磁電器件的良好材料。61磁阻效應磁阻效應（Magnetoresistance EffectsMagnetoresistance Effects）（）（補充補充）n是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。現象。n同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時，某一速度的載流子所洛倫茲力而產生的。在達到穩態時，

54、某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加。或者說，流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運動的載沿外加電場方向運動的載流子數減少，從而使電阻增加。這種現象稱為流子數減少，從而使電阻增加。這種現象稱為磁阻效應磁阻效應。623 3）BBAA族化合物半導體族化合物半導體nBBAA族化合物半導體主要有硫化鋅

55、、硒化鋅、硫化族化合物半導體主要有硫化鋅、硒化鋅、硫化鋅、硒化鎘和碲化鎘等。鋅、硒化鎘和碲化鎘等。n這些材料這些材料主要用于紅外光電器件主要用于紅外光電器件，其進展遠落后于，其進展遠落后于族材料，由于其熔點高，蒸氣壓大，不易獲得單晶，族材料，由于其熔點高，蒸氣壓大，不易獲得單晶，PNPN結制作困難，因此目前許多器件都是用多晶制作的，結制作困難，因此目前許多器件都是用多晶制作的，這就限制了它們在制作器件方面的廣泛應用。這就限制了它們在制作器件方面的廣泛應用。63 硫化鋅硫化鋅(ZnS)(ZnS)和硒化鋅和硒化鋅(ZnSe)(ZnSe)n硫化鋅具有閃鋅礦型和纖維鋅礦型晶體結構，是一種重要硫化鋅具有

56、閃鋅礦型和纖維鋅礦型晶體結構，是一種重要的發光材料。粉末狀硫化鋅是的發光材料。粉末狀硫化鋅是光致發光光致發光、陰極射線致發光陰極射線致發光和和電致發光電致發光材料。材料。n硫化鋅電致發光材料是在硫化鋅粉中加入活性劑銅、錳、硫化鋅電致發光材料是在硫化鋅粉中加入活性劑銅、錳、鉛等燒成的鉛等燒成的( (在很多情況下，還要添加氯、鋁等在很多情況下，還要添加氯、鋁等) )。n硫化鋅單晶或燒結片是良好的紅外窗口材料，單晶是硫化鋅單晶或燒結片是良好的紅外窗口材料，單晶是P P型型材料，可作激光調制器，也可以和一般為材料，可作激光調制器，也可以和一般為N N型和型和族族化合物化合物( (如硫化鎘如硫化鎘) )

57、組成異質結發光材料。組成異質結發光材料。n硒化鋅可用來制作黃光和綠光的結型發光器件。硒化鋅可用來制作黃光和綠光的結型發光器件。64硫化鎘硫化鎘(CdS)(CdS)、硒化鎘、硒化鎘(CdSe)(CdSe)和碲和碲化鎘化鎘(CdTe)(CdTe)n硫化鎘屬六方晶系，有很強的各向異性。硫化鎘屬六方晶系，有很強的各向異性。n粉末材料可制成電致發光器件、光敏電阻、光電池及太陽粉末材料可制成電致發光器件、光敏電阻、光電池及太陽能電池等。能電池等。n單晶材料主要用于紅外窗口、激光調制器、單晶材料主要用于紅外窗口、激光調制器、射線探測器。射線探測器。n單晶型硫化鎘光敏電阻不但在可見光區域使用是廣泛，具單晶型硫

58、化鎘光敏電阻不但在可見光區域使用是廣泛，具有很高的靈敏度，而且對有很高的靈敏度，而且對x x射線、射線、和和射線也很靈射線也很靈敏。敏。65n硫化鎘和硒化鎘的導電類型通常為硫化鎘和硒化鎘的導電類型通常為N N型。型。n碲化鎘可摻雜制成碲化鎘可摻雜制成PNPN結晶體，其化學鍵極性小，晶體的用結晶體，其化學鍵極性小，晶體的用途與硫化鎘晶體相似，用它制作的核輻射探測器可在途與硫化鎘晶體相似，用它制作的核輻射探測器可在150150下上作。下上作。n硒化鎘主要用做光敏電阻，具有比硫化鎘更寬的光譜響應硒化鎘主要用做光敏電阻，具有比硫化鎘更寬的光譜響應范圍和更快的響應速度，但其靈敏度隨工作溫度變化較大，范圍

59、和更快的響應速度，但其靈敏度隨工作溫度變化較大，在低照度下的靈敏度遠低于硫化鎘。在低照度下的靈敏度遠低于硫化鎘。66 4) 4)其他化合物半導體及應用其他化合物半導體及應用n碳化硅碳化硅(SiC)(SiC)和氮化鎵和氮化鎵(GaN)(GaN)n近年來，近年來，以碳化硅以碳化硅(SiC)(SiC)和氮化鎵和氮化鎵(GaN)(GaN)為代表的寬禁帶半為代表的寬禁帶半導體材料蓬勃興起，成為第三代半導體材料。導體材料蓬勃興起，成為第三代半導體材料。n碳化硅單晶一般為碳化硅單晶一般為N N型半導體，它具有寬的禁帶寬度，穩型半導體，它具有寬的禁帶寬度，穩定的化學性能，同時其臨界擊穿電壓、熱導率、飽和電子定

60、的化學性能，同時其臨界擊穿電壓、熱導率、飽和電子漂移速度均較高，因此，它被認為是高頻、大功率、耐高漂移速度均較高，因此，它被認為是高頻、大功率、耐高溫、抗輻射的半導體器件的優選材料。溫、抗輻射的半導體器件的優選材料。67SiCSiCn在這些苛刻的條件下，在這些苛刻的條件下，SiCSiC可以代替可以代替SiSi和和GaAsGaAs，成為各種，成為各種微電子器件的載體，可制作發熱器或紅外光源，用它制成微電子器件的載體，可制作發熱器或紅外光源，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碳化硅還適于制作發光二極管，能發黃、紅和天藍色的光。碳化硅還適于