半导体和电介质材料.ppt

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1、第六章 半导体和电介质材料,半导体材料 铁电、压电、热释电和介电材料,6.1 导体、半导体和绝缘体材料,导体的电阻率 10-5 10-4cm 半导体的电阻率 10-4 1010cm 绝缘体的电阻率 1010 1014cm,6.1.1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。,电子的共有化运动： 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

2、子运动到更远的原子壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动，这种现象称为电子的共有化运动。,共有化运动动画1,共有化运动动画2,金属中电子的共有化,四个原子的能级的分裂,八个原子的能级的分裂,能级分裂动画,当有n个原子相互靠近组成晶体,它们的能级便分裂成N个彼此靠得很 近的能级组成一个能带。,能 带：电子的共有化运动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。,由于n是一个非常大的数值，能级又靠的很近，所以每一个能带中的能级基本上可视为连续的，或 “准连续能级”,N10221023/cm3,GaN能带图,能带图可简化成:,禁带宽度,原子能级分裂为能带的示意图,能级

3、分裂动画,允带：允许被电子占据的能带称为允带，原子壳层中的内层允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。,6.1.2 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,金属、绝缘体、半导体的能带特征,半导体,绝缘体的

4、能带结构： 价带为满带， 禁带较宽 Eg36 eV,半导体的能带结构： 价带为满带， 禁带宽度 Eg02 eV,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。,本征半导体 在一定温度下，价带电子受到热激发而成为导带电子的过程 。,X Y Z C B A,Y Z C B A X,Z C B A X Y,空间电子运动示意图,空间空穴运动示意图,Electron conduction in n-type semiconductors (and metals),Hole cond

5、uction in p-type semiconductor,电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的准自由电子，对应于导带中占据的电子 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,半导体中的载流子：能够导电的自由粒子,电子和空穴共同参与半导体的导电。,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

6、的导电性。 本征半导体， n 型半导体， p型半导体,以硅中掺磷为例：,形成一个正电中心P+和一个多余价电子； 这个多余价电子受到的束缚很弱，使得它很容易挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动杂质电离；,施主杂质和施主能级,施主杂质动画,族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质或n型杂质。 释放电子的过程叫做施主电离； 施主杂质为电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心年，称为离化态。,以硅中掺硼为例：,形成一个负电中心B-和一个空穴； 这个空穴受到的B-束缚很弱，容易挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动杂质电离；,受主杂质和受主能级,受主

7、杂质动画,族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质或p型杂质。 释放电子的过程叫做受主电离； 施主杂质为电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心年，称为离化态。,含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴P型半导体，或空穴型半导体。,6.1.3 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；导电系数依次,银-0.016 铜-0.0172 金-0.023 铝-0.028 黄铜-0.067 铁丝-0.1-0.15 锌-0.06 铅-0.21 汞-0.958,大多数纯金属的导电系数随温

8、度升高而升高。,合金：向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导电材料即为导电合金材料。此类导电材料经不同方法的强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬度、耐蚀、耐磨、耐热等综合性能。如铜和铝的合金。 将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成的导电材料即为复合导电金属。如铜包铝线、铝包铜线等。此类导电材料有线、棒、板、片、管等各种型材。 非金属：如石墨等；可用作耐腐蚀导体和导电填料等。,6.1.4 半导体材料,非晶,单晶,多晶,负电阻温度系数是半导体的特有性质之一。,1.,光电导效应是半导体的特有性质之二。,2.,整流效应是半导体的特有性质之三。,3.,光生伏特效应是半导体的特有性质之四。

9、,4.,光生伏特效应是半导体的特有性质之四。,半,5.,霍耳效应的应用,判断半导体的导电类型 测定载流子浓度、迁移率、电导率 霍尔器件（感受磁场的能力）,选用迁移率高的半导体材料，在同样电场作用下，漂移速度大，加磁场后载流子受到的洛伦磁力大，霍耳效应明显。 常选用锑化铟、砷化铟、锗作霍尔器件。,霍尔元件基本结构,由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示。,四端元件,霍尔特斯拉计（

10、高斯计）,霍尔元件,磁铁,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 2.3105cm 50cm 禁带宽度 1.12 eV 0.66 eV 锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。,硅在太阳能电池上的应用 单晶硅 多晶硅 非晶硅,其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，,当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,由于半导体不是电的良导体，电子在通过pn结后

11、如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖pn结（如图 梳状电极），以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。,单晶硅棒 (直拉法、区熔法),扩散,注入,硅（111）晶面图,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1.43 eV 容易制成半

12、绝缘材料(电阻率107 109cm) 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。,分 类,半绝缘砷化镓,低阻砷化镓,高温区：高于GaAs熔点，维持熔融状态； 低温区：防止As挥发损失； 中温区：调整固液界面附件温度梯度，并抑制石英舟污染,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A族元素铝、镓、铟和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。,特点： 三种晶体结构：闪锌矿、纤锌矿和岩盐矿 宽禁

13、带半导体材料： InN-1.9 eV，GaN-3.4 eV，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,覆盖可见光及远紫外光的范围，可以制成从红外到紫外的发光管或激光器，实现三基色发光。,英国剑桥大学的研究人员发现一种生产发光二极管（LED）的新方法，他们说能在5年中将LED产品的成本降低多达75%。氮化镓可能是继硅之后最重要的半导体材料。它发出灿烂的光，将是下一代能在高温下使用的高频高能量晶体的关键材料。”剑桥大学氮化镓和材料科学中心(CCGN)主任科林汉弗莱斯教授说。,氮化镓LED的其他一些特征，也足以让传统节能灯相形见绌。估计价格约2英镑的氮化镓LED，能

14、点亮10万小时，一般说来60年才需要更换。氮化镓LED对环境也更友好，因为它不含水银，废弃部件的处理问题容易解决。氮化镓LED的使用更方便，能即时打开，它不闪烁，光线还可以调节。,“世贸天阶”上方的LED屏幕最初的LED光源能够发出来的颜色只是红色，进入到20世纪90年底，LED已经能够发出红、蓝、橙、黄、绿等单色。最终，进入到1998年之后，白光LED光源研发成功，现在RGB三色LED光源也已经得到了规模化应用。,LED显示产品日益增多 相比之下，因为对亮度要求不高，LED显示器、LED背光笔记本、LED电视都已经出现了相当数量的产品。,采用LED光源的投影机所带来最大的变化就是减少了机身的

15、体积，延长了灯泡的寿命寿命。在之前，普通的投影灯泡寿命仅有2000-4000小时，但是LED灯泡能够确保其试用寿命长达2万小时，而现在一个普通的投影机灯泡更换成本在2000-3000元，LED大大节约了用户后期的维护成本。,中科院半导体所 ,光谱特性：,散热特性：,LED芯片波长随注入电流的增加造成发光波长的严重不稳定。 均匀性和重复性成为外延技术的重要评价指标,10-20%发光，80-90%热量 大功率，老化、失效,全球功率半导体和管理方案领导厂商 国际整流器公司 (International Rectifier，简称IR) 推出行业首个商用集成功率级产品系列，采用了IR革命性的氮化镓 (G

16、aN) 功率器件技术平台。崭新的iP2010和iP2011系列器件是为多相和负载点 (POL) 应用设计的，包括服务器、路由器、交换机，以及通用POL DC-DC转换器。 iP2010和iP2011集成了非常先进的超快速PowIRtune驱动器IC，并匹配一个多开关单片氮化镓功率器件。这些器件贴装在一个倒装芯片封装平台上，可带来比最先进的硅集成功率级器件更高的效率和超出双倍的开关频率。 本篇文章来源于 :电源在线网 原文链接：,电介质功能材料,介电材料 铁电材料 压电材料 敏感电介质材料,电性材料,电导体功能材料,导电材料 电阻材料 超导电体,6.2 铁电、压电、热释电和介电材料,材料可按其对

17、外电场的响应方式区分为两类,一类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，这类材料称为导电材料,另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质,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。 介电常数： 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用表示，无量纲。,基 本 概 念,单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2。,在垂直于极化轴的表

18、面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。,电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，它与铁电性有密切关系。,热释电体： 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。这种性质称为热释电效应。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释电体。 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

19、料称为压电 材料。 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，在电场作用下而重新取向的材料。通常铁电体同时具有热释电和压电性。,6.2.1 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。,电滞回线：,在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。,使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强度（矫顽场）,Ps：饱和极化强度,Pr：剩余极化强度,ABCBDF GHKC,变化过程：,Ec

20、：矫顽电场强度,电畴：,铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，10m； 电畴与电畴之间的交界称为畴壁,两种：90畴壁 和 180畴壁,钛酸钡晶体表面电畴伪色图,居里温度Tc：,铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性，它有一临界温度Tc.，当温度高于Tc时，铁电相转变为顺电相，自发极化消失。,晶体顺电相-铁电相的临界转变温度Tc称为居里温度。,BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人们发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用于介电、压电元器件。1954年人工法成功制备出BaTiO3单晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是应用的最广泛和研究得比较透彻的一种铁电材料。,BaTiO3陶瓷材料,120

21、，立方晶胞,6120，四方晶胞,-906，斜方晶胞,-90，三方晶胞,BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方相、斜方相和三方相为铁电相，立方相为顺电相。,BaTiO3的晶体结构,BaTiO3在室温附近（20）为铁电相，当温度高于居里温度（120），铁电相转变为顺电相。顺电相BaTiO3的结晶学原胞如图所示：,在钙钛矿结构中，有一种非常重要的结构-氧八面体结构。钙钛矿结构中氧八面体结构和金刚石结构中的正四面体结构是固体物理学中两类非常重要的典型结构。,BaTiO3的介电-温度特性,介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介电常数一般为300

22、05000，在居里温度处（120）发生突变，可达10000以上。,常见的铁电材料: （1）BT：钛酸钡BaTiO3，钙铁矿结构，居里温度120 oC；（2）PT：钛酸铅PbTiO3，钙铁矿结构，居里温度492 oC；（3）PZT：锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3，钙铁矿结构，居里温度386 oC； （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。,6.2.2

23、 压电材料,压电效应： 1880年Cuire Pierr和Curie jacques兄弟在实验中发现，当在某些特定方向上对-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。,正压电效应,逆压电效应,晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。,晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效

24、应的过程称为逆压电效应。,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。,一元系压电陶瓷,二元系Pb(ZrTi)O3压电陶瓷,因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。,6.2.3 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

25、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,6.2.4 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。,6.2.5 铁电、压电和介电材

26、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,64K FeRAM,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；E0时表现出正、负剩余极化(Pr)，分别对应于存储的“1”和“0”

27、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。,当一个电场被加到铁电晶体时,中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时,它通过一个能量壁垒,从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后,中心原子保持不动,存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新,掉电后数据能够继续保存,速度快而且不容易写坏。,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

28、想的存储器。,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,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,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。,压电式刀具切削力测量示意图,压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。,压电式玻璃破碎传感器 （a） 外形; （b） 内部电路,它利用压电元件对振动

29、敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k。 子弹穿膛 生物医学-心室,压电式玻璃破碎报警器电路框图,PIX-30/4三维扫描仪,采用 动态压电传感器技术对实体物件进行超高精度 扫描，最小间距达50微米。能够扫描的实物包括：各种工业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼,压电陶瓷微位移器 （纳米级） 光纤的光学定位、光纤熔焊机、生物细胞穿刺、摄像,压电陶瓷点火器,清华大学研制的直径1毫米世界最小超声马达,利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子之间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。,