信息材料终结版.doc

一信息材料概述1.信息材料：用以信息探测、传输、存储、显示和处理的材料。2.信息材料分类：A.按功能上分，可以分为：信息收集材料(力敏传感材料、热敏传感材料、光敏传感材料、磁敏传感材料、气敏传感 材料、温敏传感材料、压敏传感材料、生物传感材料等)信息传输材料(光纤、电缆、波导等)信息存储材料(磁存储材料、光存储材料、铁电介质存储材料、半导体动态存储材料)信息显示材料(液晶显示材料（LCD）、等离子体显示材料（PDP）、阴极射线管显料（LCD）、等离子体显示材料（PDP）、阴极射线管显示材料（CRT）、场发射显示材料（FED）、真空荧光显示材料、有机电致发光显示材料等)信息处理材料(包括Si、Ge等半导体材料，GaAs系列、InP系列、GaN系列半导体材料，SiO2等氧化物材料，微波铁氧体材料等)。B.按材料种类分：半导体信息材料、信息陶瓷材料、有机信息材料、信息薄膜材料2 信息收集材料1. 定义：用于信息传感和探测的一类对外界信息敏感的材料2. 传感器：能感受规定的被测量并按一定的规律转化成可用信号的器件或装置。3. 组成：敏感元件和转换元件A.敏感元件：直接感受被测量并将其按一定规律转换成与被测量有其他关系的确定量（非电信号）B.转换元件：将敏感元件输出的非电信号转换成所需的电信号。4. 分类：A.按原理分类：物理传感器和化学传感器B.按敏感材料不同：半导体、陶瓷、石英、金属、有机材料。C.按被测量分类：力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量。5. 主要内容:包括力敏传感材料、热敏、光敏、磁敏、气敏、温敏、压敏、湿敏、生物敏感力敏传感材料：在外力作用下，电学性质发生明显变化的材料。主要分为金属应变材料和半导体压阻材料。A.金属应变材料：金属的电阻随外界机械力的作用而发生变化B.半导体压阻材料：半导体的压阻远大于金属，因为其电阻变化不仅来自于与应力有关的几何形变也来自于材料本身电阻与应力有关。）热敏传感器：对温度变化而具有响应的材料。主要是半导体热敏电阻：PTC(掺杂的钛酸钡半导体陶瓷)NTC(过渡金属铁、钴、锰、镍氧化物半导体陶瓷)CTR（剧变型热敏电阻：具有负温度系数，并在某一温度，电阻发生急剧变化）（氧化钒及掺杂半导体陶瓷）光敏传感器：在光照下会因为各种效应产生光生载流子。（锗，CdS,CdTe）磁敏传感器：在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器用量最大。（N型半导体） 磁敏电阻材料是利用磁性各向异性的磁敏材料（磁场与电流方向平行时，电阻最大，垂直时，最小） 磁阻材料：材料的电阻随外加磁场的改变而发生显著性的变化。（霍尔效应）巨磁阻效应及巨磁阻在磁头方面的应用画图：6.压电材料：常见两类：压电单晶体材料和多晶体压电陶瓷压电单晶材料：石英、水溶性压电体多晶压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷7.压电效应：正压电效应：压电材料在收到某一方向的外力作用后，发生形变，同时内部产生极化现象，当外力撤除后，它又重新恢复到不带电的情况。逆压电效应：在某些材料计划方向上施加电场，这些材料在这一方向上产生机械形变或机械应力，当外电场撤销后，这些形变或应力也随之消失。8.磁电式传感器：利用电磁感应原理将被测信号转换为电信号(1).磁电感应式传感器：利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 恒磁通式：线圈切割磁力线 变磁通式：转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，电动势的频率取决于磁通变化的频率(2)磁栅式传感器：利用磁栅和磁头相互磁作用进行测量的位移传感器。（电磁感应原理）A. 磁栅：在不导磁材料镀上一层薄薄的磁膜，并录上间距相等，极性正负交错的磁性号栅条制成。B. 磁头：可以分为静态磁头和动态磁头静态磁头：（磁通响应式磁头）磁头与磁栅间没有相对运动也有信号输出，有两个绕组。动态磁头：（速度响应磁头）磁头与磁栅间有相对运动才能输出信号，有一个绕组。由周期性电流判断走过多好磁极。9.传感器特性A.静态特性：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、重复性、分辨率(1)线性度：用相对误差表示(2)迟滞：传感器在正反行程期间输入、输出曲线不重合的现象(3)重复性：传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。(4)灵敏度：在稳定条件下输出微小增量与输入微笑增量的比值(5)分辨率：用来表示仪器装置能够检测被测量最小变化的能力，以最小量程的值来表示B.动态特性：当输入量随时间变化时，如加速度、震动等。动态特性和静态特性的区别：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值而是时间的函数，它随输入信号的变化而改变。10.对传感器性能的要求(1)工作范围或量程应该足够大，具有一定的过载能力(2)与检测系统匹配性好，转换灵敏的高(3)精度适当，稳定性高(4)反应速度快，工作可靠性高(5)适应性和适用性强3 信息传输材料1. 通信电缆材料(1) 双绞线材料：双绞线由两根互相绝缘的铜线以均匀对称的方式扭绞在一起作为一条通信链路，以减小附近导线的电气干扰。(2) 同轴电缆材料：以硬铜线为芯，外面包裹一层绝缘材料，该绝缘材料用密织的网状导体环绕，网层外面再覆盖一层保护材料。优点：高带宽，极好的噪声抑制2. 光纤通信材料(1) 光纤的结构：纤芯：折射率较高，用来传送光包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤(2) 光纤通信的优点A. 传输频带宽，通信容量大B. 传输损耗小C. 抗电磁干扰强D. 线径细、质量轻E. 资源丰富(3) 多模光纤：在芯径大或数值孔径大的光纤的数值孔径内，允许多个具有不同入射角的光纤进入光纤传播。(4) 单模光纤：当光纤孔径很小或数值孔径很小时，光纤只允许与光纤轴一致的光纤进入光纤传播3. 微波传输材料平行双线：微波低频段矩形波导：微波高频信号圆波导：微波高频信号同轴线：微波高频信号带状线和微带天线：微波无线通信4 信息存储材料1. 信息存储材料：用于各种存储器的一些能够用来记录和储存信息的材料。这类材料在一定的强外场（如光、电、磁或热等）作用下发生从某一种状态到另一种状态的突变，并能将变化前后的状态保持较长的时间。2. 磁记录的基本过程：记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动离开气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从而在磁头线圈产生感应电压，电压正比于磁通的变化率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复，但是经过适当的电路处理以后就能重现记录信号。存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场，就可以抹除原先记录的信息，抹除后，记录介质又可以准备记录新的信息。磁记录材料的优缺点：可以方便地进行数据的存储和读取工作，可擦写，可反复利用，但是会出现退磁消磁等现象使信息丢失。3. 两种磁化模式：水平磁化模式、垂直磁化模式A. 纵向磁化模式：磁化方向与记录介质的运动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫顽力和采用薄的存储膜层。B. 垂直磁化模式：磁化方向和记录介质的平面相垂直的记录方式。它可彻底消除纵向磁记录方式随记录单元缩小所产生的退磁场增大的效应，因而更有利于记录密度的提高。同时对薄膜厚度和矫顽力的要求可更宽松。但其对信号的读出效率较差，要求磁头必须距记录介质面很近。4. 磁头A. 磁头：能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间隙产生漏磁通使磁性膜磁化。高密度存储材料的要求：磁头：高磁通密度-对记录介质进行有效磁化 高磁导率-有效地再生信号磁记录介质：高剩磁再生时获得足够大的输出 高矫顽力保持相对稳定的磁化状态，矩形比为1。B.磁头的种类：(作图)磁阻磁头：磁阻磁头主要采用Ni（Co，Fe）系列的铁磁合金材料，其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电阻率有较明显的变化。C.电磁感应式磁头和GMR磁头电磁感应磁头工作原理：输入信号磁头线圈铁芯+磁头间隙记录信息记录信息铁芯+磁头间隙磁头线圈再生信号磁电阻磁头工作原理：早期硬盘的传统磁头是电磁感应式磁头，它们是读写合一的，由于硬盘读、写操作的不同，这种二合一磁头就必须要同时兼顾到读写两种能力，对硬盘的设计造成了一定的不便。此后硬盘就开始采用了MR磁头，这种分离式的磁头结构是这样的：在写入磁头部分仍采用磁感应磁头，而MR磁头则作为读取磁头之用，这样便可以得到更好的读写性能，使读性能得以提高。磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的，核心是一片金属材料，其电阻随周围磁场的变化而变化。磁阻元件连着一个放大电路，它可以测出微小的电阻变化。所以先进的MR技术可以提高记录密度来记录数据，这样增加了单碟容量即是提高了硬盘的最高容量，也提高了数据传输率。然而随着单碟容量的不断增加，普通的MR磁头也走到了极限，于是1998年IBM首次在硬盘中使用了另一种采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头(Giant Magnetoresistive heads)，也称巨型磁阻磁头，这种磁头比MR磁头对微弱信号更加敏感，灵敏度是MR磁头的4倍，因此它能感应更加细微的磁场信号。采用GMR磁头可以在相同的盘面做更多的磁轨，当然就会有更大的容量D.磁头材料合金磁头材料：含钼坡莫合金和仙台斯特合金铁氧体磁头材料：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体非晶态磁头材料：Co-Fe-B微晶薄膜磁头材料：Fe-Ta-C等多层膜磁头材料：Fe-C/Ni-Fe磁电阻磁头材料：坡莫合金5. 磁记录介质及介质材料磁记录材料先后经历了氧化物磁粉、金属合金磁粉、金属薄膜三个阶段A. 性能要求：高出力，高记录密度，低噪声，高可靠性B. 记录介质应具备的条件： 饱和磁通密度、矩形比大、矫顽力在磁头允许的范围内尽可能大、作为磁化反转的单位体积尽可能小，大小分布均匀、磁学特性分布均匀，随机偏差小、表面光滑，耐磨损，耐环境性好、磁学特性对于加压加热不敏感、化学的，机械的耐久性优良、不容易导电C.颗粒涂布介质型记录介质：将磁粉、非磁性胶粘剂和少量添加剂等形成的均匀磁性浆料涂布于聚酯薄膜上制成。对颗粒介质的要求：(1) 颗粒状介质最好是单畴的(2) 颗粒的形状以针状为最佳(3) 颗粒状介质信噪比与成正比(N为单位体积内磁性颗粒数)(4) 样品开关场尽可能分布窄(5) 矫顽力在磁头的允许的情况下足够高(6) 居里温度必须比记录介质材料在使用、存贮和输运过程中的环境温度高颗粒状涂布介质的结构涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成(作图)涂布型磁盘结构：常用磁盘分硬盘和软盘两大类：硬盘是在厚度为1-2nm的铝合金盘基上附着磁记录层软盘是在可挠性PET(聚对苯二甲酸类)盘基上附着磁记录层磁性粉：-Fe2O3、包覆Co的Fe2O3、二氧化铬、金属磁粉、氮化铁、钡铁氧体金属磁粉特点是具有较高的磁感应强度和矫顽力，高的磁感应强度使其可在较薄的磁层内得到较大的读出信号，高的矫顽力使磁记录介质可承受较大的外场作用；金属磁粉的缺点是稳定性差，易氧化或发生其他反应。钡铁氧体应用于磁记录和磁存储的优势钡铁氧体来源丰富，成本低，有较高的矫顽力和磁能积（磁能积是衡量磁体所储存能量大小的重要参数之一），抗氧化能力强，是一种广泛应用的永磁材料。颗粒介质的优缺点优点：介质的磁性能由颗粒本身决定，其磁性能和非磁性可独立改造和控制 颗粒状涂布介质生产速度快，产量高，成本低 可提供或开发的颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制。缺点：磁性颗粒所占比重较小，使得涂层的磁性能和记录性能变差； 介质厚度较大 磁性颗粒分散性难以控制，很难产生具有理想记录特性的颗粒 在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效D.高记录密度连续薄膜介质薄膜介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成(在磁层和附加层也可增加一层缓冲层)。连续膜介质的磁性能、信噪比由于颗粒涂布介质。颗粒涂布型介质磁粉间存在胶黏剂，间隔原，静磁耦合较弱，磁滞回线矩形度较差，剩磁亦低。连续膜介质无须采用粘合剂等非磁性物质，晶粒间的磁性耦合也较强，磁滞回线矩形度较好，剩磁高，噪声低。基底和附加层：要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须保持基底清洁度和材料的兼容性为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有良好的抛光对于硬盘，基底的硬度很重要，因此需添加非磁性附加层来提高硬度附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷E.MRAM：具有快速存取、非易失性、抗辐射、抗干扰、低功耗、使用寿命长、成本低等优点，兼具了其它所有存储器的优点F.记录介质的前景技术：忆阻器（RRAM）这种电阻能够通过施加不同方向、大小电压，改变其阻值。由于可以使用不同阻值代表数字信号，忆阻器在计算机存储领域应用前景广泛。它使用单个元件就可以实现一组闪存电路的功能，并且耗能更少，速度更快。当把忆阻器与半导体电路混合时，可以大幅降低处理器芯片中用于存储的晶体管数量，明显降低成本。由于RRAM属于非易失性存储设备，其最直接的应用就是替代闪存，担当计算机以及各种消费电子设备中的长期存储任务。甚至还可能成为通用性存储介质，取代DRAM甚至硬盘的位置。 6. 光记录(1)光盘记录原理：信息的写入：将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚焦到记录介质上，是介质的光照微区发生物理或化学变化实现记录；信息的读取：低功率密度的激光扫描信息轨道，反射光通过光电检测器检测、解调出所要的信息。(2)光记录的优缺点，如何提高光记录的密度优点：非接触式读/写，光头与光盘间有12mm距离，因此光盘可以自由更换；高存储密度信息载噪比高，而且经多次读写不降低；信息位的价格低；抗磁干扰。缺点：光盘驱动器较贵，数据传输率较低，存储密度较低提高光盘的记录密度：光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限。缩短记录激光波长是缩小记录点间距，提高存储密度的关键。(3) 可擦重写光盘存储技术可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转（即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态与非晶态的反射率不同而作为探测信号。(4) 相变型光存储：相变型光存储介质主要为Te（碲）和非Te基的半导体合金。它们的熔点较低并能快速实现晶态和非晶态的可逆转变。两种状态对光有不同的发射率和透射率。但这种光存储介质多次读写后信噪比会下降。7.磁光记录(1) 磁光材料：具有显著磁光效应的材料，主要为石榴石型铁氧体薄膜。法拉第效应：当光入射到磁性介质时，其透射光的偏振面发生旋转的现象。克尔效应：当光入射到磁性介质时，其反射光的偏振面发生旋转的现象。(2) 磁光记录和读出原理磁光记录基本原理：基本原理是利用热磁效应来改变微小区域的磁化矢量取向。记录时，用聚焦激光局部照射希望记录的部位，该处温度升高，矫顽力下降，在该处施加反向磁场，使部位磁化发生翻转，从而实现磁记录。两种记录方式：磁光记录分居里温度写入和补偿温度写入两种方式。两种记录方式共同特点：记录居里温度的矫顽力比室温补偿温度写入下的矫顽力低得多。磁光记录读出原理：(3)磁光存储的优缺点：磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点，又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。8.半导体存储技术：目前的半导体存储器市场，以挥发性的动态随机存储器（DRAM)和静态随机存储器 (SRAM)及非挥发性的“闪存”存储器Flash)为代表。其中具有非易失性、高速、高集成度和电可擦除等优点的Flash是目前出货量最大的存储器产品。(1)FRAM: A.FRAM的存储原理是利用铁电晶体材料(如PZT, SBT, BLT等)的自发极化和在外界电场的作用下改变极化方向的特性来进行数据存储。B.优缺点：优点：FRAM具有高速、低功耗和抗辐照等优点缺点：存储容量小、可靠性差，铁电材料与传统CMOS工艺不兼容等。5 信息显示材料主要可以分为：液晶显示材料(LCD)、等离子体显示材料(PDP)、阴极射线管显示材料(CRT)、场发射显示材料(FED)、真空荧光显示材料、有机电致发光显示材料(1) LCD:在电场作用下，液晶分子偶极矩会按电场方向取向，使分子原有排列方式发生变化，引起液晶光学性质变化。(2) PDP：利用惰性气体在一定电压的作用下产生气体放电而形成等离子体，直接发射可见光，或发射真空紫外线以激发荧光粉发射可见光。6 信息处理材料半导体信息处理材料1. Si单晶的制备方法：A. 区熔法：利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。优缺点：不需要使用石英坩埚做容器，热源不发生热量，碳及有害杂质含量降低，但熔体与晶体界面复杂很难得到无层错的晶体，成本较高，需要高纯度的多晶硅棒作为原材料。B. 直拉法：工艺过程：籽晶熔接：加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间，将籽晶液面下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，以出去表面挥发性杂质同时可以减少热冲击。引晶和缩颈：当温度稳定后，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与溶体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升，硅在籽晶头部结晶。在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。放肩：略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。在放肩时，可判断是否为单晶。等径生长：在放肩后保持晶体直径不变的生长，此时要注意温度和提拉速度控制不变。收晶：加快拉速使晶体脱离熔体液面。优点：较好的直径控制 较好的缺陷控制 较好的杂质控制 缺点：与坩埚接触，易引入杂质2. SOI绝缘体硅材料(1) 定义：是一种硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现，有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。(2) 发展历程：随着芯片特征尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提升、闩锁效应和短沟道效应等。为克服这些问题，SOI技术应运而生。作为标准的CMO工艺的改进技术，SOI技术通过在两层基板之间封入一个绝缘的氧化层，从而将活跃的晶体管元件互相隔离。SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门路流到另一个晶体管门路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。(3) SOI器件的优点：寄生电容小，短沟道效应小，速度快，集成度高，功耗低，耐高温，抗辐射等。(4) SOI结构：SOI中”工程化”的基板结构主要由以下三层构成：A.薄薄的单晶硅顶层，在其上形成刻蚀电路B.相当薄的绝缘二氧化硅中间层C.非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面两层提供机械支撑。(5) SOI材料的特点A. 硅有源层和衬底之间加上了一层相当薄的绝缘层，消除了体硅CMOS闩锁效应B. 易于制备出使有源层完全耗尽的超薄SOI层C. 由于漏结面积减少，SOI器件中漏电流比体硅器件少2-3个数量级D. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐射在衬底中产生电子-空穴对导致电路性能退化E. SOI材料寄生电容小，有利于提高所制器件的性能F. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程G. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和热载流子效应大大减弱，提高了器件的可靠性H. SOI器件功耗低I. 可利用SOI器件制作三维集成电路(6) SOI材料的制备A. 注氧隔离：将氧离子注入硅中再经高温退火形成掩埋二氧化硅层B. 键合与背腐蚀：将一硅抛光片进行热氧化，形成二氧化硅层，再和另一个硅抛光片贴在一起，经热处理后使其键合牢固，再将有源硅层减薄制成SOI结构。减薄的方法有研磨后抛光，化学腐蚀和等离子体腐蚀等；该技术可避免离子注入造成的损伤和缺陷，但不易制得厚度低于100nm的硅膜。C. 智能剥离：智能剥离技术的主要工序是氢离子注入，晶片键合和热处理。被剥离的硅片还可以重复利用，可以获得高质量的硅有源层和完整性较好的二氧化硅掩埋层。D. 外延层转移：将硅进行阳极氧化形成多孔硅层；外延和热氧化，在多孔硅上外延生长成单晶硅层，再在其上形成氧化层；键合，将器件与支撑片键合，然后进行减薄和氢气气氛中退火提高键合强度；外延生长SOI层，层厚度易于控制，厚度均匀性较好，并减少晶体中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率。3. III-V族化合物(1) 优点：A. 材料的多元性：大大提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力B. 更高品质的载流子输运特性：满足高频、高速器件C. 直接能隙半导体：光电子发射D. 高频、高速、微波、光电应用电路的一体化对全功能材料的追求单片化多功能集成电路技术(2) GaAs类场效应晶体管的特点：缺乏类二氧化硅的稳定氧化物，空穴迁移率远低于电子(3) 高电子迁移率晶体管（HEMT）A. 结构B.工作原理：C.特点：GaAs异质结的导电不连续性：GaAs一侧形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高面密度的二维电子气；掺杂层与二维电子气的空间分离，降低杂质离子的库伦散射，提高二维电子气的迁移率D.解决了器件工作区内增加载流子浓度与提高载流子迁移率的矛盾，体现微波频率下工作的HEMT的优异特性。(4) GaAs的制备方法砷化镓单晶的制备可采取水平布里奇曼法（横拉法）或者液态密封法制备由于砷化镓对石英坩埚的腐蚀，需要去除砷化镓中的硅杂质A. 水平布里奇曼法：B.液态密封法：(5) 砷化镓的优势A. 性能优势：载流子有更优异的输运特性，器件及IC的工作频率可进入微波毫米波频段半绝缘特性：可作为较理想的微波电路基板材料优良的IC加工性能：可以解决微波频段的制作难题B.与硅基本特性比较：半绝缘性：衬底电阻：砷化镓远大于硅介电常数：砷化镓略大电子迁移率：大约为硅的10倍饱和电子速度：砷化镓略大器件最高工作温度：砷化镓的大抗辐照能力：砷化镓优异，硅差热导率：砷化镓热导率不如硅C.砷化镓在MMIC（功能电路-微波频率模拟IC）利用砷化镓类场效应晶体管在微波电路应用时的多功能性，可以解决MMIC中微波器件的结构平面化与设计简化问题。(6) 栅绝缘介质层发展历史及各自优缺点要求：缺陷少、漏导电流小、抗击穿强度高、稳定性好、与硅有良好的界面特性和界面态密度低。A. 二氧化硅：广泛应用，已制备出1.5nm介电性能良好、几乎无体缺陷和界面缺陷的二氧化硅超薄栅绝缘层。B. 氮氧化硅：当MOFET器件进入到深亚微米和亚0.1um的尺度范围后，氮氧化硅开始取代二氧化硅。克服短沟道效应的影响，并适合抵押低功耗电路工作的需要，通常要采用双掺杂栅结构。NMOS采用N型掺杂，PMOS采用P型掺杂。PMOS多晶硅栅中硼离子很容易穿透二氧化硅层扩散到沟道区，引起器件性能退化。氮氧化硅的优势较大的介电常数低的漏电流密度高的抗老化击穿特性C.高K材料进入到亚0.1um的尺度范围内，为了保证栅对沟道的良好控制，栅绝缘介质层将小于3nm，电子遂穿变得非常显著，因此出现高K材料但也存在问题，体缺陷态密度高、漏电密度大和硅的界面特性差等(7) 栅电极：串联电阻低和寄生效应小发展历程：铝：多晶硅：GexSi1-x:x连续调制其能带带隙W/TiN:改变W和金属氮化物的厚度可调整复合体系功函数；可经受高温处理工艺；未来铜将取代铝、钨、和TiN可作为Cu互联的扩散阻挡层材料(8) 存储电容材料A. 二氧化硅：B. 新型氧化物铁点材料：钛酸锶钡、PZT、钽酸锶钡等优点：保持电容值和面积尺寸不变的前提下，介质层厚度可以增大许多倍；缺点：较大的漏导电流，较高的体缺陷和界面缺陷、较低的介电击穿强度和硅工艺的兼容性等。(9) 局域互联材料多晶硅(电阻率高影响电路速度)、Al(与硅的共融点低)、难熔金属Mo、W、Ta等（与现有MOS工艺兼容性差）：硅化物复合结构可实现自对准、热稳定性好、与氧化硅界面特性好、与MOS工艺兼容等特点.广泛采用的结构：多晶硅/硅化物复合结构未来：CoSi2 TiSi2/CoSi2(10) 互联材料A. 铝、铝合金，二氧化硅优点：电阻率低、易淀积、易刻蚀、工艺成熟缺点：引线长度增加、连线层数增加，使电路的互联时间延迟，信号衰减及串扰增加；连线线宽的减小使电流密度增加，引起电迁移和应力迁移效应加剧，电可靠性下降。B.铜、聚酰亚胺、氟化氧化物、聚对苯二甲基、多孔二氧化硅等优点：电阻率更低，抗电迁移和应力迁移特性好；绝缘材料介电常数更小(减小寄生电容效应)缺点：铜污染；Cu淀积到硅上后退火会形成高阻硅化物；布线问题。提出增加扩散阻挡层(TiW、TiNx、Ta、TaNx等)；自对准填充、自动停止的双镶嵌技术(11) 钝化层材料通过在不影响已经完成的集成电路性能前提下在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽量减少外界环境对电路的影响，使电路封装后可长期稳定可靠地工作。钝化材料的发展历程:70年代双极型二氧化硅MOS：二氧化硅/磷硅玻璃四氮化硅：致密，阻挡钠离子，但应力大SiOxNy:6. 微波铁氧体(1) 旋磁性：两个互相垂直的稳恒磁场和电磁波磁场作用下，平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向传播，但其偏振面会不断地绕传播方向旋转的现象。(2) 微波铁氧体器件主要分为多晶和单晶两种。多晶材料按材料结构又可以分为：尖晶石型、石榴石型和磁铅石型。(3) 小型化微波铁氧体器件小型化微波铁氧体器件种类：A. 环形器：因为发射和接收信号共用一个天线，需要用环形器把信号区分开来。环形器示意图如右：图中标出序号的每一个臂相当于一个微波支路,箭头表示能流的方向。对一个理想的环行器,由臂1输入能量时只有臂2有输出,而臂3和臂4都没有输出。如果能量由臂2翰入,则只有臂3有翰l月,4、1两臂都没有翰出。同样,能量由臂3翰入时只由臂4翰出,由臂4输入时只由臂1输出。环形器工作原理：现在最常用的环形器是法拉第环形器和场移式环形器。法拉第器件是利用法拉第效应而应用的；场移式环形器是利用铁氧体非互易场移效应而制成的：当矩形波导中部分充填横向磁化的铁氧体时，则波导中电磁场的分布即与磁化方向和传播方向有关。这就是场移效应。B.隔离器：一种非互易的两端口微波铁氧体器件。它只容许电磁波单向通过，反方向传输的电磁波会产生很大的衰减,常用于振荡器与负载的隔离,消除电磁波反射造成的频率漂移等影响。法拉第旋转式隔离器，共振式隔离器(利用铁氧体的铁磁共振特性),场移式隔离器等C.移相器： 在磁化了的铁氧体内，自旋电子的磁偶极矩围绕着外加直流磁场（或材料内部的各向异性场）进动，进动的频率与直流磁场的大小成正比。铁氧体的磁导率呈张量形式，张量元素是材料磁化态的函数。当外加磁场的大小、方向发生改变时，铁氧体的磁导率就会发生变化，由此就改变了电磁波的传播常数。铁氧体移相器的工作原理实质上就是微波与磁化了的铁氧体内的自旋电子间的相互作用使微波的传播特性了发生变化，从而产生相移。.制备LTCC移相器基本流程A.LTCC要求B.LTCF工艺：LiZn 材料加入Mg、Bi助烧剂的研究LTCF移相器建模仿真设计片式LTCF移相器的模板设计及制作LTCC工艺实现LiZn铁氧体与陶瓷及银电极的共烧片式LTCF移相器测试调试(2)薄膜微波器件A. YIG以钇铁石榴石（YIG）为代表的微波铁氧体单晶材料比多晶材料的线宽小十至百倍以上，所以具有很低的铁磁共振损耗，且化学性能稳定，一致性好，电磁性能和声学、光学性能甚为独特，因此用途相当广泛。YIG 等单晶薄膜的开发与应用，可将微波铁氧体器件的尺寸缩小几个数量级，并有利于与微波集成（MIC）工艺相匹配，尤其是能量集中于薄膜表面而易于控制，所以可做成各种微波、磁光和磁泡器件。YIG 铁氧体单晶薄膜制备工艺主要有化学气相沉积法、液相外延法和溅射法等几种。早期 YIG 单晶薄膜制备方法大都采用化学气相沉积（CDV）工艺，由于这种工艺生长速度慢，气氛控制困难，膜厚也不够均匀，所以目前较多采用液相外延（LPE）法。LPE工艺简单，生长速度快，所获得的 YIG 外延膜经适当退火处理，可减少位错，消除局部应力，使薄膜的铁磁共振线宽进一步降低。采用Bi掺杂：少量的抗磁性的Bi3十离子进入YIG石榴石的十二面晶体位置(24c位)取代Y3+,离子后,在可见光及近红外光波段能够极大地增强法拉第效应众所周知,未掺杂的YIG石榴石的法拉第旋转是很小的,根本不具备实际应用价值。Bi:YIG薄膜具有较大的单轴磁晶各向异性,单轴磁晶各向异性的具体大小与Bi的含量以及薄膜的生长条件有关薄膜的居里温度点Tc随着Bi含量的增加而线性升高,而薄膜的磁光性能与Bi离子的引入和杂质离子Pb2+有关,它们对薄膜的光学性能和磁光性能影响很大,主要是对光吸收系数、法拉第旋转角和法拉第椭偏系数的影响B.反铁磁薄膜做滤波器C.薄膜Ba-M型器件由于 M 型钡铁氧体具有的高磁晶各向异性内场，降低烧结温度使其有望成为低温共烧铁氧体（LTCF)，应用于片式化的微波毫米波旋磁器件中。Ba-M铁氧体从优于c轴取向具有17KOe的磁各向异性，从而使零场时的铁磁共振频率36GHz，可制作自偏置微波器件，可通过用不同离子取代Fe离子来调整HA。线宽增宽的原因：薄膜的非均匀性（气孔和晶粒的非整齐排布）D.超材料：超材料也叫人工电磁材料,它具有自然材料所不具备的超电磁特性。一般是利用几种材料或者在一种材料上刻烛某一模型构造而成,并获得所需的电磁特性。目前,常见的超材料主要有左手材料,光子晶体，及左右手传输线(RLH)等(3)抗EMI器件前提：磁学知识的补充：1. 磁致伸缩：当温度下降到居里温度以下，伴随着自发磁化的出现，离子间的相互作用在不同方向上将出现差异，使得每个磁畴内的晶格发生自发形变。若在磁矩的方向上变形为椭球形，在退磁状态时，由于磁畴的杂乱分布，样品不表现出形变。当受到外磁场方向偏转，这样就引起整个样品在磁化方向发生形变。2. 漏磁通：3.磁芯开气隙，为防止磁芯饱和，高频变压器如果磁芯饱和，就相当于变压器的一侧是一个空线圈，他的电流很大，相当于短路，烧坏变压器。(1) 磁性材料分类：（作图）(2) 磁导率及影响因素起始磁导率：若材料从退磁状态开始，收到对称的交变磁场反复磁化，当这种交流磁场趋近于零时所得的磁导率。A.影响因素：畴壁的可逆位移和磁畴矢量的可逆转动B.提高起始磁导率的途径：i.提高材料的饱和磁化强度ii.降低磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数iii.减少杂质和内应力iv.改善微观结构：晶粒大，均匀，没有气孔、杂质及其他缺陷； 在晶粒内部不出现另相。所有非磁性物质析出物和气孔只能集中在晶界附近 晶粒内部有良好的均匀性振幅磁导率：如果交变磁场的振幅较大，振幅B比上振幅H所得增量磁导率：有偏置场作用时的磁导率有效磁导率：磁芯开气隙时的磁导率(3) 磁芯材料的损耗及减少措施A. 损耗：作磁芯的磁性材料从交变电场中吸收能量，其中以热的形式耗散掉的部分叫做磁芯损耗，它是由磁滞损耗、涡流损耗及剩余损耗构成。B. 磁滞损耗：磁滞损耗是由于材料存在不可逆的磁化过程，在静态磁化时只有磁滞损耗，磁滞损耗和磁滞回线的面积成正比。可通过降低Br和Hc来减小。C. 涡流损耗：变化的磁场在其空间产生涡旋电场，在涡旋电场的作用下，铁磁材料内部将产生涡旋电流，这样引起磁场强度H和磁感应强度B的振幅和相位在材料内部分布不均，并使B的相位落后于H的相位而增加一部分能量损耗。可以通过提高材料的电阻率及减小片状材料的厚度d来降低。D. 剩余损耗：它是由具有不同机制的磁弛豫过程引起的，在低频和弱磁场中主要是由于磁后效损耗，且与频率无关。高频下剩余损耗主要包括尺寸共振、畴壁共振和自然共振等引起。在铁氧体中剩余损耗占优势。可通过减少扩散离子浓度，抑制离子扩散的产生来降低；在工艺和成分配置上进行控制，使铁氧体在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。(4) 磁芯分类A. 按组成：单一、复合B. 按形状：闭路、开路(5) 变压器A. 三大功能：升降电流电压 为电子电路提供阻抗匹配 实现电气隔离B.低功率线性变压器主要特点：此类变压器的磁芯大多工作在弱磁场下(低功率)，变压器所传输的能量是分布在较宽的频谱范围内，要求在传输这些宽频带信号的过程中不产生波形失真(线性)。对铁氧体磁芯的要求：尽量高的磁导率；谐波失真系数尽量低；其他温度系数、居里温度、抗直流偏置等要求C.功率变压器特点：低功率线性变压器传输的功率低，不必考虑磁芯的饱和现象和工作温度问题。而功率变压器要传输较大的功率，必须将这两个问题作为设计时考虑的主要因素。此外，低功率线性变压器是一种宽频带的变压器，要求在较宽的频率范围内具有满足要求的传输特性。而相比之下，功率变压器则是一种窄带或者点频应用的变压器，主要要求在应用的点频上具有很高的传输效率。材料的要求主要要求Bs大，居里温度高，损耗低，具有较高磁导率。低频选用硅钢片，高频选用功率铁氧体材料；对功率铁氧体材料微观结构的要求：晶粒内无杂质，无缺陷，有较高的磁导率；晶粒的尺寸较小，而且均匀一致；晶界处聚集高电阻的杂质，晶界较薄；气孔小，而且仅存在在晶界处。(6) 电磁干扰可以分为传导干扰和辐射干扰两种类型。A. 传导干扰：加滤波器B. 辐射干扰：吸波材料、抗EMI器件位置离干扰源尽可能的近以减少辐射干扰C.传导干扰又可以分为共模干扰和差模干扰。抗EMI器件按工作原理可以分为I复合LC组合式抗EMI器件和吸收式抗EMI器件。对于吸收式抗EMI器件，则主要是利用铁氧体磁芯阻抗的频率特性来达到通低频阻高频的目的。七、纳米材料1. 基本的纳米效应：纳米效应包括表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应与宏观量子隧道效应、库伦堵塞效应、介电限域效应。(1) 表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。(2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸减小到光波波长、德布罗意波、玻尔半径、相干长度、穿透深度等物理量相当，甚至更小时，其内部晶体周期性边界条件被破坏，导致特征光谱移动、磁序改变、超导相破坏、非热力学结构相变等，从而引起宏观电、磁、光、热等物理性质变化。（特殊光学性质：对光谱强吸收，黑色金属 特殊热学性质：熔点显著降低 特殊磁学性质：矫顽力随尺寸的减小先是矫顽力骤增再是矫顽力很小很小，表现出顺磁性 特殊力学性质：纳米陶瓷有良好的韧性）(3) 量子尺寸效应：介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，大块材料中费米面附近的准连续的能带将分咧为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出一系列与宏观物体物体截然不同的反常特性。(4) 量子隧道效应：在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。STM工作原理：扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数有关。由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。(5) 库伦阻塞效应(单电子运输特性)：当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷”量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量为e2/2C,体系越小，C越小，能量越大。这个能量称为库伦堵塞能。(6) 单电子遂穿效应：单电子从一个纳米金属离子穿过隧道的势垒到另一个纳米体系的充放电过程称为单电子遂穿效应。(7) 介电限域效应：由纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象。2. 纳米材料制备纳米材料的常用制备方法，主要包括物理法（机械球磨法、真空冷凝法）和化学法（气相沉淀法、共沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、模板法、电纺丝法等）纳米微粒的制备方法分类：(1) 根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分为两大类：物理方法和化学方法。(2) 根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为气相法、液相法和固相法(3) 按反应物状态分为干法和湿法。大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优点：有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛刻，如高温高压、真空等缺点机械球磨法：靠球磨介质的重力以及旋转产生的挤压力对物料进行摩擦、冲击、剪切作用而实现对物料的细化，制备纳米材料。操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。是唯一一种自上到下制备纳米粒子的合成，但球磨过程中有污染；缺点是所制得粉体表面积小、粒径分散度大、部分处于无定型态。所以在压制成那纳米结构材料前需要进行部分重结晶。气体冷凝法：在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒或纳米微粒的方法。A. 原理：在蒸发过程中，原物质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却，在原物质蒸汽中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过程，在接近冷却棒的过程中，原物质蒸汽首先形成原子簇，然后形成单个纳米微粒，在接近冷却棒表面的区域内，单个纳米微粒聚合长大，最后在冷却棒表面积累起来。B. 气体冷凝法影响纳米微粒粒径大小的因素：惰性气体压力：惰性气体压力的增加，粒子变大。蒸发温度或速率：蒸发速率的增加，原物质蒸气压力的增加，粒子变大惰性气体的原子量：大原子质量的惰性气体将导致大粒子C. 纳米粉体粒径的控制：可以通过调节惰性气体压力、温度、原子量D. 气体冷凝法的优缺点优点：表面整洁，结晶组织好；粒度齐整，粒度分布窄；纯度高；粒度容易控制。缺点：化学合成法化学法是自下而上的方法，通过适当的化学反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。A. 化学合成的优势在于其可调性与多样性，分子水平上均匀混合。B. 缺点：化学气相沉淀法（CVD）化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。A. 定义：在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸汽形成很高的过饱和蒸汽压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。B. 化学气相沉积的特点：保形性：沉积反应如在气固界面上发生，则沉积物将按照原有固态基底的形状包复一层薄膜；可以得到单一的无机合成物质；若采用某种基底材料，在沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，即可得到各种特定形状的游离沉积物器具；可以沉积生成晶体或细粉状物质，甚至是纳米尺度的微粒；反应原料是气态或易于挥发成蒸汽的液态或固态物质。C.化学气相沉积优缺点优点：颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺尺寸可控和过程连续；可通过对浓度、流速、温度，组成配比和工艺条件的控制，实现对粉体组成，形貌，尺寸，晶相的控制。沉淀法：包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物，水合化合物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即可得到所需的纳米氧化物粉体。溶胶-凝胶法：用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。A. 优点：化学均匀性好；好纯度；颗粒细；该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分；烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低；制备设备非常简单，可制作大面积薄膜B.