信息材料-第1章.ppt

信息材料 物理科学与技术学院 信息材料 信息材料 信息材料 活字印刷术的发明人北宋毕升 活字印刷术 信息材料 本课程主要内容 第一章信息材料的基本概念 发展历程和应用范围第二章微电子芯片技术材料第三章半导体激光器材料第四章信息传感材料第五章信息存储材料第六章信息传输材料第七章信息显示材料 第一章导论 1 1信息材料的基本概念 现代信息技术是以微电子学和光电子学为基础 以计算机与通信技术为核心 对各种信息进行收集 存储 处理 传递和显示的高技术群 信息材料就是指与现代信息技术相关的 用于信息的收集 存储 处理 传递和显示的材料 1 1 1信息传感材料具有信息收集功能的器件主要是一些传感器和探测器 机遇 号火星探测器在火星工作电脑模拟图 美火星探测器发回火星壮观景象 组图 科学家们刚看到 机遇 号从火星发回的赤铁矿珠子照片时 他们还以为这是火星土壤里生长的 蓝莓 沙丘 是赤铁矿珠子形成的 勇气 号用显微镜拍摄的 GongGong 岩石的结构图片 这种岩石是火星上风和火山作用的结果 勇气 号拍摄的Gusev坑波纹状的沙地全境照片 机遇 号在Erebus坑拍摄的初级和次级岩石断层照片 这些断层有10几亿年的历史 是火星上风和水作用的结果 在太阳快要落山的时候 勇气 号在Husband山坡处拍摄了火星沙地照片 在较暗的光线下仍然能看到远近沙地层次分明的布局 火星上的佛得角 维多利亚坑都是为了纪念16世纪麦哲伦航海而命名的 勇气 号在火星Gusev坑附近拍摄的壮观的火星日落景观 例如金属型力敏传感应变器和半导体应变计等 热敏电阻 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 光电探测器 红外探测器等 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管等 气敏传感器 湿敏传感器 酶传感器 免疫传感器 DNA芯片等 第一章导论 热敏电阻 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 磁敏电阻 相对湿度传感器 压力传感器 湿敏传感器 气敏传感器 第一章导论 用来制作力敏传感器的信息传感材料有金属应变电阻材料和半导体压阻材料等 用来制作热敏传感器的信息传感材料有正温度系数和负温度系数 NTC 热敏材料等 用来制作光敏传感器和探测器的信息传感材料有光敏电阻材料 光电导型和光伏型半导体光电探测器材料 第一章导论 用来制作磁敏传感器的信息传感材料有半导体磁敏电阻材料和强磁性薄膜磁敏电阻材料 用来制作气敏传感器的信息传感材料有n型或p型金属氧化物半导体气敏材料 金属氧化物气敏材料和高分子气敏材料 第一章导论 用来制作湿敏传感器的信息传感材料有陶瓷湿敏材料和高分子湿敏材料 用来制作生物传感器的信息传感材料有生物酶 动植物组织 微生物 抗体 抗原和单链核酸 第一章导论 1 1 2信息存储材料具有信息存储功能的器件主要是一些存储器 半导体存储器 铁电存储器 静态随机存储器 动态随机存储器 手机存储器 移动存储器 电可擦除只读存储器 可编程只读存储器 磁带 硬磁盘 世界上第一个硬磁盘1956年 软磁盘 VCD DVD 蓝光盘 第一章导论 相应地 用来制作这些信息存储器件的信息存储材料主要有半导体存储材料 铁电存储材料 磁存储材料 有机光存储染料 磁光存储材料 相变存储材料 光谱烧孔材料 和分子存储材料 纳米存储材料等 第一章导论 1 1 3信息处理材料具有信息处理功能的器件分为微电子信息处理器件和光信息处理器件两大类 第一章导论 微电子信息处理器件主要是指可用来制作对电信号具有检波 倍频 混频 限幅 开关 放大功能的各种信息处理电路的场效应晶体管 双极型晶体管 点接触晶体二极管 肖特基势垒二极管 隧道二极管 变容二极管 雪崩二极管 体效应二极管等和以这些晶体管 包括二极管 为基本细胞的各种模拟集成电路 数字集成电路和微波集成电路 场效应晶体管 双极型晶体管 肖特基势垒二极管 平面隧道二极管 变容二极管 雪崩二极管 集成电路 第一章导论 用来制作微电子信息处理器件的信息材料主要有硅 锗等半导体材料和GaAs系列 InP系列等半导体材料 二氧化硅等氧化物材料 铝 铜等金属电极 引线材料等 第一章导论 光信息处理器件主要是指可用来对激光的相位 频率 偏振态和强度进行调制或对激光进行倍频 混频 光参量放大及光参量振荡等变频处理的器件 调制器 光开关 光参量振荡器 第一章导论 用来制作光信息处理器件的信息材料主要有电光调制材料 声光调制材料 磁光调制材料 非线性光学材料 GaAs系列 InP系列 GaN系列等半导体激光器材料 二氧化硅等氧化物材料等 第一章导论 1 1 4信息传输材料具有信息传输功能的器件主要是指用于光通信 微波通信 移动电话通信的一些器件 如用于光纤通信系统的光纤光缆 光纤连接器 光纤分路器 光发射机 包括半导体激光器 光隔离器 波分复用器 光开关 光衰减器 光纤偏振态控制器 光中继器 光接收机等 光纤通信实验箱 光纤光缆 光纤连接器 光纤分路器 光发射机 光隔离器 波分复用器 波分复用器 光中继器 光中继器 光接收机 第一章导论 用于光通信的信息材料主要是各种光纤材料 半导体激光器材料 光耦合材料 光波导材料 电光材料 掺饵光纤放大器材料 半导体光电探测器材料等 第一章导论 用于GSM蜂窝移动电话系统的移动通信手机 基站子系统BSS和网络交换子系统NSS等器件 第一章导论 用于GSM蜂窝移动电话系统的信息传输材料主要是用于手机的天线材料 Si基收发集成电路材料 用于基站子系统BSS和网络交换子系统NSS各种Si基或GaAs基集成电路的材料等 第一章导论 1 1 5信息显示材料具有信息显示功能的器件主要是指阴极射线管和液晶显示 LCD 等离子体显示 电致发光显示 场发射显示 真空荧光显示 VFD 等各种平板显示器 阴极射线管 液晶显示 等离子显示 电致发光显示器 真空荧光显示器 第一章导论 用于液晶显示的是各种液晶的混合物及用来制作TFT LCD中的薄膜晶体管的非晶硅 多晶硅和CdSe等半导体材料 用于等离子体显示的主要是能在真空中被紫外光高效激发的红 绿 蓝三基色荧光粉和用于放电辐射紫外光的He Xe或Ar Hg混合气体 第一章导论 用于交流粉末电致发光显示的是掺Cu Al Mn的ZnS基质发光粉 用于交流薄膜电致发光显示的有掺Mn或稀土元素的 VI族化合物半导体 氧化物和氟化物基质发光材料 第一章导论 用于LED的有以GaP为衬底的GaP系列半导体发光层材料和分别以Al2O3 ZnSe SiC为衬底的InGa系列 ZnSe系列和SiC发光层材料 用于OELD的有机分子电致发光材料主要可分为低分子系和高分子系两大类 第一章导论 1 2 1微电子材料发展历程 1 2信息材料的发展历程 硅在20世纪初已被人们用于无线电通信器件之一的矿石检波器 这是硅材料最早在信息技术领域的应用 第一章导论 锗在1941年就已被成功用于制作二极管 1947年贝尔实验室的巴丁 布莱坦和肖克莱研制成功全世界第一个锗点接触式三极管 1950年第一颗锗单晶拉制成功 第一章导论 第一颗硅单晶是在1952年拉制成功的 英国人达默于1952年率先提出了集成电路的概念 美国得克萨斯仪器公司的基尔比在1958年用锗材料制成了世界上第一块集成电路 1959年 美国仙童公司的诺伊斯采用平面工艺和pn结隔离技术 制成了第一块硅集成电路 第一章导论 人们在硅材料的基础上发展的一种称为绝缘层上的硅 SOI 的新一代硅材料 却有可能在沿用硅基工艺的基础上突破传统硅基集成电路芯片特征尺寸的极限 1 2 2光电子材料发展历程 电磁波谱 光电子技术主要包括半导体激光器技术 光纤通信技术 光存储技术 光显示技术 光电探测技术 光信息处理技术以及集成光路 光电子集成回路技术 第一章导论 1 光纤通信材料的发展历程 第一章导论 光纤由直径大约为0 1mm的细玻璃丝构成 它透明 纤细 虽比头发丝还细 却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构 通常 光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤 光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲 光纤星空 光纤星空系统一般采用50瓦的光源 背景采用天蓝色或者其它背影的星空或者星座绘画 也可以采用具有镜面反射效果的蓝色或者黑色材料 增加星点的反射和光芒效果 光纤亮点可以有颜色的变幻和闪烁效果 另外还可以增加流星的变化效果 光纤垂帘 闪点光纤 光纤瀑布 流瀑光纤 光纤垂帘是将塑料光纤处理成灯串的效果 采用数十根 数百根甚至更多根光纤垂直排列 自然垂放 组成细密的帘布装 光纤垂帘色彩变幻 晶莹亮丽 安装简便 是一类新颖的光纤装饰项目 光纤垂帘 闪点光纤 光纤瀑布 流瀑光纤 效果特点 1 整根光纤通体晶莹剔透 处理后的亮点如一串串的小灯泡 2 通过调节光源可以形成不同彩色的交替变化 3 采用氟塑料外层 柔软坚韧 不易折弯 强度高 4 可以任意组合 无论长度还是宽度可以任意根据需要加工制作 5 可以摆放在水池 瀑布 水幕墙中 水花光影更加晶莹多彩 6 可以任意摆放 效果各不相同 地面上 墙壁上 天花板上 也可以室外摆放 外墙上 房檐屋顶 树木花坛上等等场合 光纤灯串 光纤礼花树 光纤吊灯 第一章导论 目前 光通信使用的光波波长范围是在近红外区内 波长为0 8至1 8um 可分为短波长段 0 85um 和长波长段 1 31um和1 55um 由于光纤通信具有一系列优异的特性 因此 光纤通信技术近年来发展速度无比迅速 光纤通信 第一章导论 光导纤维 由光导纤维构成的光缆 第一章导论 早期的光通信中广泛使用传输0 8 0 9 m波长激光的短波长光纤 主要是多模光纤 配合GaAlAs半导体激光器工作 其缺点是损耗较大 人们又开发了传输1 3 1 6 m波长激光的长波长单模低损耗光纤 配合单模InGaAsP半导体激光器工作 第一章导论 光存储也是使用半导体激光器最多的领域之一 2 光存储材料的发展历程 密纹唱片 25年前 皮埃特 克拉默是飞利浦CD开发负责人 2007年8月14日 他向外界展示CD最早期的模型 2007年是CD光盘问世25周年 1982年8月17日 德国汉诺威附近的一条生产线上 一排排手掌大小的 散发出彩虹般光芒的塑料盘片呈现在人们面前 这就是人们后来所说的CD光盘 CD是由飞利浦和索尼联合研制成功的 第一批CD刻录的内容是理查 斯特劳斯的阿尔卑斯交响曲 即使今天播放出来 其效果依然同样逼真 自CD问世以后 唱片业开始进入一个全新的发展时期 老式的磁带和唱片逐渐退出历史舞台 取而代之的是品质更高的CD唱片 目前 CD仍然占据着唱片业营收额的大半江山 但其销售额自本世纪初开始下滑 一方面是受到网络文件共享迅速发展的影响 另一方面是受到其它娱乐内容的冲击 例如DVD和视频游戏 随着唱片公司大幅下调CD的售价和采取多种措施改进CD唱片格式 预计在很长一段时间里 CD都将占有一席之地 第一章导论 第一章导论 CD的设计灵感来自老式的乙烯基唱片 其革新性在于采用了0 1编码 利用激光扫描来读取光盘内容 这样CD唱片的音质永远也不会下降 据负责研发CD的飞利浦实验室光学研究部主管彼埃特 克莱默 PieterKramer 称 当初将CD推向大众市场是冒着相当大的风险 一切几乎是从零开始 第一章导论 飞利浦负责开发了大部分盘片和激光技术 索尼则负责数字编码技术 确保盘片的内容能够平滑 正确地播放出来 直到1982年秋天 两家公司才宣布正式将CD推向大众市场 CD一问世就获得了巨大的成功 索尼于1984年推出了DiscmanCD播放器 飞利浦也借旗下的宝利金推出了大量CD唱片 CD播放器还帮助飞利浦保住了欧洲第一大消费电子生产商的地位 直到诺基亚的崛起 到1986年 CD播放器的销售额已经超过了传统的磁带式录音机 1988年 CD的销售额超过了传统唱片 迎来了辉煌的发展时期 但最近几年 CD的销售出现了明显下滑 去年美国的CD销售为5 53亿美元 比2001年巅峰时期的7 12亿美元下降了22 克莱默甚至悲观地预计 MP3 iPod等后起之秀不久后将完全取代CD的地位 CD也许不会很快消亡 但其颓式已难以挽回 第一章导论 第一章导论 随着红光半导体激光器 650nm 的商品化 数字压缩技术 编码技术的提高和光存储材料的成功开发 20世纪90年代后期又出现了单面单层存储容量约为CD家族光盘7倍的DVD家族光盘 下一代更高存储密度的光盘是以GaN蓝光半导体激光器 400nm 为光源的高密度DVD光盘 单面单层容量约为25GB 聚焦物镜的数值孔径为0 82左右 蓝光光盘 Blu rayDisc 是下一代光存储技术中声音最为强烈的竞争者 主导蓝光光盘技术的是9家公司分别是三星 LG 飞利浦 夏普 索尼 松下 日立 先锋 和汤姆逊 于2002年5月合作成立了蓝光光盘组织 此后伴随着加入的戴尔 惠普 三菱电子和TDK4家大集团的加入使得声音日渐宏大 蓝光光盘 BD ROM 技术采用波长为450nm的蓝紫色激光 通过广角镜头上比率为0 85的数字光圈 它成功使聚焦的光点尺寸进一步缩小 而且蓝光光盘的盘片采用了新的0 1mm厚的光学透明保护层 以