功能无机材料

1、 1 半导体材料 Semiconductors12电导率介于绝缘体及导体之间易受温度、照光、磁场及微量杂质原子影响1.1 半导体材料概述能带理论34合适的禁带宽度高的载流子迁移率一定的导电类型适当的杂质浓度和相应的电阻率较高的载流子寿命半导体器件对材料的要求半导体器件对材料的要求1.2 半导体分类及特点1. 元素半导体Ge（锗）,Si（硅）,C（金刚石）、-Sn（灰锡）、P（磷）、Se（硒）、Te（碲）、B（硼）等固体单质 本征半导体（ Intrinsic semiconductor）：不含杂质（掺杂剂） 掺杂半导体（ Extrinsic semiconductor）：本征半导体加入掺杂剂而形

2、成5高纯半导体掺杂掺杂半导体 掺杂（ Doping ）：在高纯半导体中有意识地加入少量杂质以提高载荷体数量 施主杂质（ n-型半导体）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、Sb、Bi） 受主杂质（ p-型半导体）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B）6 n-型半导体（电子型，施主型）7 p-型半导体（空穴型，受主型）8 2. 化合物半导体由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的、具有确定的禁带宽和能带结构等半导体性质的化合物。 -族化合物半导体： A族元素B、A1、Ga、In和VA族元素N、P、As、Sb所形成的二元化合物 如GaAs、InP、GaN、G

3、aP、InSb、GaSb、InAs -族化合物半导体：B族元素Zn、Cd、Hg与VIA族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物 -族化合物半导体：A族元素Ge、Sn、Pb与VIA族元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物9 3. 固溶半导体具有半导体性质的固溶体 两种半导体互溶，如Si1-X GeX (其中x1) 化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-X AlXAs4. 非晶半导体 四面体结构半导体（如非晶态的Si、Ga、GaAs、GaP、InP、GaSb） 硫系半导体（如S、Se、Te、As2S3、As2Te3、Sb2S3）

4、 氧化物半导体（如GeO2、B2O3、SiO2、TiO2）1011（1）单晶硅 单晶硅具有准金属的性质，有较弱的导电性，而且其电导率随着温度的升高而增加，有显著的半导电性。机械强度高结晶性好自然界中储量丰富成本低可以拉制出大尺寸的完整单晶1.3 一些重要的半导体材料12(1)Performance and application计算机中央处理装置(即对数据进行操作部分)的基本单元晶体管双极型晶体管 场效应晶体管计算机存储器的基本单元13(2)Preparation制备方法22COSiC SiO还原提拉法或悬浮区熔法14(3)Research and development 研究开发方向优质大直

5、径（250300mm）单晶硅的研制生产，其均匀性要求很高；单晶硅中微缺陷的密度亦需进一步降低；制片后的氧化层错密度要求从100个cm-2降低至10个cm-2，氧化层错密度降低与氧、碳含量、工艺条件有关，特别是提拉单晶的速度和温度场的均匀性。（2）砷化镓（GaAs）单晶15很可能成为继单晶硅之后第二种最重要的半导体电子材料宽禁带，高电子迁移可以在较高的工作温度和工作频率下工作16(1)GaAsGaAs中电子的有效质量仅为自由电子质量的1/15， GaAs中电子速度更快制造出速度更快、功能更强的计算机，高频通信信号的放大器砷化镓中的电子激发后释放能量以发光的形式进行制作半导体激光器和光探测器1.4

6、 PN结 把本征半导体的两侧分别掺入施主型和受主型杂质，或者将一块n型和一块p型半导体结合在一起，两者的界面及其相邻的区域就称为PN结。 PN结的最大特性就是单向导电性。1718（1）热阻器 与金属不同，半导体的电阻率随温度升高是减少的，利用这种特性做成热阻器除可以用来测温外，还可以用于火灾报警。这是由于当热阻器受热时，电阻下降，就让一很大的电流通过电路，启动警铃。1.5 半导体材料的应用1920（2）压力传感器 半导体的能带结构与能隙宽度与半导体的原子间距有关，当压力作用在这种半导体上时，原子间距减小，同时能隙变窄，导电性增加。因此，可以根据电导来推算压力的大小。2122（3）光敏电阻器半导

7、体的电导率随入射光量的增加而增加。这种效应可用来制作光敏电阻，此处所说的光可以是可见光，也可以是紫外线或红外线，只要所提供的光子能量与禁带宽度相当或大于禁带宽度即可。23（4）磁敏电阻在通电的半导体上加磁场时，半导体的电阻将增加，这种现象称为磁阻效应。产生磁阻现象的原因在于加磁场后，半导体内运动的载流子会受到洛伦兹力的作用而改变路程的方向，因而延长了电流经过的路程，从而导致电阻增加。根据这种特性可做成磁敏电阻。24（5）光电倍增管光电倍增管是利用电子的受激发射，激发源起初是光子，而后是被电场加速的电子。假定一个非常弱的光源将价带中的一个电子激发到了导带中，而后，在电场作用下，这个电子被加速到很

8、高的速度并具有了很高的能量，它将激发一个或更多的其他电子，这些电子也将受这个电场的作用而加速再激发其他的电子，如此下去，一个非常弱的光信号就被放大了。25（6）发光二极管 26（7）整流二极管）整流二极管 利用PN结的单向导电性半波整流电路 27（8 8）齐纳二极管）齐纳二极管 Zener diodesZener diodes 利用P-N结的击穿特性 如果反向电压（偏压）增加到某个特殊值，对于一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观的增加。 28（8 8）晶体管）晶体管 Transistors Transistors 由二个P-N结组成 可以是P-N-P-型，也可以是N-P-N型2 超导材料

9、 Superconducting materials292.1 超导现象及其临界条件30 超导电性在超低温下失去电阻的性质 超导状态下的THJ界面31只有当电流、温度与磁场3个条件都满足规定条件时，才能出现超导现象。 临界温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。 临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。32超导材料的特性1. 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零2. Messner效应（完全抗磁性）：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定

10、值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零33迈斯纳效应超导材料的特性 约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波342.2 两类超导体 第一类超导体：在低于临界磁场Hc的磁场H中处于超导态时，表现出完全抗磁性，即在超导体内部B = 0 (HM) 0；在高于Hc的磁场中则处于正常态，B/0 H，M 0。35磁力线屏蔽电流第二类超导体 有两个临界磁场：下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2

11、。 当外磁场达到Hc1时，第二类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc2时，其体内的混合状态消失而转化为正常导体。36 37外磁场Hc1Hc1外磁场Hc2磁力线屏蔽电流2.3 超导理论简介 BCS理论：巴丁（Bardeen）、库柏（Cooper）和施瑞弗（Schrieffer）共同提出。 在BCS理论中，最重要的是库珀提出的电子对概念。38 当温度TTc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。39 4041超导的微观机制超导的微观机制2.4 超导材料发展42YBaCuO超导体的结构Tc =78.5K43YBa2Cu3O7-Re=稀土，如Y44HgBaCu

12、O超导体2.5 超导材料的应用简介 实用超导材料应具备下的条件： 尽可能高的临界条件，即高Tc、高Hc和高Jc 可以加工成带材、线材或薄膜 成本不太高。4546超导电机 采用超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场 可以降低25-40%的制造成本； 可以降低运行成本，增加运行效率； 可以减少电机运行时的振动和噪音； 可以将其体积和重量减少4/5； 具有更大的单机容量，能够达到1000MVA； 具有更加稳定的性能； 安装容易，维护简单。圆盘式超导直流电机471.励磁线圈，它是一个螺管形的超导磁体。置于低温容器内，用液氦做冷却剂2.真空绝热容器3.液体电刷4.固定在轴上的工作在常温下的两个电枢旋转圆盘5.转轴6.绝缘材料。 超导限流器 利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。 集检测、触发和限流于一体，反应速