功能材料(半导体材料)
半导体材料
所以扩散和漂 + + + + + + 移这一对相反 + + + + + + 的运动最终达 到平衡，相当 + + + + + + 于两个区之间 没有电荷运动， + + + + + + 空间电荷区的 厚度固定不变。
扩散运动
PN结的单向导电性
PN结加上正向电压、正向偏置的意
思都是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意
按其功能及应用： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波 半导体材料、敏感半导体材料等； 按材料种类：无机半导体、有机半导体； 按化学组成：元素半导体、化合物半导体；
按结构：晶态和非晶态半导体
一、 元素半导体
在IIIA族-VIIA
族的金属和非金属
交界处大约有十几
种，如Ge, Si, Se, Te等，其中最重要 的有Si和Ge。
与金属和绝缘体相比， 半导体材料的发现是 最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯 技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界 认可。
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， 1833年，英国法拉第最先发现硫化银的电阻 随着温度的变化情况不同于一般金属，一般 情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但 法拉第是随着温度的上升而降低。这是半导 体现象的首次发现。 1835年，蒙克发现了单向导电现象。
3.2.4 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
符号
P 阳极
P
N
N 阴极
(2)、伏安特性 I
常用半导体材料有哪些种类
常见半导体材料种类半导体材料是一类在电子学和光电子学中应用广泛的功能材料，其电学特性介于导体和绝缘体之间。
常用的半导体材料种类有多种，每种材料都具有独特的电学和光学特性，适用于不同的应用领域。
1. 硅（Silicon）硅是最常见的半导体材料之一，广泛用于集成电路和光电子器件制造中。
硅具有良好的半导体特性、稳定性和可加工性，成本较低，是电子工业中的基础材料。
2. 碳化硅（Silicon Carbide）碳化硅是一种耐高温、高频率特性优异的半导体材料，主要应用于功率器件、高频器件和光电子器件中。
碳化硅具有较高的电子迁移率和热导率，适用于高温高频环境。
3. 氮化镓（Gallium Nitride）氮化镓是一种宽禁带半导体材料，在功率电子和光电子领域具有广泛的应用。
氮化镓器件具有高电子迁移率、高工作温度和较宽的带隙，适用于高功率和高频率应用。
4. 磷化铟（Indium Phosphide）磷化铟是一种用于光电子器件和微波器件的半导体材料，具有较高的光电转换效率和较高的电子迁移率。
磷化铟器件常用于光通信系统和毫米波雷达等领域。
5. 砷化镓（Gallium Arsenide）砷化镓是一种高速电子器件的关键材料，适用于高频率和光电子器件制造。
砷化镓具有优异的电子特性和较高的迁移率，常用于微波通信、光通信和太赫兹器件中。
总结以上是常见的半导体材料种类，每种材料都有独特的特性和适用领域。
在电子学和光电子学领域，选择合适的半导体材料对器件性能和应用效果至关重要，不同材料的特性可以满足不同需求。
随着技术的不断发展，半导体材料的种类和性能将继续拓展，为电子器件和光电子器件的应用提供更多可能性。
功能材料的分类
功能材料的分类
功能材料是指根据其特定的物理、化学或电学性质，在某些应用领域
中发挥特定的功能的材料。
根据其性质和应用，功能材料可以分为以
下几类：
1. 电子材料：主要包括半导体、金属、陶瓷等。
半导体材料广泛应用
于电子器件中，如晶体管、太阳能电池等；金属材料则广泛应用于导体、电极等领域；陶瓷材料则主要应用于压敏电阻器、介质等。
2. 光学材料：主要包括光学玻璃、光学薄膜等。
光学玻璃具有高透明
度和优异的光学性能，广泛应用于镜头、棱镜等光学元件中；光学薄
膜则广泛应用于反射镜、滤波器等领域。
3. 磁性材料：主要包括铁氧体、钕铁硼等。
铁氧体广泛应用于变压器、传感器等领域；钕铁硼则广泛应用于永磁体中。
4. 功能陶瓷材料：主要包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等。
氧化铝陶瓷
具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性，广泛应用于机械零件、切削工
具等领域；氧化锆陶瓷则广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。
5. 生物材料：主要包括生物陶瓷、生物塑料等。
生物陶瓷具有良好的
生物相容性和生物活性，广泛应用于人工关节、牙科修复等领域；生物塑料则广泛应用于医用注射器、输液袋等领域。
总之，功能材料在各个领域中都发挥着重要的作用，其分类也是多种多样的，不同的功能材料在不同的应用领域中都有着广泛的应用。
半导体功能材料
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电功能材料
电功能材料电功能材料是指具有特殊电学性能的材料，能够在电场、磁场或光场的作用下发挥出特殊的功能。
电功能材料广泛应用于电子器件、光电器件、能量存储和转换等领域。
1. 半导体材料：半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率，具有宽能隙和禁带。
它们可用于制作晶体管、二极管、太阳能电池等电子器件。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
2. 铁磁材料：铁磁材料是能够在外加磁场下形成强磁性的材料。
它们可用于制作电动机、传感器、磁记录等。
典型的铁磁材料有铁、钴、镍等。
3. 铁电材料：铁电材料是具有永久电偶极矩的材料，能够在外电场作用下产生电极化现象。
它们可用于制作压电陶瓷、声表面波器件、电容器等。
常见的铁电材料包括铁电单晶体、铁电陶瓷等。
4. 超导材料：超导材料是在低温下具有零电阻和完全磁通排斥的材料。
它们可用于制造超导磁体、超导电缆等。
常见的超导材料有铌钛合金、铜氧化物等。
5. 电致变色材料：电致变色材料是能够在电场作用下改变颜色的材料。
它们可用于制作智能窗、电子墨水等。
常见的电致变色材料有氧化镉、氧化钨等。
6. 光电材料：光电材料是具有特殊的光电特性的材料，包括光电转换、光电探测等。
它们可用于制作太阳能电池、光电转化器等。
常见的光电材料有硒化镉、硅、镓砷化物等。
7. 锂离子电池材料：锂离子电池材料是能够在充放电过程中嵌入锂离子的材料。
它们可用于制造锂电池、电动车、移动设备等。
常见的锂离子电池材料有锂铁磷酸盐、锰酸锂等。
总之，电功能材料的不同种类可以满足各种不同的应用需求，推动了电子技术、能源技术和信息技术的发展。
在未来，随着新材料的诞生和应用的扩大，电功能材料将继续发挥重要的作用，推动科学技术的进步。
功能材料是什么
功能材料是什么功能材料是指可以在产品设计和制造过程中赋予产品特定功能的材料。
它们具有特殊的物理、化学或机械性能，可以通过与其他材料的组合或特殊处理来实现所需的功能。
功能材料在各个领域的应用越来越广泛，包括电子、光电子、能源、生物医药、环境保护等。
以电子领域为例，功能材料可以用于制造半导体器件、光电器件、传感器、电池等。
例如，半导体材料可以用于制造晶体管、集成电路等电子器件，具有导电性能，并且可以根据控制其导电性调节电流。
光电器件中的光伏材料可以将光能转化为电能，广泛应用于太阳能发电等领域。
传感器中的功能材料可以将物理、化学等信号转换为电信号，用于测量温度、压力、湿度等参数。
在能源领域，功能材料可以用于制造高效能源存储和转换设备。
例如，锂离子电池中的正负极材料可以实现高能量密度和快速充放电性能，推动电动车和移动设备的发展。
燃料电池中使用的催化剂材料可以将氢气和氧气直接转化为电能，实现清洁能源的利用。
在生物医药领域，功能材料可以用于制造人工关节、人工心脏瓣膜等医疗器械。
例如，钛合金等生物相容材料可以用于制作骨折修复植入物，具有良好的生物相容性和机械强度，能够促进骨骼生长和修复。
生物陶瓷材料可以用于制造牙科修复材料，具有良好的生物相容性和美观度。
在环境保护领域，功能材料可以用于制造高效的污染物吸附和气体过滤材料。
例如，活性炭材料可以吸附有机污染物，用于水处理和空气净化。
纳米材料可以通过调控其孔径和表面性质来实现对有害气体的吸附和催化降解。
总之，功能材料是能够赋予产品特定功能的材料，在各个领域的应用非常广泛。
通过不断研发和创新功能材料，可以实现更加高效、环保、可持续的产品设计和制造。
功能材料概论3(导体半导体及材料性能)
（2）磁感应强度饱和性 当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 二、磁饱和性 磁畴都会转向与外场方向一致，这时的磁感应强度将达 到饱和值。 （3）磁滞性 在铁心线圈通有交变电流时，铁心将被交变磁化。电流变 化一次时，B随H而变化的关系如图所示：当H减少为零时， B 并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强 度变化的性质称为磁滞性。 B 1 不同物质的滞回曲线是不同的。 2
空带
E g
禁带
3 ~ 6eV (E 3 ~ 6eV ) g
满带 例如金刚石中两个碳原子相距 15nm时，△Eg=5.33eV。
满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常 温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此 其电导率很低。
7
3. 半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小 空带 半导体能带结构下面是价带， 价带是一个满价带；上面是导 带，导带是空的；满价带和空 带之间是禁带，其禁带宽度比 较窄，一般在1ev左右。价带 中的电子受能量激发后，如果 激发能大于Eg，电子可以从价 带跃迁到空带上，形成导带， 同时在价带中留下一个空的能 级位置--空穴。
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磁性物质的分类
根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：
(1)软磁材料 矫顽磁力较小， 磁滞回线较窄。 (铁心) B H (2)永磁材料 矫顽磁力较大， 磁滞回线较宽。 (磁铁) B (3)矩磁材料 剩磁大而矫顽磁力 小，磁滞回线为矩 形。(记忆元件) B H
H
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17
在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即 产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁 感应强度大大增加。就是说磁性物质被强烈的磁化了。 磁性物质被广泛地应用于电工 设备中，电动机、电磁铁、变压 器等设备中线圈中都含有的铁心。 就是利用其磁导率大的特性，使 得在较小的电流情况下得到尽可 能大的磁感应强度和磁通。 非磁性材料没有磁畴 的结构，不具有磁化 特性。
功能材料有哪些
功能材料有哪些功能材料是指具有特定功能、性能或特性的材料。
它们被广泛应用于各个领域，如电子、能源、医疗、环境等。
本文将介绍一些常见的功能材料及其应用领域。
1. 半导体材料半导体材料是一类在温度范围内具有中等电导率的材料。
它们在电子学中起着重要的作用，被用于制造各种电子器件，如晶体管、集成电路、太阳能电池等。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
2. 光学材料光学材料是指具有特定的光学性能的材料。
它们能够改变光的传播、发射、吸收等特性，被广泛应用于光学器件和光学系统中。
例如，玻璃是一种常见的光学材料，它被用于制造光学透镜、光纤等。
3. 磁性材料磁性材料是指在外加磁场作用下表现出磁性的材料。
它们具有吸引或排斥磁性的特性，在电子设备、电力系统和磁存储等领域得到广泛应用。
常见的磁性材料有铁、钴、镍等。
生物材料是指用于医学和生物科学领域的材料。
它们具有生物相容性、生物活性和生物可降解等特性，被用于制造人工关节、植入物、药物传递系统等。
常见的生物材料有金属、陶瓷、聚合物等。
5. 复合材料复合材料是由两种或更多种材料组合而成的复合材料。
通过不同材料的组合，它们能够提供超过单一材料的力学、电磁、热学等性能。
复合材料被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
常见的复合材料有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。
6. 纳米材料纳米材料是指颗粒尺寸在1到100纳米之间的材料。
由于其特殊的性质，纳米材料在电子学、光学、医学和催化等领域具有广泛应用。
常见的纳米材料有纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜等。
7. 能源材料能源材料是指用于能量转换和存储的材料。
它们能够将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，并在能源领域发挥重要作用。
常见的能源材料有锂离子电池材料、太阳能电池材料等。
催化材料是一类能够加速化学反应速度、降低反应温度或改善反应选择性的材料。
它们在化学工业、环境保护和能源转化中扮演着重要角色。
常见的催化材料有金属催化剂、氧化物催化剂等。
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2．多元化合物半导体 (1) IB-IIIA -(VIA)2组成的多元化合物半
导体，如AgGeTe2等。 (2) IB-VA-(VIA)2组成的多元化合物半
导体，如AgAsSe2等。 (3) (IB)2-IIB-IVA-(VIA)4组成的多元化
20世纪70年代以来，电子技术以前所未有 的速度突飞猛进，尤其是微电子技术的兴起， 使人类从工业社会进人信息社会。微电子技术 是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半 导体技术和集成电路技术。它集中反映出现代 电子技术的发展特点，从而出现了大规模集成 电路和超大规模集成电路。这样就促使对半导 体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料 的主攻目标更明显地朝着高纯度、高均匀性、 高完整性、大尺寸方向发展。
锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热 的浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合酸 中。
硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸及王水， 易被HF-HNO3混合酸所溶解，因而半导体工 业中常用此混合酸作为硅的腐蚀液。硅比锗易 与碱起反应。硅与金属作用能生成多种硅化物， 这些硅化物具有导电性良好、耐高温、抗电迁 移等特性，可以用于制备大规模和超大规模集 成电路内部的引线、电阻等。
VIIA族的金属与非金属的交界处，如Ge，Si， Se，Te等。 6.1.2 化合物半导体 1．二元化合物半导体
(1) IIIA族和VA族元素组成的IIIA-VA族化 合物半导体。即Al，Ga，In和P，As，Sb组成 的9种IIIA-VA族化合物半导体，如AlP，AlAs， Alsb ， GaP ， GaAs ， GaSb ， InP ， InAs ， InSb等。
6.2.2 硅和锗晶体的制备
生长锗、硅单晶的方法很多，目前锗主 要用直拉法，硅除了直拉法之外还用悬浮区 熔法。直拉法又称(Czochralski)法，简称CZ 法。它是生长元素和IIIA-VA族化合物半导 体单晶的主要方法。该法是在盛有熔硅或锗 的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后 控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉， 晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。
锗和硅都具有金刚石结构，化学键为共价键。锗和硅的 导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，为间接带隙半导体， 见图6-1。
图6-1 锗硅的能带电子迁移率为3800 cm2 ／V·s，硅为1800 cm2／V·s。
杂质对锗、硅电学性质的影响与杂质能 级在禁带中的位置密切相关。在锗、硅中的 杂质可分为两类，一类是IIIA族或VA族元素， 它们在锗、硅中只有一个能级，且电离能小， 一个杂质原子只起一个受主或施主作用， IIIA 族 杂 质 起 受 主 作 用 使 材 料 呈 p 型 导 电 ， VA族杂质起施主作用，使材料呈n型导电。 另一类是除IIIA、VA族以外的杂质。
6.1.4 非晶态半导体
原子排列短程有序、长程无序的半导体 称为非晶态半导体，主要有非晶Si、非晶Ge、 非 晶 Te 、 非 晶 Se 等 元 素 半 导 体 及 GeTe ， As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。
6.1.5 有机半导体
有机半导体分为有机分子晶体、有机 分子络合物和高分子聚合物，一般指具有 半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导 率为10-10~102Ω·cm。一些有机半导体具有 良好的性能，如聚乙烯咔唑衍生物有良好 的光电导特性，光照后电导率可改变两个 数量级。C60也属有机半导体。
此外，利用多种化学气相沉积技术， 可制造一系列薄膜晶体，其中分子束外延 技术可以人为地改变晶体结构，异质结、 超晶格、量子阱的出现，改变了人们设计 电子器件的思想，半导体材料的发展，有 着光明的前景。
6.1 半导体材料分类
6.1.1 元素半导体 元 素 半 导 体 大 约 有 十 几 种 处 于 IIIA 族 -
合物半导体，如Cu2CdSnTe4等。
6.1.3 固溶体半导体
固溶体是由二个或多个晶格结构类似的 元素化合物相互溶合而成。又有二元系和三 元系之分，如IVA-IVA组成的Ge-Si固溶体； VA-VA组成的Bi-Sb固溶体。
由三种组元互溶的固溶体有：(IIIA-VA)(IIIA-VA) 组 成 的 三 元 化 合 物 固 溶 体 ， 如 GaAs-GaP组成的镓砷磷(GaAs1-xPx)固溶体和 (IIB-VIA)-(IIB-VIA) 组 成 的 ， 如 HgTe-CdTe 两个二元化合物组成的连续固溶体碲镉汞 (Hg1-xCdxTe)等。
6.2 硅和锗半导体材料
6.2.1 硅和锗的性质
硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体， 硬而脆。两者相比，锗的金属性更显著。锗 的室温本征电阻率约为50Ω·cm，而硅的约为 2.3×105Ω·cm，硅在切割时易碎裂。
硅和锗在常温下化学性质是稳定的，但 升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发 生化学反应，所以在自然界没有游离状态的 硅和锗存在。
由直拉法生长的单晶，由于坩埚与材 料反应和电阻加热炉气氛的污染，杂质含 量较大，生长高纯单晶困难。工业上将区 域提纯与晶体生长结合起来，可制取高纯 单晶，这就是区熔法。在高纯石墨舟前端 放上籽晶，后面放上原料锭。建立熔区， 将原料锭与籽晶一端熔合后，移动熔区， 单晶便在舟内生长。
(2) IIB族和VIA族元家组成的IIB-VIA族 化合物半导体，即Zn，Cd，Hg与S，Se，Te 成的12种IIB-VIA族化合物半导体，如CdS， CdTe，CdSe等。
(3) IVA族元素之间组成的IVA-IVA族化 合物半导体，如SiC等。
(4) IVA和VIA族元素组成的IVA-VIA族 化合物半导体，如GeS，GeSe，SnTe，PbS， PbTe等共9种。
功能材料
Function Materials
主讲： 孙彦彬 副教授
第六章 半导体材料
半导体材料的发展与器件紧密相关。可 以说，电子工业的发展和半导体器件对材料 的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大 动力；而材料质量的提高和新型半导体材料 的出现，又优化了半导体器件性能，产生新 的器件，两者相互影响，相互促进。