功能无机材料-3-未修改-(1)

电导率>104 s/m
电导率无限大
电导率10-7 ~104 s/m
电导率 < 10-7 s/m
导体： ＜10-4·cm 如： Cu=10-6 ·cm 半导体：10-4 ·cm ＜ ＜107 ·cm
如 Ge=0.2 ·cm 绝缘体： ＞107·cm
导电功能材料按综合性质，功能与作用分类
主要的导电材料
2. 由各种介质极化的建立所造成的电流（电流引起的 损耗称为极化损耗）
3. 由介质的电导（漏导）造成的电流（电流引起的损 耗称为电导损耗）
2. 介质损耗定义
电介质在电场作用下，单位时间内消耗的 电能。
➢ 在直流电压下，介质损耗仅由电导引起
➢ 在交变电场下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有 关，还与松弛极化过程有关，所以它不仅决定于自 由电荷电导，还与束缚电荷产生有关（与频率有关 的量）。
目前已经发现的超导元素有20多种，超导合金 和化合物也有数千种. 1986年以前, Tc最高的超导体 是Nb3Ge (Tc=23.3 K), 其次是V3Si (Tc=17.3 K), 在很 长时期内一直是最主要的实用超导材料。
我们把处于超导态的超导 体置于一个不太强的磁场中， 磁力线无法穿过超导体，超导 体内的磁感应强度为零。
介电常数：电容器极板间充满电介质时, 电容增 大的倍数。 电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。
介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。
介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。
好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电 强度，较低的电导和介电损耗。
第三节 压电材料
一、压电材料的定义
这种抗磁现象最早于1933 年由 W.Merssner和 R. Ochenfeld做实验时发现，因而 这种现象又称作迈斯纳效应。
B0
B0
迈斯纳效应
第二节 介电材料
一. 电介质的定义与基本特征
在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场 的物质。
物质
电介质 是一类特殊的绝缘体。 半导体 导体
高电场作用
锌 ✓ 一般用作金属化纸介电容器：锌膜 易氧化、电阻率大、易被腐蚀
锡：一般作为蒸镀Zn的打底材料，性 质较为稳定
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引出线材料
框架 内引 脚
芯片接处电极
键合引线
材料——金线、铝线、铜线、铜合金线等
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3）薄膜导电材料
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集成电路分类—工艺
半导体集成电路
厚膜集成电路：在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制
作厚膜无源网络，然后连接二极管、三极管或半导体集 成电路芯片，构成一定功能的电路就是厚膜集成电路。 厚膜只能做电阻、介质和导体，不能做有源器件。厚度 为7um-40um之间。
薄膜集成电路
混合集成电路
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半导体集成电路 厚膜集成电路： 薄膜集成电路：薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、
二极管、电阻、电容和电感元件以及它们的互连线，全 部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多 种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、 溅射和电镀等工艺制成的集成电路。
四、介电强度
❖ 当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态 变为导电状态。这种现象称为介质的击穿。相应 的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场 强度。
❖ 击穿类型划分
虽然严格地划分击穿类型是很困难的，但为了便于叙 述和理解，通常将击穿类型分为三种：
热击穿 电击穿 局部放电击穿
❖ 热击穿
热击穿的本质是：处于电场中的介质，由于其中的介质 损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热 的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的 多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就 是热击穿
功能无机材料
第二章 电学材料
一、物质的导电性能
导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那 种物体。 （各种金属、电解质溶液） 绝缘体：电荷几乎只能停留在产生的地方的那种物体。
（云母、胶木等） 半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、光照、 杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。 （Si、GaAs等）
第一节 导电材料
• 什么样的材料属于导电材料？
• 导电材料的分类，电导率 （1）按电导率的不同 （2）按综合性质，功能与作用
导电材料是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种 材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、 引线和布线。
导电材料最主要的性质是良好的导电性能。一般情况下， 电阻率在10-7~10-4欧姆米。
电介质
导体
电介质的类型
➢ 气体 ➢ 液体
H2，空气，六氟化硫等 水，石油等
➢ 陶瓷
云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等
➢ 玻璃
钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等
➢ 离子晶体 NaCl等
介电性能：
➢电介质的极化 ➢介质的损耗 ➢介电强度
二、介质极化
1、极化现象及其物理量
➢ 偶极子的产生（在电场的作 －q
+q
用下，正负电荷重心的分离）
场后经10-12－10-13 s 即能产生极化。
（2）离子极化 由异号离子组成的晶体，如Nacl，在外电场作用下，
正、负离子均发生位移，见图（b），以一维排列的正、 负离子原来间隔均等，加了外电场后，正、负离子的相 对距离发生变化，产生了偶极矩。
（3）偶极极化 有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，
混合集成电路
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三、 超导材料
1911年，K. Onners(昂纳斯)研究金属汞在低温下的 物理性质时发现了超导性. 1933年，W. Meissner(迈斯纳) 等人又发现, 超导体处于超导态时完全排斥磁力线, 此即迈 斯纳效应.
超导体的零电阻和迈斯纳效应是超导态的两个极为重 要的独立的电磁特性. 从正常态转变为超导态的温度称为
❖ 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压 的晶体材料。
压电石英晶体材料
压电效应
❖ 1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发 现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产 生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为 压电效应。
(1) 金属材料，主要的导体材料 例如：Ag，Cu， Al
(2) 合金材料， 例：：Cu-X (X=Zn, Sn, Pb)，Ni-Fe
优点：改善机械强度，提高抗腐蚀性， Cu-Zn合金(Zn 20%以上，黄铜)随着
控制磁性和热膨胀率，熔点变低
含铅量的增加颜变浅，硬度增强
(3) 无机非金属材料， 例：C (4) 高分子导体(polymeric conductor) 例：聚乙炔(polyacetylene)
❖ 极化形式（两种）
位移极化
❖ 是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量 ❖ 电子位移极化、离子位移极化
松弛极化
❖ 这种极化与热运动有关 ❖ 完成这种极化需要一定的时间
（1）电子极化 由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。
而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场 时，电子云相对于原子核发生位移，因此产生感应电矩。 最简单的模型是图（a)所示的氢原子的电子极化。无外 电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云 与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电
ρ=RS/L ρ : 电阻率(electric resistivity); R : 电阻(resistance); S : 横截面面积。
某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的 在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电 阻率。电阻率的常用单位是欧姆·毫米和欧姆·米。
电阻率的倒数为电导率，电导率的单位称为西门 子/米（S/m）。
超导体的临界温度Tc 。
超导小实验：
在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很强的永久 磁铁，然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小 磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后， 便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁 力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮 力。
这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是 空间电荷极化。
离子极化 电子极化
位移极化
偶极极化 空间电荷极化
松驰极化
三、介质损耗
1、介质损耗的表示方法
介质损耗的形式
电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部 的电流有关。
加上电场后，通过介质的全部电流包括
1. 由样品几何电容的充电所造成的电流（简称电容电 流，不损耗能量）
导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材 料两大类。
根据使用目的的不同，除了导电性外，有时还要求有足 够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐 电弧、高的热导率等。
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一、 导体材料
物质的三种状态：固体，液体，气体
大多数 导电
大多数 不导电
反映固体的导电性能
• 导体材料按化学成分主要有以下四种
单位为F·m2（法·米2）
介质的极化强度（P） ：单位体积内的电偶极矩的总和
P V n•n••E lo c0••E
介质的极化强度（P）与 E为宏观物理量（电场强
度），x为电介质极化系数相联系。
2、介质极化
❖ 介质的极化（包括三个部分）
➢ 电子极化 ➢ 离子极化 ➢ 偶极子转向极化 ➢ 空间电荷极化
❖ 电击穿：
在强电场下，固体导带中的电子一方面在 外电场作用下被加速获得动能；另一方面与晶 格振动相互作用，把电场能量传递给晶格，当 电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动 的能量时，电子的动能就越来越大，导致电离 产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进 入不稳定阶段，电击穿发生。
五. 电介质的四大基本常数
1.金属导电材料的电气性质
金属的电阻率
金属名 银
铜
金
铝
镁
电阻率 1.62 1.72 2.40 2.82 4.34 μΩ.cm
电阻温度系数: R R 0 1 T T 0
绝
电阻温度系数
缘
体
R
金 属： T ，
半导体： T ，
半导体
T
影响金属电阻率的因素
✓ 杂质与缺陷：一般合金电阻率高于纯金属 ✓ 温度
合金：如铜合金，银铜、镉铜、铬铜、铍铜、锆 铜等；铝合金，铝镁硅、铝镁、铝镁铁、铝锆等。
✓ 机械性能或耐腐蚀性好
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2）电极与引出线材料
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普通电容器电极材料
电极蒸发材料：铜(易氧化)、银(贵)、 镉(贵)、铝、锌、锡
铝材——铝箔、铝膜 ✓ 铝膜导电性好，功耗低 ✓ 耐腐蚀 ✓ 沸点高，易于沉积
称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩， 如图（c）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章， 宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的 电偶极矩转向外电场方向，偶极极化也叫做转向极化。
（4）空间电荷极化 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯
度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，在外电场的作 用下，介质中的少量载流子会发生漂移可能在介质不均 匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。
发现：白川英橱等，2000年获诺贝尔奖
二、金属导电材料
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金属的导电机理
来自百度文库
金属是由原子构成的点阵， 每个原子的价电子是完全自由的
这是个理想化的理论
不论是金属，还是非金属导体 中电子的运动是在以导体空间 点阵为周期的势场中运动，电 子的势能是个周期函数，这就 是能带理论。
导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律 可视为和自由电子相似，由量子力学导出的电 导率公式仍和经典理论导出的公式形式上一样 。
➢ 电偶极矩的定义：q•l
E
➢ 方向为从负电荷指向正电荷
➢ 介质中的极性分子可看作偶极子(在电场的作用 下极性分子发生转向)
➢ 极化率（）：单位电场强度下，质点的电偶
极矩的大小。
E loc
其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场（它与宏观外电 场并不一定相同）。
表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其
✓ 压力： p 01 p
最常用的三种金属导电材料：铜、铝、铁，它们 的主要用途是制造电线电缆。
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2.金属导体的应用 1）电线电缆材料
纯金属：如铜、铝、铁等。
✓ 电阻率小：由小到大，银（Ag）、铜(Cu)、金(Au)、 铝(Al)、纳(Na)、钼(Mo)、 钨(W)、锌(Zn)、镍(Ni)、 铁(Fe)、铂(Pt)、锡(Sn)、铅（Pb）等。
电导率的物理意义是表示物质导电的性能。
维尔纳·冯·西门子 （Ernst Werner von Siemens） （1816-1892）:德国工程学家、企业家、电动机、 发电机、有轨电车和指南针式电报机的发明人， 改进过海底电缆,提出平炉炼钢法,革新了炼钢工艺, 西门子公司创始人。
二、电学材料按电导率分类