第6章电子与微电子材料..

Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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（1）绝缘陶瓷 Insulating ceramics
• 主要利用其绝缘性 • 电性要求：
– 介电常数9，介电损耗tg于2×10-4～ 9×10-3之间，电阻率要求大于1010•cm。
• 其它要求：
– 如：Pb(Mn1/3)Nb2/3)O3和Pb(CO1/3Nb2/3)O3 等组成的三元系。
• 铌酸盐系压电陶瓷
– 如Na0.5· K0.5· NbO3 、Bax· Sr1-x· Nb2O5 – 不含有毒的铅，对环境保护有利。
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（掺杂/或脱掺杂过程） 可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体
传感器。
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6.雷达隐身材料
导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体 之间变化——不同的吸波性能 密度小——轻 加工性能——薄 稳定性较好——高温使用
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4.生物传感器
葡萄糖传感 器、尿素传
感器、乳酸
传感器、胆
固醇传感器
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5.气体传感器
导电高分子与大气某些介质作用 ----电导率改变, 除去介质 ----恢复
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（2）介电陶瓷 dielectric ceramic
• 也称介质陶瓷 • 主要利用其介电性 • 按使用频率，可分为
– 高频介质陶瓷 – 微波介质陶瓷
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• 钛锆酸铅（PZT）：最有代表性的压电陶瓷 材料
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• 压电陶瓷应用：
– 换能器（超声、电声换能器等） – 陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压 发生器、红wk.baidu.com探测器、声表面波器件、 – 电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等
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BaTiO3的改性：
• 形成置换固溶体
– 置换Ba2的有Ca2、Sr2、Pb2等 – 置换Ti4的有Zr4等
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名称
结构
种类
聚乙炔
聚噻吩
种 类
(
S
)
n
聚吡咯
聚苯胺 聚 苯
(
(
N H
)
n
NH )
n
(
)
n
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导电机理
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6.2 介电材料
6.2.1 材料的介电性特征
• 介电材料： • 介电性—物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能产 生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。 • 介电材料也属于绝缘体，但更强调其可极化特征，电极化及 其分类：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 • 表征介电材料的基本参数：极化率α、介电常数ε、损耗角正 切tgδ • 宏观表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数 和介电损耗tg来表示
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高频介质陶瓷
• 电性要求：
– 高频电场（1MHz）下具有适中至较高的介电 常数（8.5～900） – 高频介电损耗小，tg小于6×10－4
• 主要由碱土金属和稀土金属的钛酸盐或它 们的固溶体构成
– 例如CaTiO3是由CaCO3与TiO2高温烧制而成
• 用于制作小尺寸高频电容器
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导电机理
自由基阳离子通过双键迁移 沿共轭高分子链传递
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导 电 高 分 子 的 特 性
1.电导率范围宽
导电高分子的特性
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6.2.4 铁电材料
• 定义，电滞曲线，剩余极化强度、矫顽电场强度
• 铁电陶瓷（Ferroelectric Ceramics）一定具有压电 性，但是压电陶瓷不一定 具有铁电性。 • 铁电陶瓷用途：制作铁电 陶瓷电容器，压电元件、 热释电元件、电光元件、 电热器件等。
– 较高的力学强度、耐热性、高导热性。
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绝缘陶瓷种类
• 主晶相为莫来石（3Al2O3•SiO2）的普通陶瓷 • 主晶相为刚玉－Al2O3的氧化铝陶瓷 • 镁质陶瓷
– 晶相为含镁硅酸盐（MgO―Al2O3―SiO2系）
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高分子发光二极管具有
颜色可调、可弯曲、大 面积和低成本等优点 ——实用化的突破口
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3.二次电池
高分子掺杂态 储存电能、脱 掺杂过程中释
放电能
——全塑电池
输出电压3V、电池容量3mA.h，复充放电上千次
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6.1.3 聚合物导电材料
• 种类：
–结构型导电高分子（本节内容）
–复合型导电高分子（普通高分子混入导电填料）
• 结构型导电高分子
–是指具有共轭π键，其本身或经过“掺杂”后
具有导电性的一类高分子材料。
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6.1 导电材料
• 导电材料的定义 • 载流子 • 分类
6.1.1 金属导电材料 • 分类 • 作为金属导电材料使用的要求 • 金属导电性的影响因素
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–高的介电常数，r在30～200之间 –高稳定性，频率温度系数要小 –微波频段介质损耗要小，tan<10-4，Q≥10000
• 代表性的微波介质陶瓷包括BaO－TiO2体系、钙 钛矿型陶瓷、(Ba,Sr)ZrO3、CaZrO3、 Ca(Zr,Ti)O3、Sr(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3等 • 应用：制作谐振器、滤波器、介质天线、介质导 波回路等微波元器件
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(
N
N
)
0.8V H+ n
全 氧 化态PNB +e -e
紫色
(
N H
N
)
(
+
N H
N) H n
中 间 氧 化态EB +e -e
H
蓝色
0.5V
绿色
(
N N
N N)
H
n n -0.2V
全 还原态LEB
淡黄 色
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6.1.2 快离子导体
• 肖特基导体（晶格空位机理）、弗仑克尔导 体（间隙离子运动） • 本征离子电导和杂质离子电导 • 快离子导体和固体电解质 • 影响导电离子迁移的因素
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（1）电子导电陶瓷
• 非金属元素的碳化物、氮化物以共价键为主， 金属键为辅。这几类化合物构成的陶瓷都是电 子导电
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（2）离子导电陶瓷 • 利用离子的迁移导电（固体电解质，或快离 子导体） • 阳离子导体：利用阳离子迁移导电
– 如-Al2O3的系：通式为nA2O3•M2O，A代表三价 金属A13、Ga3、Fe3等，M代表一价离子 Na、K、H3O等
• 阴离子导体：利用O2-或F-阴离子迁移导电
– 萤石结构氧化物(ZrO2、HfO2、CeO2等) – 钙钛矿结构氧化物(LaAlO3、CaTiO3)。
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电子与微电子材料
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本章内容
6.1 6.2 6.3 6.4 导电材料 介电材料 半导体材料 微电子材料与芯片
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2.掺杂-脱掺杂过程可逆
导电高分子不仅可以掺杂，而且还可以脱掺杂， 并且掺杂-脱掺杂的过程完全可逆。
3.响应速度快
(10-13 sec)
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4.有电致变色性
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导电高分子的应用
导电高分子的应用
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1.发光二极管
报道
2.分子导线
1990 年R. H. Friend首次 一个分子类似于一根导线 可用于高灵敏度检测、超大
规模集成技术等 “模板聚合、分子束沉积等 方法制备“分子导线” 或导电高分子微管(或纳米管)
• 钡长石瓷（BaO•Al2O3•2SiO2）
– 由高岭土与BaCO3烧制而成 – 高温介电损耗小，用作电阻瓷。
绝 缘 子
• 高导热绝缘陶瓷
– BeO陶瓷 – 非氧化物类陶瓷，如AlN、Si3N4、SiC、BN等
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ceramic capacitor
Single-layer
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Multilayer
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微波介质陶瓷
• 应用于微波频段(300MHz～300GHz)电路中作为介 质材料并完成一种或多种功能的陶瓷 • 电性要求：
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• 微波介质陶瓷的应用：制作谐振器、滤波器、介 质天线、介质导波回路等微波元器件
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6.2.2 压电材料
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7.电显示材料
掺杂/脱掺杂实现导体-绝缘体之间的转变， 且电位、pH、掺杂量等变化伴随颜色变化 ——可用于电显示
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• BaTiO3：典型的铁电陶瓷
– 随温度变化，晶相结构发生改变。 – 很高的介电常数，特别是在其居里点Tc（120℃） 附近， 可高达6000 – 损耗因子可高达0.01～0.02
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• 压电效应和逆压电效应 • 压电陶瓷：具有压电效应，能够将机械能和电能 互相转换的功能陶瓷材料。
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常用的压电陶瓷
• 钛酸钡系 • 钛酸铅－锆酸铅二元系 • 二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属 离子，B表示四价金属离子或几种离子总和 为正四价)型化合物
– 如SiC、MoSi2电热材料
• 某些氧化物陶瓷通过加热或者用其它的方法激 发，使外层电子获得足够的能量成为自由电子 而具有导电性
– 如氧化铝陶瓷、氧化钍陶瓷及由复合氧化物组成的 铬酸镧陶瓷，都是新型的高温电子导电材料
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