1、研究意义研究意义n 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。建材等起着重要作用。n功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为大的高技术产业群，有着十分广阔的
2、市场前景和极为重要的重要的战略战略意义。意义。 n功能材料是新材料领域的功能材料是新材料领域的核心核心，对高新技术的，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发的关键材料，成为世界各国新材料
3、领域研究发展的重点，也是展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞世界各国高技术发展中战略竞争的热点。争的热点。 n鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。视功能材料技术的研究。 n2001年日本文部省科学技术政策研究所发布年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的的100项重要课题项重要课题,一半以上的课题为新材料或一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均而其中绝大部分均为功能材料。为功能材料。n欧盟的第六框架计划
4、和韩国的国家计划等在他欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们的最新科技发展计划中们的最新科技发展计划中, 都把功能材料技术都把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。列为关键技术之一加以重点支持。n当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，材料的分子、原子设计等正处于日新月异破，材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家发达国家强化其经济及军事优势强化其经济及军事优势的重要手段。的重要手段。 国内功能材料发展的现状和差距国内功能材料发展的现状和差距 n我国非常重视功
5、能材料的发展，在国家攻关、我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在能材料都占有很大比例。在“九五九五”“”“十五十五”国防计国防计划中还将特种功能材料列为划中还将特种功能材料列为“国防尖端国防尖端”材料。材料。n在在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，
6、材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果。了一批接近或达到国际先进水平的研究成果。n功能材料还在功能材料还在“两弹一星两弹一星”、“四大装备四颗星四大装备四颗星”等等国防工程中做出了举足轻重的贡献。国防工程中做出了举足轻重的贡献。n我国目前功能材料的我国目前功能材料的创新性研究创新性研究不够，申报的专利数，不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进
7、和发展。改进和发展。n我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。的支撑。 目的与任
8、务目的与任务n本课程的授课对象是材料化学专业本科生，属本课程的授课对象是材料化学专业本科生，属材料类专业选修课。材料类专业选修课。n本课程主要介绍功能材料的本课程主要介绍功能材料的研究现状研究现状和和发展趋发展趋势势，一些常见功能材料的，一些常见功能材料的基本知识基本知识、种类种类、特特点和应用点和应用，有助于学生，有助于学生拓宽拓宽专业知识面，同时专业知识面，同时加深加深对专业的认识和应用。对专业的认识和应用。 课程的基本要求和特点课程的基本要求和特点n通过本课程的学习，学生能了解功能材料目前的研究通过本课程的学习，学生能了解功能材料目前的研究范围和进展趋势，掌握功能材料的含义、特点及常见范
9、围和进展趋势，掌握功能材料的含义、特点及常见功能材料的基本知识，熟悉各类功能材料的组成、性功能材料的基本知识，熟悉各类功能材料的组成、性能和应用。能和应用。n本课程的特点：涉及知识点多和应用领域较广，包括本课程的特点：涉及知识点多和应用领域较广，包括力学、电学、光学、磁学等功能材料。力学、电学、光学、磁学等功能材料。n课堂讲授上，讲清基本概念、基本原理及目前的研究课堂讲授上，讲清基本概念、基本原理及目前的研究和应用现状及发展趋势。和应用现状及发展趋势。n课后认真对所学新材料进行资料查阅，以对其发展趋课后认真对所学新材料进行资料查阅，以对其发展趋势、应用领域等有更广泛、深入的了解。势、应用领域等
10、有更广泛、深入的了解。 授课安排授课安排n学时：学时：32（112周）周）n常用功能材料常用功能材料（电性材料、磁性材料电性材料、磁性材料、光学材、光学材料、料、功能转换材料功能转换材料）n特种功能材料特种功能材料 （能源材料能源材料* * *、智能材料、梯度、智能材料、梯度功能材料、生物医学材料、功能薄膜材料功能材料、生物医学材料、功能薄膜材料 ） 考核方式考核方式n考试考试n总评成绩平时成绩（包括考勤、作业、上课总评成绩平时成绩（包括考勤、作业、上课听讲等，占听讲等，占30 %）期终考试成绩（占）期终考试成绩（占70 %）教材及参考资料教材及参考资料现代功能材料，现代功能材料，陈玉安，王必
11、本，廖其龙，重陈玉安，王必本，廖其龙，重庆大学出版社，庆大学出版社，20082008n现代功能材料及其应用现代功能材料及其应用，郭卫生，郭卫生, 汪济奎，化汪济奎，化学工业出版社，学工业出版社，2002n功能材料概论功能材料概论，殷景华，王雅珍，哈尔滨工业，殷景华，王雅珍，哈尔滨工业大学出版社，大学出版社，1999n新型无机材料，新型无机材料，杨华明，宋晓岚，金胜明，化杨华明，宋晓岚，金胜明，化学工业出版社，学工业出版社，2005第一章第一章 绪论绪论n1.1功能材料的概念q具有优良的电、磁、光、热、声学、力学、化具有优良的电、磁、光、热、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的功能，被用于非
12、学和生物学功能及相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。结构目的的高技术材料。n此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出举例：n弹性材料应用力学性能用于非结构目的n结构陶瓷应用力学性能用于结构目的 n普通玻璃应用光学性能用于结构目的 n耐 火 砖应用热学性能用于结构目的金属材料金属材料n金属结构材料金属结构材料q超耐热合金超耐热合金q轻质合金轻质合金q非晶合金非晶合金n金属功能材料金属功能材料q导电材料导电材料q超导合金超导合金q形状记忆合金形状记忆合金q贮氢合金贮氢合金n在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为: :功能材料功能材料(Functional
13、Materials)特种材料特种材料(Speciality Materials)精细材料精细材料 (Fine Materials)n 功能材料是一门新的学科，目前对它进行功能材料是一门新的学科，目前对它进行尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的既遵循材料的和和又具有其又具有其。因此可认为是。因此可认为是n近近10年来，功能材料成为年来，功能材料成为材料科学和工程领域材料科学和工程领域中中最为活跃的部分。每年以最为活跃的部分。每年以5以上的
14、速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。料正在渗透到现代生活的各个领域。1.2 功能材料的分类功能材料的分类n按材料化学键、化学成分分类按材料化学键、化学成分分类q金属功能材料金属功能材料q无机非金属功能材料无机非金属功能材料q有机功能材料有机功能材料q复合功能材料复合功能材料n基于材料物理性质、功能分类基于材料物理性质、功能分类q电学功能材料电学功能材料q磁磁q光光q热热q声学和振动声学和振动q力力q化学及分离功能材料化学及
15、分离功能材料q放射性相关放射性相关q生物技术和生物医学生物技术和生物医学n基于材料应用技术领域基于材料应用技术领域q信息材料信息材料q电子材料电子材料q电工材料电工材料q电讯材料电讯材料q计算机材料计算机材料q传感材料传感材料q仪器仪表材料仪器仪表材料q能源材料能源材料q航空航天材料航空航天材料q生物医用材料生物医用材料种类种类 功能特性功能特性 应用示例应用示例导电高分子材料导电高分子材料导电性导电性 电极电池、防静电材料、屏蔽材料电极电池、防静电材料、屏蔽材料超导材料超导材料 导电性导电性 核磁共振成像技术、反应堆超导发电机核磁共振成像技术、反应堆超导发电机高分子半导体高分子半导体导电性导
16、电性 电子技术与电子器件电子技术与电子器件光电导高分子光电导高分子光电效应光电效应 电子照相、光电池、传感器电子照相、光电池、传感器压电高分子压电高分子力电效应力电效应 开关材料、仪器仪表测量材料，触感材料开关材料、仪器仪表测量材料，触感材料热电高分子热电高分子热点效应热点效应 显示、测量显示、测量声电高分子声电高分子声电效应声电效应 音响设备、仪器音响设备、仪器磁性高分子磁性高分子导磁作用导磁作用 塑料磁石、磁性橡胶、磁性元器件、塑料磁石、磁性橡胶、磁性元器件、 中子吸收、微型电机、进步电机、传感器中子吸收、微型电机、进步电机、传感器主要功能材料的特性及应用示例主要功能材料的特性及应用示例磁
17、性记录材料磁性记录材料磁性转换磁性转换 磁带、磁盘磁带、磁盘电致变色材料电致变色材料光电效应光电效应 显示、记录显示、记录光功能材料光功能材料 光纤材料光纤材料 光的曲线传播、通讯、显示、医疗器械光的曲线传播、通讯、显示、医疗器械液晶材料液晶材料 偏光效应偏光效应 显示、连接器显示、连接器光盘的基板材料光盘的基板材料光学原理光学原理 高密度记录和信息贮存高密度记录和信息贮存感光树脂感光树脂 光刻胶光化学反应光刻胶光化学反应大规模集成电路的精细加工、印刷大规模集成电路的精细加工、印刷荧光材料荧光材料 光化学作用光化学作用 情报处理，荧光染料情报处理，荧光染料光降解材料光降解材料光化学作用光化学作
18、用减少化学污染减少化学污染光能转换材料光能转换材料光电、光化学光电、光化学太阳能电池太阳能电池分离膜与交换膜分离膜与交换膜传质作用传质作用 化工、制药、环保、冶金化工、制药、环保、冶金高分子催化剂与高分子固定酶高分子催化剂与高分子固定酶 催化作用催化作用 化工、食品加工、制药、化工、食品加工、制药、高分子试剂絮凝剂高分子试剂絮凝剂 吸附作用吸附作用 稀有金属提取、水处理稀有金属提取、水处理贮氢材料贮氢材料 吸附作用吸附作用 化工、能源化工、能源高吸水树脂高吸水树脂 吸附作用吸附作用 化工、农业、纸制品化工、农业、纸制品人工器官材料人工器官材料 替代修补替代修补 人体脏器人体脏器药物高分子药物高
19、分子 药理作用药理作用 药物药物降解性缝合材料降解性缝合材料 化学降解化学降解 非永久性外科材料非永久性外科材料医用粘合剂医用粘合剂 物理与化学作用物理与化学作用 外科和修补材料外科和修补材料1.3 功能材料的展望功能材料的展望n开发尖端领域（航空航天、分子电子学、高速信息、开发尖端领域（航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、下（超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧和
20、核爆炸等）下工作的高性能功能材料。和核爆炸等）下工作的高性能功能材料。n功能由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低功能由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级向高级功能如人工智能、生命功能等发展。级向高级功能如人工智能、生命功能等发展。n功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密度化、超分子化。密度化、超分子化。n功能材料与结构材料兼容，即功能材料结构化，结构功能材料与结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。材料功能化。n进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。和新工艺。q新概
21、念：梯度化、低维化、智能化、非平衡、分子新概念：梯度化、低维化、智能化、非平衡、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等；组装、杂化、超分子化和生物分子化等；q新设计：化学模板式识别设计、分子设计、非平衡新设计：化学模板式识别设计、分子设计、非平衡设计。量子化学和统计力学计算法等；设计。量子化学和统计力学计算法等；q新工艺：激光加工、离子注入、等离子技术、分子新工艺：激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下的工艺技术。生物技术及在特定条件下的工艺技术。n完善和发展功能材料的检测和评价的方
22、法。完善和发展功能材料的检测和评价的方法。n加强功能材料的应用研究，扩展其应用领域，加强功能材料的应用研究，扩展其应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并将成熟特别是尖端领域和民用高技术领域，并将成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。的研究成果迅速推广，以形成生产力。Chp2 材料的电子结构与物材料的电子结构与物理性能理性能2.1原子的电子排列原子的电子排列n1.1.1原子的微观结构原子的微观结构（1）主量子数）主量子数 n (n=1,2,3,4,) 习惯上用习惯上用K,L,M,N,表示表示（2）次量子数）次量子数l (l=0,1,2,3,)习惯上用习惯上用s、p、d、f表示表示（3）磁量
23、子数）磁量子数 m (m=0, 1, 2, 3,)（4）自旋量子数）自旋量子数 ms (ms=+1/2,-1/2)2.2原子核外电子的排布原子核外电子的排布n泡利不相容原理泡利不相容原理n最低能量原理最低能量原理n最多轨道规则（洪特规则）最多轨道规则（洪特规则）1.3固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性n能带的形成能带的形成n金属的能带结构与导电性金属的能带结构与导电性n费米能级费米能级n半导体和绝缘体的结构与导电性半导体和绝缘体的结构与导电性Chp2-1 电性材料电性材料 半导体材料semiconductor materials金属、绝缘体、半导体的能带特征金属、绝缘体、半导体的能带
24、特征EgEg金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。Si、Ge形成共价键后，每个原子的最外层形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+
25、4一、本征半导体一、本征半导体不含杂质的半导体不含杂质的半导体本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共，同时共价键上留下一个空位，称为价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.
26、载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。价带EF(T= 0K)导带Eg跃迁跃迁空穴空穴传导电子传导电子n导带电子和价带空穴浓度相等，称为导带电子和价带空穴浓度相等，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。复合。本征激发和复合在本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。一定温度下会达到动态平衡。n满足这一关系的能量激发称为满足这一关系的能量激发称为本征激发本征激发，相应产生的电导成为，相应产生的电导成为本征电导本征电导，本征半导体本征半导体(intrinsic semicondu
27、ctor)。+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要
28、的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。n总电导率总电导率eehhn qun qu本征半导体的电导率与温度的关系本征半导体的电导率与温度的关系n本征半导体的电导率基本上随温度的升高呈指数增长。本征半导体的电导率基本上随温度的升高呈指数增长。n温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。n利用此关系式，可求其禁带宽度利用此关系式，可求其禁带宽度Eg()/cfEEkTenAe()/fvEEkThnAe11,(),2
29、2ehfcvfvgnnn EEEEEE/202()ggEkTeehhehEkTn qun quq uuAee本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度二、二、 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由
30、电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。（一）（一）、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素P（或（或As、Sb），晶体点阵中的某些半导体原），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每磷原子就成
31、了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流
32、子少数载流子（少子少子）。）。( (二二) )、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如B（或（或Al、Ga、In），晶体点阵中的某些半导体原），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原
33、子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。(三三)、杂质半导体的示意表示法、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,
34、本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响(四四)、 PN PN 结结a、 PNPN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界
35、面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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，空间电荷区的厚相
36、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。度固定不变。少子漂移少子漂移PN结形成的动画结形成的动画+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV01 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电流），数量有限，因此由它们形成的电流很小。很小。注意注意: :b、 PN 结的单向导电性
37、结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。+RE1 1、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变变薄薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。2 2、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。
38、少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。知识回顾n能带理论的发展过程n价带、导带、禁带n本征半导体、杂质半导体n本征激发、施主原子、受主原子、多子、少子nPN结的形成过程nPN结的单向导电性半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 +
39、管壳管壳 + 引线引线NP1.结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-1.2.1 基本结构、种类与符号基本结构、种类与符号二极管的分类：二极管的分类：按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管等。二极管等。 点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大电流，故只适
40、合用于小电流整流，又因为接触点小，电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小，所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。 面接触型二极管与点接触型二极管相反，由面接触型二极管与点接触型二极管相反，由于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。 常用二极管介绍常用二极管介绍 (1) 整流二极管：整流二极管： 整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换成脉动的直流电，由于通过的正向电流较
41、大，对结成脉动的直流电，由于通过的正向电流较大，对结电容无特殊要求，所以其电容无特殊要求，所以其PN结多为面接触型，因结多为面接触型，因结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在1安安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向电流在电流在1安以下的采用全塑料封装。安以下的采用全塑料封装。塑塑 料料 封封 装装全密封金属结构全密封金属结构 (3) 检波二极管：检波二极管： 检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。要求结电容小，所以其结构为点接触信号检出。要求结电容
42、小，所以其结构为点接触型，一般采用锗材料制成型，一般采用锗材料制成。 (4) 稳压二极管：稳压二极管： 稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用极管，它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。管（简称稳压管）。 (5) 发光二极管：发光二极管： 发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。
43、它具有一个它具有一个PN结，与普通二极管一样，具有单向导结，与普通二极管一样，具有单向导电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的电流流过时就会发光。电流流过时就会发光。 发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料制成。发光的颜色分为：红光、黄光、绿光、三色制成。发光的颜色分为：红光、黄光、绿光、三色变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。GaN蓝光二极管蓝光二极管 (6). 光敏二极管光敏二极管(又称为光电二极管又称为光电二极管) 根据根据PN结反向特性可知
44、，在一定反向电压范围内，结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射射PN结，则因本征激发产生的电子结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光
45、电流。为光电流。 （7）变容二极管 变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。变容二极管有玻璃外壳封装（玻封）、塑料封装（塑封）、金属外壳封装（金封）和无引线表面封装等多种封装形式。通常，中小功率的变容二极管采用玻封、塑封或表面封装，而功率较大的变容二极管多采用金封。 常用的变容二极管 常用的国产变容二极管有2CC系列和2CB系列， 常用的进口变容二极管有S系列、MV系列、KV系列、1T系列、1S
46、V系列等。二极管的极性判别二极管的极性判别小功率二极管的小功率二极管的N极，在外表用色圈标出极，在外表用色圈标出采用符号标志为采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的来确定二极管极性的长脚为正，短脚为负长脚为正，短脚为负二极管性能测量二极管性能测量 二极管性能鉴别的最简单方法是用万用表测二极管性能鉴别的最简单方法是用万用表测其正、反向电阻值，阻值相差越大，说明它的单向其正、反向电阻值，阻值相差越大，说明它的单向导电性能越好。导电性能越好。 判别发光二极管好坏，用判别发光二极管好坏，用R10k挡测其正、挡测其正、反向阻值，当正向电阻小于反向阻值，当正向电阻小于50 k，反向电阻大于，反向电
47、阻大于200 k时均为正常。时均为正常。半导体材料的战略地位n1906年制成了碳化硅检波器;n1947年发明晶体管，成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料;q美國美國人人巴丁巴丁（ Bardeen Bardeen ）、）、蕭克利蕭克利（ShockleyShockley）、）、布萊登布萊登（BrattainBrattain）在）在貝爾實驗室貝爾實驗室製造出第一個具有製造出第一個具有電流放大效果的固態三極體，並取名為電晶體。電流放大效果的固態三極體，並取名為電晶體。19561956年獲得諾貝爾物理獎。年獲得諾貝爾物理獎。n上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；q19581958年，年，美國美國人人基爾比基爾比（KilbyKilby）製造出第一個積體電路，可以將電阻器、電）製造出第一個積體電路，可以將電阻器、電容器、二極體、電晶體等數十萬個電子元件，放在只有幾平方公分的小晶片容器、二極體、電晶體等數十萬個電子元件，放在只有幾平方公分的小晶片上，每個晶片都是一個完整電路。上，每個晶片都是一個完整電路。n上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。
