功能材料及其应用复习资料 - 图文(2)

后 , 造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子 , 其导电机理是电子导电占主导 , 这类半导体是n型半导体。

在Ⅳ A 族元素掺以Ⅲ A 族元素 ( 如 B) 时 , 掺杂元素价电子少于纯元素的价电子 , 它们的原子间生成共价键以后 , 还缺一个电子 , 而在价带中产生逾量空穴。以空穴导电为主 , 掺杂元素是电子受主 , 这类半导体称 p 型或空穴型或受主型。

杂质半导体的能带结构： (a) 是 n 型 , 逾量电子处于施主能级 , 施主能级与导带底能级之差为Ed , 而 Ed 大大小于禁带宽度 Eg 。因此 , 杂质电子比本征激发更容易激发到导带 , 而导带在通常温度下 , 施主能级是解离的 , 即电子均激发到导带。 Eg 与 Ed 相差近三个数量级。例如硅掺十亿分之一 As 时 , 其 Eg 为 1.73 × 10-19J,Ed 为 6.4 × 10-21J 。锗掺十亿分之一Sb 时 , 其 Eg 为 1.15 × 10-19J,Ed 为 1.6 × 10-21J 。 (b) 是 p 型 , 其逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙 Ea 远小于禁带宽度Eg, 价带上的电子很易激发到受主能级上 , 在价带中形成空穴导电。

非晶态半导体对杂质的掺入不敏感。非晶态半导体结构不具有敏感性 , 掺入杂质的正常化合价都被饱和。即全部价电子都处在键合状态 , 例如非晶锗或非晶硅中的硼都是三重配位的 , 因此它在电学上表现为非激活状态。非晶态半导体由于它对杂质的不敏感性 , 因此几乎所有的非晶态半导体 , 都具有本征半导体的性质。非晶态半导体由于它是非结晶性的 , 因此无方向性 , 所以没有结晶方

式、提纯、杂质控制等麻烦工艺。故非晶态半导体便于大量生产 , 并且价格低廉。非晶态半导体多制成薄膜 ,禁带宽度可在 1.2—1.8eV 之间调节 , 暗电导率较小 , 易于制成大面积薄膜。但其载流子寿命较短 , 迁移率小。因此 , 一般不作为电子材料 , 而作为光电材料 , 适用于太阳能电池、传感器、光盘和薄膜晶体管等。

广泛使用的半导体硅器件的工作温度不能超过 200℃ , 而航空航天等军事工业要求工作温度为 500～600℃。半导体器件在高温工作时易被热击穿和烧坏。另外 , 由于本征激发产生的载流子浓度增加 , 造成稳定性恶化。而本征激发载流子浓度随禁带宽度 Eg 的增加而降低。因此 , 要研制 Eg 大和耐高温的半导体。目前深入研究的主要有碳化硅和人造金刚石膜两种。

一般具有离子结构的材料都有离子电导现象存在 , 但大部分材料的离子电导率都很低，达不到导电的要求 , 故离子电导材料一般指的是电导率≥ 10-4S/m，且其电子电导对总电导率贡献可忽略不计的材料 , 又称快离子导体。

氧离子导体有荧石型和钙铁矿型氧离子导体。以ZrO2为基的固溶体为荧石型结构的氧离子导体，它是1900年最早发现的。ZrO2基固溶体的导电主要是O2-离子。虽然它们的导电活化能高达 0.65~1.10 eV, 按离子导电材料的导电活化能＜0.5eV 这个指标来看 , 不能称为离子导电材料 , 但由于它们在高温下有比较高的O2-离子电导 , 在科研和工业生产上已经得到实际应用。

第二章 介电材料

介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。带电粒子在电场下作微小位移的性质称为介电性。

一般介电陶瓷材料在电场下产生的极化可分为四种，即电子极化、离子极化、偶极子趋向极化和空间电荷极化 。

电子极化是在电场作用下，使原来处于平衡状态的原子正、负电荷重心改变位臵，即原子核周围的电子云发生变形而引起电荷重心偏离，形成电极化 。离子极化是处在电场中多晶陶瓷体内的正、负离子分别沿电场方向位移，形成电极化 。偶极子趋向极化是非对称结

构的偶极子在电场作用下，沿电场方向趋向与外电场一致的方向而产生电极化 。空间电荷极化是陶瓷多晶体在电场中，空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化 。通常极化是由以上四种极化叠加引起的 。

在晶体的32种对称点群中，有11种具有对称中心。晶格上为非极性原子或分子，在电性上完全中性的，称为各向同性介电体 。

另外，有20种点群结构晶体，其结构上无对称中心的，称为压电晶体。

压电晶体中有10种点群的晶体是极性晶体，具有热释电性，称为热释电晶体。

热释电晶体中在外电场作用下能够随电场改变电偶极子方向的晶体称为铁电晶体。

电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫弛豫时间τ，其倒数称弛豫频率f。

电子极化的f约1015Hz, 相当于紫外频率，原子(离子)极化的f约1012Hz, 处于红外区，取向极化的 f 在 100～1010Hz之间，处于射频和微波区。在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。当 f ＜100～1010Hz 时，三种极化都可建立。当 1010Hz＜f＜1013Hz时，取向极化来不及建立。当 1013Hz ＜ f ＜1015Hz 时，离子极化也来不及建立，只有电子极化能建立，这叫极化的滞后。因此，极化强度与交变电场的频率有关。

铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电

场而反向的晶体。铁电体具有电滞回线。铁电体还有一个特点就是它具有许多电畴。

所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致。 因此，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。 晶体的铁电相通常是由自发极化方向不同的区域、按一定规律组成的。每一个极化区域称为铁电畴，分隔电畴的间界称为畴壁。

当无外电场时，电畴无规则所以净极化强度为0。

而当施加外电场时，与电场方向一致的电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大。

第三章 压电材料

没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例。其符号取决于应力的方向。这种现象称为正压电效应。

逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比。其符号取决于电场的方向。此现象称为逆压电效应。

压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位臵上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。

只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应。

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