《電性材料》課件

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1、第 三 章 電 性 材 料 導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 材 料 超 導(dǎo) 材 料 鐵 電 、 壓 電 、 熱 釋 電 和 介 電 材 料 3.1 導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 材 料 導(dǎo) 體 的 電 阻 率 10-5 10-4cm半 導(dǎo) 體 的 電 阻 率 10-4 1010cm絕 緣 體 的 電 阻 率 1010 1014cm 3.1.1導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 的 區(qū) 別能 帶 理 論 能 級 ： 在 孤 立 原 子 中 ， 原 子 核 外 的 電 子 按 照 一 定的 殼 層 排 列 ， 每 一 殼 層 容 納 一 定 數(shù) 量 的 電 子 。 每個(gè) 殼

2、層 上 的 電 子 具 有 分 立 的 能 量 值 ， 也 就 是 電 子按 能 級 分 布 。 原 子 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 能 帶 ： 晶 體 中 大 量 的 原 子 集 合 在 一 起 ， 而 且 原 子 之 間 距 離很 近 ， 從 而 導(dǎo) 致 離 原 子 核 較 遠(yuǎn) 的 殼 層 發(fā) 生 交 疊 ， 殼 層 交 疊 使電 子 不 再 局 限 于 某 個(gè) 原 子 上 ， 有 可 能 轉(zhuǎn) 移 到 相 鄰 原 子 的 相 似殼 層 上 去 ， 也 可 能 從 相 鄰 原 子 運(yùn) 動(dòng) 到 更 遠(yuǎn) 的 原 子 殼 層 上 去 ，這 種 現(xiàn) 象 稱 為 電 子 的 共 有 化 。 電 子 的 共 有

3、 化 使 本 來 處 于 同 一能 量 狀 態(tài) 的 電 子 產(chǎn) 生 微 小 的 能 量 差 異 ， 與 此 相 對 應(yīng) 的 能 級 擴(kuò)展 為 能 帶 。 H + H H2 金 屬 中 電 子 的 共 有 化 允 許 帶 ： 允 許 被 電 子 占 據(jù) 的 能 帶 稱 為 允 許 帶 ， 原 子 殼 層 中的 內(nèi) 層 允 許 帶 總 是 被 電 子 先 占 滿 ， 然 后 再 占 據(jù) 能 量 更 高 的外 面 一 層 的 允 許 帶 。 價(jià) 帶 ： 原 子 中 最 外 層 的 電 子 稱 為 價(jià) 電 子 ， 與 價(jià) 電 子 能 級相 對 應(yīng) 的 能 帶 稱 為 價(jià) 帶 。 導(dǎo) 帶 ： 價(jià) 帶 以

4、 上 能 量 的 最 低 的 允 許 帶 稱 為 導(dǎo) 帶 。 滿 帶 ： 被 電 子 占 滿 的 允 許 帶 稱 為 滿 帶 ； 空 帶 ： 每 一 個(gè) 能 級 上 都 沒 有 電 子 的 能 帶 稱 為 空 帶 。禁 帶 ： 允 許 帶 之 間 的 范 圍 是 不 允 許 電 子 占 據(jù) 的 ， 此 范 圍 稱為 禁 帶 。 導(dǎo) 帶 的 底 能 級 為 Ec， 價(jià) 帶 的 頂 能 級 為 Ev， Ec和Ev之 間 的 能 量 間 隔 稱 為 禁 帶 Eg。 體 塊 硅 的 能 帶 示 意 圖 GaN能 帶 圖 3.1.2 導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 區(qū) 別 的 能 帶 論 解 釋

5、導(dǎo) 體 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ：價(jià) 帶 部 分 填 入價(jià) 帶 被 填 滿 絕 緣 體 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ： 價(jià) 帶 為 滿 帶 ， 禁 帶 較 寬 Eg 3 6 eV 半 導(dǎo) 體 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ： 價(jià) 帶 為 滿 帶 ， 禁 帶 寬 度 Eg 0 2 eV 載 流 子 ： 導(dǎo) 體 和 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 作 用 是 通 過 帶 電 粒 子 的 運(yùn) 動(dòng)（ 形 成 電 流 ） 來 實(shí) 現(xiàn) 的 ， 這 種 電 流 的 載 體 稱 為 載 流 子 。 導(dǎo) 體 的 載 流 子 是 自 由 電 子 ； 半 導(dǎo) 體 的 載 流 子 是 帶 負(fù) 電 的 電 子 和 帶 正 電 的 空 穴 。 Ele

6、ctron conduction in n-type semiconductors (and metals)e- e- e- e-(-) (+)Hole conduction in p-type semiconductor(+)(-) e- e- e- e- e-e- e- e- e- e-e- e- e-e- e- Semiconductor 本 征 半 導(dǎo) 體 ： 是 指 不 含 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 ； 通 常 由 于 載 流子 數(shù) 目 有 限 ， 導(dǎo) 電 性 能 不 好 。N型 半 導(dǎo) 體 ： 在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 5價(jià) 元 素 ， 載 流 子 多數(shù) 為 電 子 。 雜

7、 質(zhì) 能 級 施 主 能 級P型 半 導(dǎo) 體 ： 在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 3價(jià) 元 素 ， 載 流 子 多數(shù) 為 空 穴 。 雜 質(zhì) 能 級 受 主 能 級不 同 的 材 料 ， 由 于 禁 帶 寬 度 不 同 ， 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 數(shù) 目 不 同 ，從 而 有 不 同 的 導(dǎo) 電 性 。本 征 半 導(dǎo) 體 ， n 型 半 導(dǎo) 體 ， p型 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) (PN-junction) p nConduction Band Conduction Band Valence Band Valence Band electronsholesBand gap Band gapEFp

8、 EFn p nConduction Band Conduction Band Valence Band Valence Band electronsholesBand gap Band gap l tr EFp= EFn 3.1.3 導(dǎo) 體 材 料 金 屬 ： 如 銀 、 銅 、 鋁 等 ； 可 用 作 電 纜 材 料 ， 電 池 材 料 ， 電 機(jī) 材 料 ， 開 關(guān) 材 料 ，輻 射 屏 蔽 材 料 ， 傳 感 器 材 料 等 ； 合 金 ： 如 黃 銅 、 鎳 鉻 合 金 等 ； 可 用 作 電 阻 材 料 和 熱 電 偶 材 料 ； 非 金 屬 ： 如 石 墨 、 C 3K、 C24

9、S6等 ； 可 用 作 耐 腐 蝕 導(dǎo) 體 和 導(dǎo) 電 填 料 等 。 3.1.4 半 導(dǎo) 體 材 料無 機(jī) 半 導(dǎo) 體有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 元 素 半 導(dǎo) 體化 合 物 半 導(dǎo) 體 本 征 半 導(dǎo) 體雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 材 料（ 按 結(jié) 構(gòu) 形 態(tài) ） 晶 態(tài) 半 導(dǎo) 體非 晶 態(tài) 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 材 料（ 按 化 學(xué) 成 份 ） 非 晶單 晶多 晶 硅 和 鍺 第 一 代 半 導(dǎo) 體 材 料相 同 點(diǎn) ： 具 有 灰 色 、 金 屬 光 澤 的 固 體 ， 硬 而 脆 ， 金 剛 石結(jié) 構(gòu) ， 間 接 帶 隙 半 導(dǎo) 體 材 料 .不 同 點(diǎn) ： 硅 鍺 室 溫 本 征

10、電 阻 率 2.3 105 cm 50 cm 禁 帶 寬 度 1.12 eV 0.66 eV 鍺 比 硅 的 金 屬 性 更 為 顯 著 硅 、 鍺 都 溶 解 于 HF-HNO 3混 合 酸 。 G e Si通 過 一 定 的 工 藝 過 程 ， 可 以 將 半 導(dǎo) 體 制 成 晶 體 。一、本征半導(dǎo)體化 學(xué) 成 分 純 凈 的 半 導(dǎo) 體 。制 造 半 導(dǎo) 體 器 件 的 半 導(dǎo) 體 材 料 的 純 度 要 達(dá) 到 99.9999999%， 常稱 為 “ 九 個(gè) 9” 。 硅 和 鍺 的 共 價(jià) 鍵 結(jié) 構(gòu) 共 價(jià) 鍵 共用 電 子 對+4 +4+4 +4+4表 示 除去 價(jià) 電 子后 的

11、 原 子 共 價(jià) 鍵 中 的 兩 個(gè) 電 子 被 緊 緊 束 縛 在 共 價(jià) 鍵 中 ， 稱 為束 縛 電 子 ， 常 溫 下 束 縛 電 子 很 難 脫 離 共 價(jià) 鍵 成 為 自由 電 子 ， 因 此 本 征 半 導(dǎo) 體 中 的 自 由 電 子 很 少 ， 所 以本 征 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 能 力 很 弱 。形 成 共 價(jià) 鍵 后 ， 每 個(gè) 原 子 的 最 外 層 電 子 是 八 個(gè) ，構(gòu) 成 穩(wěn) 定 結(jié) 構(gòu) 。 共 價(jià) 鍵 有 很 強(qiáng) 的 結(jié) 合 力 ， 使 原 子 規(guī)則 排 列 ， 形 成 晶 體 。+4 +4+4 +4 在 絕 對 0度 （ T=0K ） 和 沒 有 外 界 激

12、 發(fā) 時(shí) ,價(jià)電 子 完 全 被 共 價(jià) 鍵 束 縛 著 ， 本 征 半 導(dǎo) 體 中 沒 有可 以 運(yùn) 動(dòng) 的 帶 電 粒 子 （ 即 載 流 子 ） ， 它 的 導(dǎo) 電能 力 為 0， 相 當(dāng) 于 絕 緣 體 。在 常 溫 下 ， 使 一 些 價(jià) 電 子 獲 得 足 夠 的 能 量而 脫 離 共 價(jià) 鍵 的 束 縛 ， 成 為 自 由 電 子 ， 同 時(shí) 共價(jià) 鍵 上 留 下 一 個(gè) 空 位 ， 稱 為 空 穴 。 這 一 現(xiàn) 象 稱 為本征激發(fā)， 也 稱熱激發(fā)。 可 見 因 熱 激 發(fā) 而 出 現(xiàn) 的 自 由 電 子 和 空 穴 是 同 時(shí) 成 對 出 現(xiàn)的 ， 稱 為電子空穴對。游 離

13、的 部 分 自 由 電 子 也 可 能 回 到空 穴 中 去 ， 稱 為復(fù)合。本 征 激 發(fā) 和 復(fù) 合 在 一 定 溫 度 下 會(huì) 達(dá) 到 動(dòng) 態(tài) 平 衡 。本 征 激 發(fā) 和 復(fù) 合 的 過 程 溫 度 越 高 ， 載 流 子 的 濃 度 越 高 。 因 此 本 征 半導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 能 力 越 強(qiáng) ， 溫 度 是 影 響 半 導(dǎo) 體 性能 的 一 個(gè) 重 要 的 外 部 因 素 ， 這 是 半 導(dǎo) 體 的 一大 特 點(diǎn) 。本 征 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 能 力 取 決 于 載 流 子 的 濃 度 。 二、雜質(zhì)半導(dǎo)體在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 某 些 微 量 的 雜 質(zhì) ， 就

14、 會(huì)使 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性 能 發(fā) 生 顯 著 變 化 。 其 原 因 是 摻雜 半 導(dǎo) 體 的 某 種 載 流 子 濃 度 大 大 增 加 。P 型 半 導(dǎo) 體 ： 空 穴 濃 度 大 大 增 加 的 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 ， 也稱 為 （ 空 穴 半 導(dǎo) 體 ） 。N 型 半 導(dǎo) 體 ： 自 由 電 子 濃 度 大 大 增 加 的 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 ，也 稱 為 （ 電 子 半 導(dǎo) 體 ） 。 N 型 半 導(dǎo) 體在 硅 或 鍺 晶 體 中 摻 入 少 量 的 五 價(jià) 元 素 磷 （ 或 銻 ） ， 晶體 點(diǎn) 陣 中 的 某 些 半 導(dǎo) 體 原 子 被 雜 質(zhì) 取 代 ， 磷 原 子

15、 的 最 外 層 有五 個(gè) 價(jià) 電 子 ， 其 中 四 個(gè) 與 相 鄰 的 半 導(dǎo) 體 原 子 形 成 共 價(jià) 鍵 ， 必定 多 出 一 個(gè) 電 子 ， 這 個(gè) 電 子 幾 乎 不 受 束 縛 ， 很 容 易 被 激 發(fā) 而成 為 自 由 電 子 ， 這 樣 磷 原 子 就 成 了 不 能 移 動(dòng) 的 帶 正 電 的 離 子 。每 個(gè) 磷 原 子 給 出 一 個(gè) 電 子 ， 稱 為 施 主 原 子 。+4 +4+5 +4多 余電 子磷 原 子 P 型 半 導(dǎo) 體在 硅 或 鍺 晶 體 中 摻 入 少 量 的 三 價(jià) 元 素 ， 如 硼 （ 或 銦 ） ，晶 體 點(diǎn) 陣 中 的 某 些 半 導(dǎo)

16、體 原 子 被 雜 質(zhì) 取 代 ， 硼 原 子 的 最 外層 有 三 個(gè) 價(jià) 電 子 ， 與 相 鄰 的半 導(dǎo) 體 原 子 形 成 共 價(jià) 鍵 時(shí) ， 產(chǎn)生 一 個(gè) 空 穴 。 這 個(gè) 空 穴 可 能 吸引 束 縛 電 子 來 填 補(bǔ) ， 使 得 硼 原子 成 為 不 能 移 動(dòng) 的 帶 負(fù) 電 的 離子 。 由 于 硼 原 子 接 受 電 子 ， 所以 稱 為 受 主 原 子 。 +4 +4+3 +4空 穴硼 原 子 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 的 示 意 表 示 P 型 半 導(dǎo) 體 + + + + + +N 型 半 導(dǎo) 體 單 晶 硅 棒 (直 拉 法 ) 硅 （ 111） 晶 面 圖 硅 在 太

17、 陽 能 電 池 上 的應(yīng) 用單 晶 硅多 晶 硅非 晶 硅 砷 化 鎵 第 二 代 半 導(dǎo) 體 材 料特 點(diǎn) ： 化 合 物 半 導(dǎo) 體 ， 晶 體 結(jié) 構(gòu) 是 閃 鋅 礦 型 ， 禁 帶 寬 度 為 1.43 eV 容 易 制 成 半 絕 緣 材 料 (電 阻 率 107 109cm) 本 征 載 流 子 濃 度 低 光 電 特 性 好 耐 熱 、 抗 輻 射 性 能 好 和 對 磁 場 敏 感用 途 ： 光 電 材 料 ， 適 合 于 制 造 高 頻 、 高 速 的 器 件 和 電 路 ，發(fā) 光 二 極 管 、 場 效 應(yīng) 晶 體 管 等 。 砷 化 鎵 氮 化 鎵 第 三 代 半 導(dǎo)

18、體 材 料 氮 化 鎵 及 其 相 關(guān) 氮 化 物 材 料 ： 是 指 元 素 周 期 表 中 A族 元 素 鋁 、 鎵 、 銦 和 族 元 素 氮 形成 的 化 合 物 (AlN、 GaN、 InN， )以 及 由 它 們 組 成 的 多 元 合 金材 料 (InxGa1-xN， AlxGa1-xN） 等 。 特 點(diǎn) ： 三 種 晶 體 結(jié) 構(gòu) ： 纖 鋅 礦 、 閃 鋅 礦 和 巖 鹽 礦 寬 禁 帶 半 導(dǎo) 體 材 料 ： InN-1.9 eV， GaN-3.4 eV， AlN-6.2eV 用 途 ： 晶 體 管 、 發(fā) 光 管 、 激 光 二 極 管 和 光 電 探 測 器 等 器 件

19、 氮 化 鎵 Wide Band Gap: 3.4 eV High Break down field Large electron saturation velocity: 1.3 x 10-7 cm/s Chemically stable at high T Operate at 400 C high temperature Short wavelength light emission and high power electronic applications 有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 材 料 及 其 應(yīng) 用 特 點(diǎn) ： 是 分 子 型 晶 體 材 料 ， 其 特 征 由 材 料 的 分 子

20、性 質(zhì) 決 定 。有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 沒 有 三 維 晶 體 點(diǎn) 陣 ， 而 且 它 們 的 分 子 內(nèi) 和 分 子間 的 相 互 作 用 、 局 域 結(jié) 構(gòu) 無 序 、 非 晶 和 結(jié) 晶 區(qū) 域 以 及 化 學(xué)雜 質(zhì) 也 不 同 ， 復(fù) 雜 。 用 途 ： 太 陽 能 電 池 （ 酞 菁 、 二 酞 菁 以 及 某 些 聚 合 物 如 聚 乙 炔 的 衍 生 物 等 ） 光 電 二 極 管 （ 有 機(jī) 無 機(jī) 材 料 異 質(zhì) 結(jié) 結(jié) 構(gòu) ） 有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 電 容 精 英 865PE主 板 PHOTON PF1 DVD、 功 放 的 音 響 系 統(tǒng) 音 響 信 號 電 流 會(huì) 引 起

21、普 通 鋁 電解 電 容 的 誘 電 體 、 電 極 箔 、 接 觸點(diǎn) 的 振 動(dòng) ， 而 有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 電 容 的卷 曲 材 料 是 用 聚 脂 樹 脂 固 定 起 來的 ， 不 會(huì) 產(chǎn) 生 音 響 信 號 電 流 引 起的 振 動(dòng) 。 另 外 ， 有 機(jī) 半 導(dǎo) 體 電 容的 鋁 殼 采 用 聚 脂 樹 脂 灌 裝 封 口 也是 重 要 的 因 素 之 一 (普 通 鋁 電 解 電容 是 用 膠 墊 封 口 的 )， 在 重 低 音 范圍 內(nèi) 這 一 點(diǎn) 是 非 常 重 要 的 3.3 鐵 電 、 壓 電 、 熱 釋 電 和 介 電 材 料 極 化 ： 在 電 場 作 用 下 ， 電

22、 介 質(zhì) 中 束 縛 著 的 電 荷 發(fā) 生 位 移 或 者極 性 按 電 場 方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 現(xiàn) 象 ， 稱 為 電 介 質(zhì) 的 極 化 。 自 發(fā) 極 化 ：在 沒 有 外 電 場 作 用 時(shí) ， 鐵 電 晶 體 或 鐵 電 陶 瓷 中 存 在 著由 于 電 偶 極 子 的 有 序 排 列 而 產(chǎn) 生 的 極 化 ， 稱 為 自 發(fā) 極化 。 熱 電 體 ： 因 為 原 子 的 構(gòu) 型 是 溫 度 的 函 數(shù) ， 所 以 極 化 狀 態(tài) 將 隨 溫度 發(fā) 生 變 化 。 這 種 性 質(zhì) 稱 為 熱 電 性 。 熱 電 性 是 所 有 呈 現(xiàn) 自發(fā) 極 化 的 晶 體 的 共 性 。 具

23、 有 熱 電 性 的 晶 體 稱 為 熱 電 體 。 鐵 電 體 ： 存 在 自 發(fā) 極 化 ， 且 自 發(fā) 極 化 有 兩 個(gè) 或 多 個(gè) 可 能 的 取 向 ，在 電 場 作 用 下 ， 其 取 向 可 以 改 變 。壓 電 體 ： 壓 電 效 應(yīng) 是 指 材 料 在 外 力 作 用 下 發(fā) 生 極 化 而 在 材 料 兩端 的 表 面 上 出 現(xiàn) 電 位 差 的 效 應(yīng) 。 具 有 壓 電 性 質(zhì) 的 材 料 稱 為壓 電 材 料 3.3.1 鐵 電 材 料鐵 電 材 料 ： 是 指 在 某 些 溫 度 范 圍 內(nèi) 具 有 自 發(fā) 極 化 ， 且 其 自 發(fā) 極化 強(qiáng) 度 能 因 外 電

24、 場 的 作 用 而 重 新 取 向 的 材 料 ， 通 常 鐵 電體 同 時(shí) 具 有 熱 釋 電 和 壓 電 性 。 鐵 電 體 的 標(biāo) 識(shí) 性 特 征 是 其電 極 化 與 外 電 場 的 關(guān) 系 表 現(xiàn) 為 電 滯 回 線 。 鐵 電 材 料 的 電 滯 回 線 常 見 的 鐵 電 材 料 :（ 1） BT： 鈦 酸 鋇 BaTiO3， 鈣 鐵 礦 結(jié) 構(gòu) ， 居 里 溫 度 120 oC；（ 2） PT： 鈦 酸 鉛 PbTiO3， 鈣 鐵 礦 結(jié) 構(gòu) ， 居 里 溫 度 492 oC；（ 3） PZT： 鋯 鈦 酸 鉛 Pb(ZrxTi1-x)O3， 鈣 鐵 礦 結(jié) 構(gòu) ， 居 里

25、溫度 386 oC；（ 4） BST： 鈦 酸 鋇 鍶 (BaxSr1-x)TiO3, 鈣 鐵 礦 結(jié) 構(gòu) ， 常 溫 下 沒有 鐵 電 性 ， 介 電 常 數(shù) 高 ， 現(xiàn) 多 用 于 DRAM的 柵 介 質(zhì) ；（ 5） SBT： 鉭 酸 鍶 鉍 SrBi2Ta2O9， 層 狀 鈣 鈦 礦 結(jié) 構(gòu) ， 具 有 優(yōu)異 的 抗 疲 勞 特 性 ；（ 6） BTO： 鈦 酸 鉍 Bi 4Ti3O12， 層 狀 鈣 鈦 礦 結(jié) 構(gòu) ， 有 較 好 的 抗疲 勞 特 性 。 極 化 的 本 質(zhì) : 對 稱 性 的 減 小 3.3.2 壓 電 材 料壓 電 效 應(yīng) ： 1880年 Cuire Pierr和

26、 Curie jacques兄 弟 在 實(shí) 驗(yàn) 中發(fā) 現(xiàn) ， 當(dāng) 在 某 些 特 定 方 向 上 對 -石 英 晶 體 施 加 壓 力 時(shí) ，在 與 力 方 向 垂 直 的 兩 個(gè) 平 面 內(nèi) 分 別 出 現(xiàn) 正 負(fù) 束 縛 電 荷 。 這種 現(xiàn) 象 稱 為 壓 電 性 。 這 種 由 機(jī) 械 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 能 的 過 程 稱 為正 壓 電 效 應(yīng) 。 反 之 ， 如 果 把 電 場 加 到 壓 電 晶 體 上 ， 晶 體 在電 場 作 用 下 產(chǎn) 生 應(yīng) 變 或 應(yīng) 力 ， 這 種 由 電 能 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 能 的過 程 稱 為 逆 壓 電 效 應(yīng) 。 正 壓 電 效 應(yīng) 逆 壓

27、 電 效 應(yīng) 壓 電 材 料 的 用 途 ： 水 聲 換 能 器 傳 感 器 濾 波 器 變 壓 器 點(diǎn) 火 器 陀 螺 儀 液 流 泵1942年 ， 發(fā) 現(xiàn) 鈦 酸 鋇 具 有 壓 電 性 。 此 后 ， 又 研 制 成 功 一 種 性 能大 大 優(yōu) 于 鈦 酸 鋇 的 壓 電 陶 瓷 材 料 -鋯 鈦 酸 鉛 。 利 用 多 種 元 素 改進(jìn) 的 鋯 鈦 酸 鉛 二 元 系 壓 電 陶 瓷 ， 以 鋯 鈦 酸 鉛 為 基 礎(chǔ) 的 三 元 系 、四 元 系 壓 電 陶 瓷 也 都 應(yīng) 運(yùn) 而 生 。 3.3.3 熱 釋 電 材 料熱 釋 電 效 應(yīng) ： 某 些 晶 體 受 溫 度 變 化 影

28、 響 時(shí) ， 由 于 自 發(fā) 極 化 的 相 應(yīng)變 化 而 在 晶 體 的 一 定 方 向 上 產(chǎn) 生 表 面 電 荷 ， 這 一 現(xiàn) 象 稱為 熱 釋 電 效 應(yīng) 。 具 有 熱 釋 電 效 應(yīng) 的 材 料 稱 為 熱 釋 電 材 料 。用 途 ： 紅 外 光 譜 儀 、 紅 外 遙 感 器 、 熱 輻 射 探 測 器 ， 非 接 觸 測溫 、 無 損 探 傷 等 3.3.4 介 電 材 料 介 電 體 的 極 化 ： 在 外 電 場 作 用 下 ， 電 介 質(zhì) 材 料 中 在 緊 靠 帶 電 體 的 一 端 會(huì) 出現(xiàn) 同 號 的 過 剩 電 荷 ， 另 一 端 則 出 現(xiàn) 負(fù) 號 的 過

29、剩 電 荷 ， 這 就 是所 謂 的 介 電 體 的 極 化 現(xiàn) 象 。介 電 性 ： 如 果 將 某 一 均 勻 的 電 介 質(zhì) 作 為 電 容 器 的 介 質(zhì) 而 置 于 其 兩 極之 間 ， 由 于 電 介 質(zhì) 的 極 化 ， 可 造 成 電 容 器 的 電 容 量 比 以 真 空為 介 質(zhì) 時(shí) 的 電 容 量 增 加 若 干 倍 ， 電 介 質(zhì) 的 這 一 性 質(zhì) 稱 為 介 電性 。 電 容 量 增 加 的 倍 數(shù) 稱 為 電 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) ， 或 稱 介 電 滲透 率 ， 用 來 表 示 材 料 介 電 性 的 大 小 。 3.3.5 鐵 電 、 壓 電 和 介 電

30、材 料 的 應(yīng) 用 評 價(jià) 存 儲(chǔ) 器 的 標(biāo) 準(zhǔn) ： 容 量 、 速 度 、 非 易 失 性 、 功 耗 和 價(jià) 格 現(xiàn) 有 存 儲(chǔ) 器 的 性 能 比 較 ：DRAM： 優(yōu) 點(diǎn) 是 容 量 、 速 度 和 成 本 ， 弱 點(diǎn) 是 不 具 備 非 易 失 性快 閃 存 儲(chǔ) 器 ： 優(yōu) 點(diǎn) 是 容 量 和 非 易 失 性 ， 短 處 是 寫 入 速 度 慢 SRAM： 優(yōu) 點(diǎn) 是 速 度 和 功 耗 ， 缺 點(diǎn) 是 難 以 實(shí) 現(xiàn) 大 容 量 比 鐵 電 隨 機(jī) 存 取 存 儲(chǔ) 器 ： 容 量 、 速 度 、 非 易 失 性 、 功 耗 和 價(jià) 格 64K FeRAM 存 儲(chǔ) 原 理 是 基

31、于 鐵 電 薄 膜 的 剩 余 極 化 當(dāng) 外 加 電 場 或 電 壓 撤 去 后 ， 鐵 電 薄 膜 仍存 在 著 剩 余 極 化 電 荷 。 當(dāng) 外 加 電 場 時(shí) ，鐵 電 體 在 宏 觀 上 表 現(xiàn) 為 極 化 強(qiáng) 度 與 外 電場 之 間 產(chǎn) 生 非 線 性 響 應(yīng) ， 得 到 電 滯 回 線 ；反 向 電 場 超 過 矯 頑 場 時(shí) 發(fā) 生 極 化 反 轉(zhuǎn) ； E 0時(shí) 表 現(xiàn) 出 正 、 負(fù) 剩 余 極 化 ( Pr)， 分別 對 應(yīng) 于 存 儲(chǔ) 的 “ 1” 和 “ 0” 數(shù) 字 信 息 。因 此 ， 鐵 電 存 儲(chǔ) 單 元 不 需 外 電 場 和 電 壓的 維 持 ， 仍 能

32、 保 持 原 有 的 極 化 信 息 。 鐵 電 存 儲(chǔ) 器 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ：強(qiáng) 耐 輻 射 能 力 空 間 和 航 天 技 術(shù) 應(yīng) 用優(yōu) 異 的 讀 寫 耐 久 性 電 視 頻 道 存 儲(chǔ) 器 、 游 戲 機(jī) 數(shù) 字 存儲(chǔ) 器 、 汽 車 里 程 表 和 復(fù) 印 機(jī) 計(jì) 數(shù) 器 等 應(yīng) 用低 電 壓 工 作 和 低 功 耗 移 動(dòng) 電 話 及 射 頻 識(shí) 別 系 統(tǒng) 中 的存 儲(chǔ) 器高 速 寫 入 和 編 程 能 力 ， 低 功 耗 、 長 耐 久 性 等 IC卡 最理 想 的 存 儲(chǔ) 器 。 壓 電 傳 感 器 是 利 用 壓 電 效 應(yīng) 制 造 而 成 的 。 壓 電 傳 感 器

33、主 要 應(yīng) 用 在加 速 度 、 壓 力 和 力 等 的 測 量 中 。 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 體 積 小 、重 量 輕 。 壓 電 傳 感 器 壓 電 式 單 向 測 力 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖石 英 晶 片 、 絕 緣 套 、 電 極 、 上 蓋 及 基 座 等 組 成 壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖它 主 要 由 壓 電 元 件 、 質(zhì) 量 塊 、 預(yù) 壓 彈 簧 、 基 座 及 外 殼 等 組 成 。整 個(gè) 部 件 裝 在 外 殼 內(nèi) ， 并 由 螺 栓 加 以 固 定 。 壓電傳感器 輸出信號壓 電 式 刀 具 切 削 力 測 量 示 意 圖 壓 電 傳 感 器

34、 位 于 車 刀 前 部 的 下 方 ， 當(dāng) 進(jìn) 行 切 削 加 工 時(shí) ， 切 削 力 通 過 刀 具 傳給 壓 電 傳 感 器 ， 壓 電 傳 感 器 將 切 削 力 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號 輸 出 ， 記 錄 下 電 信 號 的變 化 便 可 測 得 切 削 力 的 變 化 。 (a) (b) 壓 電 式 玻 璃 破 碎 傳 感 器（ a） 外 形 ; （ b） 內(nèi) 部電 路 它 利 用 壓 電 元 件 對 振 動(dòng) 敏 感 的 特 性 來 感 知 玻 璃 受 撞 擊 和 破 碎 時(shí) 產(chǎn) 生 的 振 動(dòng) 波 。 傳感 器 把 振 動(dòng) 波 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 輸 出 ， 輸 出 電 壓 經(jīng)

35、放 大 、 濾 波 、 比 較 等 處 理 后 提 供 給 報(bào) 警 系 統(tǒng) 。 傳 感 器 的 最 小 輸 出 電 壓 為 100 mV， 最 大 輸 出 電 壓 為 100V， 內(nèi) 阻 抗 為 1520 k。子 彈 穿 膛 生 物 醫(yī) 學(xué) -心 室 執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較帶通濾波放大傳感器玻璃 壓 電 式 玻 璃 破 碎 報(bào)警 器 電 路 框 圖 PIX-30/4三 維 掃 描 儀 采 用 動(dòng) 態(tài) 壓 電 傳 感 器 技 術(shù) 對 實(shí) 體 物 件 進(jìn) 行 超 高 精 度 掃 描 ， 最小 間 距 達(dá) 50微 米 。 能 夠 掃 描 的 實(shí) 物 包 括 ： 各 種 工 業(yè) 材 質(zhì) 、 粘 土 模 型 、玻

36、 璃 、 水 晶 、 色 彩 豐 富 的 物 件 ， 甚 至 還 包 括 鮮 果 和 鮮 魚 壓 電 陶 瓷 微 位 移 器（ 納 米 級 ） 光 纖 的 光 學(xué) 定 位 、 光 纖 熔 焊 機(jī) 、 生物 細(xì) 胞 穿 刺 、 攝 像 形 狀 記 憶 疊 層 裝 置的 機(jī) 械 夾 持 器 壓 電 陶 瓷 點(diǎn) 火 器 清 華 大 學(xué) 研 制 的 直 徑 1毫 米 世 界 最 小 超 聲 馬 達(dá) 利 用 壓 電 晶 體 的 逆 壓 電 效 應(yīng) 讓 馬 達(dá) 定 子 處 于 超 聲 頻 率 的振 動(dòng) ， 然 后 靠 定 子 和 轉(zhuǎn) 子 之 間 的 摩 擦 力 來 傳 遞 能 量 ， 帶 動(dòng) 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn) 動(dòng)

37、 。 超 聲 用 壓 電 陶 瓷 換 能 器 高 介 電 材 料 2002年 6月 25日 ， 摩 托 羅 拉 半 導(dǎo) 體 與 她 的 中 國合 作 伙 伴 南 京 大 學(xué) 固 態(tài) 微 結(jié) 構(gòu) 國 家 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 、 中國 科 學(xué) 院 物 理 研 究 所 聯(lián) 合 宣 布 ， 經(jīng) 過 兩 年 的 合 作 ，他 們 在 半 導(dǎo) 體 工 藝 用 高 介 電 材 料 研 究 上 取 得 突 破 性進(jìn) 展 ： 他 們 推 出 的 鋁 酸 鑭 (LaAlO)和 鑭 鋁 氧 氮(LaAlON)高 介 電 材 料 將 有 望 在 65納 米 以 下 工 藝 中 作為 柵 介 質(zhì) 層 的 主 要 材 料 ， 取 代 目 前 被 普 遍 采 用 的 二氧 化 硅 ， 進(jìn) 而 推 動(dòng) 半 導(dǎo) 體 工 藝 技 術(shù) 向 更 小 尺 寸 發(fā) 展