第6章电子与微电子材料

电子与微电子材料Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials1Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials本章内容6.1导电材料6.2介电材料6.3半导体材料6.4微电子材料与芯片2Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials6.1导电材料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3Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•导电材料的定义•载流子•分类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4Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials（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–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5Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials（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)。6Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials6.1.3聚合物导电材料7Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•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。Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials8种类名称结构聚乙炔聚噻吩聚吡咯聚苯胺聚苯S()nNH()n()NHn()n种类Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials9导电机理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Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials10导电高分子的特性1.电导率范围宽导电高分子的特性Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials11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。2.掺杂-脱掺杂过程可逆3.响应速度快(10-13sec)Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials124.有电致变色性Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials13NN()NHN()NN()NHNH()H全氧化态PNB+e-e中间氧化态EBn+e-e全还原态LEB+nn紫色蓝色淡黄色绿色-0.2V0.8V0.5V+HNHNnChapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials14导电高分子的应用导电高分子的应用Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials151.发光二极管1990年R.H.Friend首次报道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2.分子导线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)Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials163.二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Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials174.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Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials185.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（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。Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials196.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Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials207.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21Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials（1）绝缘陶瓷Insulatingceramics•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：–较高的力学强度、耐热性、高导热性。22Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials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）•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。•高导热绝缘陶瓷–BeO陶瓷–非氧化物类陶瓷，如AlN、Si3N4、SiC、BN等23绝缘子Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials24Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials（2）介电陶瓷dielectricceramic•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25Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials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26Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials27Single-layerMultilayerceramiccapacitorChapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials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：–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28Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•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29Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials6.2.2压电材料•压电效应和逆压电效应30Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•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。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：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。31Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•钛锆酸铅（PZT）：最有代表性的压电陶瓷材料32Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•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、红外探测器、声表面波器件、–电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等33Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials6.2.4铁电材料•定义，电滞曲线，剩余极化强度、矫顽电场强度34Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials•铁电陶瓷（FerroelectricCeramics）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。•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0.01～0.0235Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterialsBaTiO3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•掺杂改性–如电荷不匹配的La3、Cd3、Dy3部分取代Ba2–尺寸不匹配的Nb4、Ta5取代Ti436Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials6.3半导体材料Semiconductors37Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials38电导率介于绝缘体及导体之间易受温度、照光、磁场及微量杂质原子影响6.3.1半导体材料概述Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials能带理论39Chapter6ElectronicandMicroelectronicMaterials40合适的禁带宽度高的载流子迁移率一定的导电类型适当的杂质浓度和相应的电阻率较高的载流子寿命半导体器件对材料的要求Chapter6ElectronicandMicroelectronicMateri