功能材料第一讲精选PPT.ppt

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1、关于功能材料第一讲关于功能材料第一讲第1页，讲稿共78张，创作于星期日研究意义研究意义n 功功能能材材料料是是一一大大类类具具有有特特殊殊电电、磁磁、光光、声声、热热、力力、化化学学以以及及生生物物功功能能的的新新型型材材料料，是是信信息息技技术术、生生物物技技术术、能能源源技技术术等等高高技技术术领领域域和和国国防防建建设设的的重重要要基基础础材材料料，同同时时也也对对改改造造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。n功功能能材材料料种种类类繁繁多多，用用途途广广泛泛，正正在在形形成成一一个个规规模模宏宏大大的的高高技技术术产产业业群群

2、，有有着着十十分分广广阔阔的的市市场场前前景景和和极极为为重重要要的的战略战略意义。意义。第2页，讲稿共78张，创作于星期日n功功能能材材料料是是新新材材料料领领域域的的核核心心，对对高高新新技技术术的的发发展展起起着着重重要要的的推推动动和和支支撑撑作作用用，在在全全球球新新材材料料研研究究领领域域中中，功功能能材材料料约约占占 85%。随随着着信信息息社社会会的的到到来来，特特种种功功能能材材料料对对高高新新技技术术的的发发展展起起着着重重要要的的推推动动和和支支撑撑作作用用，是是二二十十一一世世纪纪信信息息、生生物物、能能源源、环环保保、空空间间等等高高技技术术领领域域的的关关键键材材料

3、料，成成为为世世界界各各国国新新材材料料领领域域研研究究发发展展的的重重点点，也也是是世世界界各各国国高高技技术术发发展展中中战战略略竞竞争的热点。争的热点。第3页，讲稿共78张，创作于星期日n鉴鉴于于功功能能材材料料的的重重要要地地位位，世世界界各各国国均均十十分分重重视功能材料技术的研究。视功能材料技术的研究。n2001年年日日本本文文部部省省科科学学技技术术政政策策研研究究所所发发布布的的第第七七次次技技术术预预测测研研究究报报告告中中列列出出了了影影响响未未来来的的100项项重重要要课课题题,一一半半以以上上的的课课题题为为新新材材料料或或依依赖赖于于新新材材料料发发展展的的课课题题,

4、而而其其中中绝绝大大部部分分均均为为功能材料。功能材料。n欧欧盟盟的的第第六六框框架架计计划划和和韩韩国国的的国国家家计计划划等等在在他他们们的的最最新新科科技技发发展展计计划划中中,都都把把功功能能材材料料技技术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。第4页，讲稿共78张，创作于星期日n当当前前国国际际功功能能材材料料及及其其应应用用技技术术正正面面临临新新的的突突破破，材材料料的的分分子子、原原子子设设计计等等正正处处于于日日新新月月异异的的发发展展之之中中，发发展展功功能能材材料料技技术术正正在在成成为为一一些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

5、势的重要手段。的重要手段。第5页，讲稿共78张，创作于星期日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我我国国非非常常重重视视功功能能材材料料的的发发展展，在在国国家家攻攻关关、“863”、“973”、国国家家自自然然科科学学基基金金等等计计划划中中，功功能能材材料料都都占占有有很很大大比比例例。在在“九九五五”“十十五五”国国防防计计划划中中还还将将特特种种功功能能材料列为材料列为“国防尖端国防尖端”材料。材料。n在在“863”计计划划支支持持下下，开开辟辟了了超超导导材材料料、平平板板显显示示材材料料、稀稀土土功功能能材材料料、生生物物医医用用材材料料、储储氢氢等等新新能

6、能源源材材料料，金金刚刚石石薄薄膜膜，高高性性能能固固体体推推进进剂剂材材料料，红红外外隐隐身身材材料料，材材料料设设计计与与性性能能预预测测等等功功能能材材料料新新领领域域，取取得得了了一一批批接接近近或或达达到到国国际际先先进进水平的研究成果。水平的研究成果。n功功能能材材料料还还在在“两两弹弹一一星星”、“四四大大装装备备四四颗颗星星”等等国国防防工工程程中做出了举足轻重的贡献。中做出了举足轻重的贡献。第6页，讲稿共78张，创作于星期日n我我国国目目前前功功能能材材料料的的创创新新性性研研究究不不够够，申申报报的的专专利利数数，尤尤其其是是具具有有原原创创性性的的国国际际专专利利数数与与

7、我我国国的的地地位位远远不不相相称称。我我国国功功能能材材料料在在系系统统集集成成方方面面也也存存在在不不足足，有有待待改改进进和和发展。发展。n我我国国国国防防现现代代化化建建设设一一直直受受到到以以美美国国为为首首的的西西方方国国家家的的封封锁锁和和禁禁运运，所所以以我我国国国国防防用用关关键键特特种种功功能能材材料料是是不不可可能能依依靠靠进进口口来来解解决决的的，必必须须要要走走独独立立自自主主、自自力力更更生生的的道道路路。如如军军事事通通信信、航航空空、航航天天、导导弹弹、热热核核聚聚变变、激激光光武武器器、激激光光雷雷达达、新新型型战战斗斗机机、主主战战坦坦克克以以及及军军用用高

8、高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。第7页，讲稿共78张，创作于星期日目的与任务目的与任务n本本课课程程的的授授课课对对象象是是材材料料化化学学专专业业本本科科生生，属属材料类专业选修课。材料类专业选修课。n本本课课程程主主要要介介绍绍功功能能材材料料的的研研究究现现状状和和发发展展趋趋势势，一一些些常常见见功功能能材材料料的的基基本本知知识识、种种类类、特特点点和和应应用用，有有助助于于学学生生拓拓宽宽专专业业知知识识面面，同同时时加深加深对专业的认识和应用。对专业的认识和应用。第8页，讲稿共78张，创作于星期日课程的基本要求和特点课程的

9、基本要求和特点n通通过过本本课课程程的的学学习习，学学生生能能了了解解功功能能材材料料目目前前的的研研究究范范围围和和进进展展趋趋势势，掌掌握握功功能能材材料料的的含含义义、特特点点及及常常见见功功能能材材料料的的基基本本知知识识，熟熟悉悉各各类类功功能能材材料料的的组组成成、性性能能和和应应用。用。n本本课课程程的的特特点点：涉涉及及知知识识点点多多和和应应用用领领域域较较广广，包包括括力力学、电学、光学、磁学等功能材料。学、电学、光学、磁学等功能材料。n课课堂堂讲讲授授上上，讲讲清清基基本本概概念念、基基本本原原理理及及目目前前的的研研究究和和应应用用现现状及发展趋势。状及发展趋势。n课课

10、后后认认真真对对所所学学新新材材料料进进行行资资料料查查阅阅，以以对对其其发发展展趋趋势势、应用领域等有更广泛、深入的了解。应用领域等有更广泛、深入的了解。第9页，讲稿共78张，创作于星期日授课安排授课安排n学时：学时：32（112周）周）n常常用用功功能能材材料料（电电性性材材料料、磁磁性性材材料料、光光学学材材料、料、功能转换材料功能转换材料）n特特种种功功能能材材料料 （能能源源材材料料*、智智能能材材料料、梯梯度度功能材料、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 ）第10页，讲稿共78张，创作于星期日考核方式考核方式n考试考试n总总评评成成绩绩平平时时成成绩绩（

11、包包括括考考勤勤、作作业业、上上课课听听讲讲等等，占占30%）期期终终考考试试成成绩绩（占占70%）第11页，讲稿共78张，创作于星期日教材及参考资料教材及参考资料现现代代功功能能材材料料，陈陈玉玉安安，王王必必本本，廖廖其其龙龙，重重庆大学出版社，庆大学出版社，20082008n现现代代功功能能材材料料及及其其应应用用，郭郭卫卫生生,汪汪济济奎奎，化化学工业出版社，学工业出版社，2002n功功能能材材料料概概论论，殷殷景景华华，王王雅雅珍珍，哈哈尔尔滨滨工工业业大学出版社，大学出版社，1999n新新型型无无机机材材料料，杨杨华华明明，宋宋晓晓岚岚，金金胜胜明明，化化学工业出版社，学工业出版社

12、，2005第12页，讲稿共78张，创作于星期日第一章第一章 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、化学具有优良的电、磁、光、热、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的功能，被用于非结构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。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博士提出第13页，讲稿共78张，创作于星期日举例：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第14页，讲稿共78张，创作于星期日金属材料金属材料n

13、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贮氢合金贮氢合金第15页，讲稿共78张，创作于星期日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 Materials)特种材料特种材料(Speciality Materials)精细材料精细材料(Fine Materials)第16页，讲稿共78张，创作于星期日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，目前对它进行严格的定义严格的定义严格的定义严格的定义尚有一

14、定尚有一定的难度，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，功能材料既遵循材料的总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性一般特性一般特性一般特性和和变化规律变化规律变化规律变化规律又具有其又具有其自身的特点自身的特点自身的特点自身的特点。因此可认为是。因此可认为是传统材料的传统材料的传统材料的传统材料的更高级的运动形式。更高级的运动形式。更高级的运动形式。更高级的运动形式。第17页，讲稿共78张，创作于星期日n近近10年年来来，功功能能材材料料成成为为材材料料科科学学和和工工程程领领域域中中最最为为活活跃

15、跃的的部部分分。每每年年以以5以以上上的的速速度度增增长长，相相当当于于每每年年有有1.25万万种种新新材材料料问问世世。未未来来世世界界需需要要更更多多的的性性能能优优异异的的功功能能材材料料，功功能能材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。第18页，讲稿共78张，创作于星期日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第19页，讲稿共78张，创作于星期日n基于材料物理性质、功能分类基于材料物理性质、功能

16、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第20页，讲稿共78张，创作于星期日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第21页，讲稿共78张，创作于星期日种类种类 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

17、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

18、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第22页，讲稿共78张，创作于星期日磁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

19、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、冶金第23页，讲稿共78张，创作于星期日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

20、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第24页，讲稿共78张，创作于星期日1.3 功能材料的展望功能材料的展望n开开发发尖尖端端领领域域（航航空空航航天天、分分子子电电子子学学、高高速速信信息息、新新

21、能能源源、海海洋洋技技术术和和生生命命科科学学等等）所所需需和和在在极极端端条条件件下下（超超高高压压、超超高高温温、超超低低温温、高高烧烧蚀蚀、高高热热冲冲击击、强强腐腐蚀蚀、高高真真空空、强强激激光光、高高辐辐射射、粒粒子子云云、原原子子氧氧和和核核爆爆炸炸等等）下下工工作作的的高高性性能能功能材料。功能材料。n功功能能由由单单功功能能向向多多功功能能和和复复合合或或综综合合功功能能发发展展，从从低低级级向向高高级级功能如人工智能、生命功能等发展。功能如人工智能、生命功能等发展。n功功能能材材料料和和器器件件的的一一体体化化、高高集集成成化化、超超微微型型化化、高高密密度化、超分子化。度化

22、、超分子化。n功功能能材材料料与与结结构构材材料料兼兼容容，即即功功能能材材料料结结构构化化，结结构构材材料料功能化。功能化。第25页，讲稿共78张，创作于星期日n进进一一步步研研究究和和发发展展功功能能材材料料的的新新概概念念、新新设设计计和新工艺。和新工艺。q新概念：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

23、、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。第26页，讲稿共78张，创作于星期日n完善和发展功能材料的检测和评价的方法。完善和发展功能材料的检测和评价的方法。n加加强强功功能能材材料料的的应应用用研研究究，扩扩展展其其应应用用领领域域，特特别别是是尖尖端端领领域域和和民民用用高高技技术术领领域域，并并将将成成熟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。第27页，讲稿共78张，创作于

24、星期日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第28页，讲稿共78张，创作于星期日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）主主 量量 子子 数数 n(n=1,2,3,4,)习习 惯惯 上上 用用K,L,M,N,表示表示（2）次次量量子子数数l(l=0,1,2,3,)习习惯惯上上用用s、p、d、f表示表示（3）磁量子数）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)第29页，讲稿共78张，创作于星期日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

25、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）第30页，讲稿共78张，创作于星期日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第31页，讲稿共78张，创作于星期日Chp2-1 电性材料电性材料 半导体材料semiconductor materials第32页，讲稿共78张，创作于星期日金属、绝缘体、半导体的能带特征金属、绝缘体、半导体的能带特征EgEg金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带第33页，讲稿共78张，创作于星期日共价键

26、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，称为束缚电束缚电子子，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由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导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。电能力很弱。Si、Ge形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。+4+4+4+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

27、体第34页，讲稿共78张，创作于星期日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,价电子完价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（即粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘，相当于绝缘体。体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留，同时共价键上留下一个空位，称为下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子

28、、自由电子和空穴 这一现象称为本征激发，也称热激发。第35页，讲稿共78张，创作于星期日价带EF(T=0K)导带Eg跃迁跃迁空穴空穴传导电子传导电子n导导带带电电子子和和价价带带空空穴穴浓浓度度相相等等，称称为为电电子子空空穴穴对对。游游离离的的部部分分自自由由电电子子也也可可能能回回到到空空穴穴中中去去，称称为为复复合合。本本征征激激发发和和复复合合在在一一定定温温度度下下会达到动态平衡。会达到动态平衡。n满满足足这这一一关关系系的的能能量量激激发发称称为为本本征征激激发发，相相应应产产生生的的电电导导成成为为本本征征电电导导，本征半导体本征半导体(intrinsic semiconduct

29、or)。第36页，讲稿共78张，创作于星期日+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，即自自由电子由电子和和空穴空穴。第37页，讲稿共78张，创作于星期日温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，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能的一个重要导

30、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，这是半导体的一大特点。的外部因素，这是半导体的一大特点。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总电导率总电导率第38页，讲稿共78张，创作于星期日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

31、度Eg第39页，讲稿共78张，创作于星期日本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度第40页，讲稿共78张，创作于星期日二、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，就会使半导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。其原因是掺杂半导体的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。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，也称为空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。（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，也称自由电子浓度大大增加的杂质半导体

32、，也称为（电子半导体）。为（电子半导体）。第41页，讲稿共78张，创作于星期日（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子被杂质取代，），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，其中四个与相邻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键，必定多出一个电子，的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的由电子，这样磷原子就成了不

33、能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。第42页，讲稿共78张，创作于星期日+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？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（

34、多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第43页，讲稿共78张，创作于星期日(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

35、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。第44页，讲稿共78张，创作于星期日(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。但由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于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认。近似认为多子与杂质浓度相等。为多子与杂质浓度相等。第45页，讲稿共78张，创作于星期日 掺入入杂 质对本征

36、半本征半导体的体的导电性有很大性有很大 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,本征硅的本征硅的电子和空穴子和空穴浓度度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子本征硅的原子浓度度:4.961022/cm3 3以上三个以上三个浓度基本上依次相差度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后后 N 型半型半导体中的自由体中的自由电子子浓度度: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第46页，讲稿共78张，创作于星期日(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，

37、分别制造P 型半导体和型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了形成了PN 结。结。第47页，讲稿共78张，创作于星期日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荷区扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。第48页，讲稿共78张，创作于星期日漂移运动漂移运动P型半导体型半导体

38、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，相当于两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，空间电荷区的厚度固定不变。个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。少子漂移少子漂移第49页，讲稿共78张，创作于星期日PN结形成的动画结形成的动画第50页，讲稿共78张，创作于星期日+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0第51页，讲稿共78张，创作于星期日1 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

39、区 中的中的电子（电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。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（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:第52页，讲稿共78张，创作于星期日b、PN 结的单向导电性结的单向导电性 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 区加正、区加正、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区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。第53页，讲稿共7

40、8张，创作于星期日+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。第54页，讲稿共78张，创作于星期日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，多子的内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。能形成较小的反向电流。RE第55页，讲稿共78张，创作于星期日 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具结加正向电压时，呈现低电阻，具有较

41、大的正向扩散电流；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结具有单向结具有单向导电性。导电性。第56页，讲稿共78张，创作于星期日知识回顾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结的单向导电性第57页，讲稿共78张，创作于星期日半导体二极管 二极管二极管=PN结结+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、种类与符号第

42、58页，讲稿共78张，创作于星期日第59页，讲稿共78张，创作于星期日二极管的分类：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；按按用用途途分分：整整流流二二极极管管、检检波波兰兰极极管管、稳稳压压二二极极管管、变变容容二二极极管管、光光电电二二极极管管、发发光光二二极极管管、开开关关二二极极管等。管等。第60页，讲稿共78张，创作于星期日 点点接接触触型型二二极极管管由由于于接接触触面面点点小小，不不能能通通过过大大电电流流，故故只只适适合合用用于于小小电

43、电流流整整流流，又又因因为为接接触触点点小小，所所以以极极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。间电容量也很小，故适用于高频电路检波。面面接接触触型型二二极极管管与与点点接接触触型型二二极极管管相相反反，由由于于接接触触面面大大，可可以以通通过过较较大大的的电电流流，但但极极间间电电容容量量大大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。因此不能用于高频电路，而主要用做整流。第61页，讲稿共78张，创作于星期日第62页，讲稿共78张，创作于星期日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：整整流流二二极极管管主主要要用用于于整整流流电电路路，把把交交流流电电变变换换成成脉脉动动的的

44、直直流流电电，由由于于通通过过的的正正向向电电流流较较大大，对对结结电电容容无无特特殊殊要要求求，所所以以其其PN结结多多为为面面接接触触型型，因因结结电电容容大大，故故工工作作频频率率低低。通通常常，正正向向电电流流在在1安安以以上上的的二二极极管管采采用用金金属属壳壳封封装装，以以利利于于散散热热；正正向向电电流流在在1安安以下的采用全塑料封装。以下的采用全塑料封装。第63页，讲稿共78张，创作于星期日塑塑 料料 封封 装装全密封金属结构全密封金属结构第64页，讲稿共78张，创作于星期日第65页，讲稿共78张，创作于星期日 (3)检波二极管：检波二极管：检检波波二二极极管管的的主主要要作作

45、用用是是把把高高频频信信号号中中的的低低频频信信号号检检出出。要要求求结结电电容容小小，所所以以其其结结构构为为点点接接触触型型，一般采用锗材料制成一般采用锗材料制成。第66页，讲稿共78张，创作于星期日第67页，讲稿共78张，创作于星期日(4)稳压二极管：稳压二极管：稳稳压压二二极极管管是是由由硅硅材材料料制制成成的的面面结结合合型型晶晶体体二二极极管管，它它是是利利用用PN结结反反向向击击穿穿时时的的电电压压基基本本上上不不随随电电流流的的变变化化而而变变化化的的特特点点，来来达达到到稳稳压压的的目目的的，因因为为它它能能在在电电路路中中起起稳稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。压作

46、用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。第68页，讲稿共78张，创作于星期日第69页，讲稿共78张，创作于星期日(5)发光二极管：发光二极管：发发光光二二极极管管是是一一种种将将电电能能变变成成光光能能的的半半导导体体器器件件。它它具具有有一一个个PN结结，与与普普通通二二极极管管一一样样，具具有有单单向向导导电电特特性性。当当给给发发光光二二极极管管加加上上正正向向电电压压，有有一一定定的的电电流流流流过过时就会发光。时就会发光。发发光光二二极极管管是是由由磷磷砷砷化化镓镓、镓镓铝铝砷砷等等半半导导体体材材料料制制成成。发发光光的的颜颜色色分分为为：红红光光、黄黄光光、绿绿光光、三三色色变变色色

47、发发光光。另另外外还还有眼睛看不见的红外光二极管。有眼睛看不见的红外光二极管。GaN蓝光二极管蓝光二极管第70页，讲稿共78张，创作于星期日第71页，讲稿共78张，创作于星期日 (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)根根据据PN结结反反向向特特性性可可知知，在在一一定定反反向向电电压压范范围围内内，反反向向电电流流很很小小且且处处于于饱饱和和状状态态。此此时时，如如果果无无光光照照射射PN结结，则则因因本本征征激激发发产产生生的的电电子子-空空穴穴对对数数量量有有限限，反反向向饱饱和和电电流流保保持持不不变变，在在光光敏敏二二极极管管中中称称为为暗暗电电流流。当当有有

48、光光照照射射PN结结时时，结结内内将将产产生生附附加加的的大大量量电电子子空空穴穴对对（称称之之为为光光生生载载流流子子），使使流流过过PN结结的的电电流流随随着着光光照照强强度度的的增增加加而而剧剧增增，此此时时的反向电流称为光电流。的反向电流称为光电流。第72页，讲稿共78张，创作于星期日第73页，讲稿共78张，创作于星期日（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

49、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、1SV系列等。第74页，讲稿共78张，创作于星期日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，短脚为负第75页，讲稿共78张，创作于

50、星期日二极管性能测量二极管性能测量 二二极极管管性性能能鉴鉴别别的的最最简简单单方方法法是是用用万万用用表表测测其其正正、反反向向电电阻阻值值，阻阻值值相相差差越越大大，说说明明它它的的单单向向导导电性能越好。电性能越好。判判别别发发光光二二极极管管好好坏坏，用用R10k挡挡测测其其正正、反反向向阻阻值值，当当正正向向电电阻阻小小于于50 k，反反向向电电阻阻大大于于200 k时时均均为正常。为正常。第76页，讲稿共78张，创作于星期日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 B