電子材料課程學(xué)科分類：材料學(xué)授課人：譚婷婷

2010年9月Tel-mail:tan-tt@課程概論課程名：電子材料學(xué)分：3

時(shí)間：秋季學(xué)期4-13周先修課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理

本課程為本專業(yè)高年級(jí)專業(yè)課，它緊密地把基礎(chǔ)理論與生產(chǎn)實(shí)踐溶于一體。學(xué)生學(xué)習(xí)本課程后，更深入掌握固體物理、電介質(zhì)物理、磁性物理的基礎(chǔ)知識(shí)，具備從事電子材料生產(chǎn)、研究、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的基本能力。電子材料的重點(diǎn)是闡明各類電子材料晶體結(jié)構(gòu)、電磁特性及影響因素、基本工藝，為研制電子材料奠定理論與實(shí)踐.課程性質(zhì)和任務(wù)教材和參考資料電子材料導(dǎo)論李言榮清華大學(xué)出版社半導(dǎo)體物理與器件DonaldA.Neamen著趙毅強(qiáng)譯 電子工業(yè)出版社固體物理 黃昆高等教育出版社材料物理性能吳其勝華東理工大學(xué)出版社半導(dǎo)體器件學(xué)

劉恩科 電子工業(yè)出版社課程內(nèi)容第二章導(dǎo)電材料

第三章半導(dǎo)體材料

第四章電介質(zhì)材料

第五章超導(dǎo)材料

第六章光電子材料第七章磁性材料

第一章電子材料概論成績(jī)考核課程考核平時(shí)表現(xiàn)：20％期末考試：80％

第一章電子材料概論§1.1電子材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位§1.2電子材料的分類§1.3電子材料對(duì)環(huán)境的要求§1.4電子材料的應(yīng)用與發(fā)展§1.1電子材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位

電子材料是指與電子工業(yè)有關(guān)的、在電子學(xué)和微電子學(xué)中使用的材料，是電子工業(yè)和電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料同信息工程、能源工程及生物工程并列為當(dāng)今世界上新技術(shù)革命的四大支柱，是人類生產(chǎn)活動(dòng)和生活必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。從材料用途來(lái)區(qū)分

結(jié)構(gòu)材料

功能材料從功能特性來(lái)區(qū)分

半導(dǎo)體材料

導(dǎo)電材料

電子陶瓷材料

磁性材料

光電子材料

敏感材料……從結(jié)構(gòu)狀態(tài)來(lái)區(qū)分

單晶體

多晶體

非晶體

液晶體

從化學(xué)成分來(lái)區(qū)分無(wú)機(jī)電子材料有機(jī)電子材料§1.2電子材料的分類§1.3電子材料對(duì)環(huán)境的要求

溫度壓力濕度環(huán)境中的化學(xué)顆粒及塵埃霉菌和昆蟲輻射機(jī)械因素§1.4電子材料的應(yīng)用與發(fā)展結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合智能材料減少污染節(jié)省能源長(zhǎng)壽命與可控壽命

為適應(yīng)電子整機(jī)和設(shè)備小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化、多功能，現(xiàn)在社會(huì)要求電子元器件的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)必須向小型化、高集成化、片式化發(fā)展；電子材料今后將盡可能適應(yīng)電子元器件的這些要求。第二章導(dǎo)電材料§2.1導(dǎo)電材料的基礎(chǔ)知識(shí)§2.2高導(dǎo)材料§2.3高電阻材料§2.4其他導(dǎo)電材料§2.1導(dǎo)電材料的基礎(chǔ)知識(shí)1、導(dǎo)電材料的定義

導(dǎo)電材料是指電流容易通過(guò)的材料，常用作電極、電刷、電線等。作為導(dǎo)電材料，希望其電阻率盡可能小（≤10-6Ω·m）。2、導(dǎo)電材料的性質(zhì)

（1）電阻與電阻率式中，R為導(dǎo)體的電阻，L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，A為橫截面面積，ρ為材料的電阻率。單位為Ω·m（或Ω·cm），指1m3（或1cm3）材料的電阻，僅與導(dǎo)電材料有關(guān)。(2-1)材料電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率：(2-2)歐姆定律：（2）電阻溫度系數(shù)式中，RT1為在基準(zhǔn)溫度T1的電阻，αT1為在基準(zhǔn)溫度T1的電阻溫度系數(shù)。(2-3)3、金屬的導(dǎo)電理論

（1）經(jīng)典電子理論在經(jīng)典電子理論中，把金屬設(shè)想成是由原子或離子組成的一種有規(guī)則的三維排列，自由電子可以在金屬中來(lái)回運(yùn)動(dòng)。自由電子在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，自由電子在金屬陽(yáng)離子之間不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各向同性。施加外電場(chǎng)E后，電子除本身的熱運(yùn)動(dòng)外，沿電場(chǎng)反方向做定向運(yùn)動(dòng)。如果每單位體積中有n個(gè)電子，它們以速度VE平行于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，電流密度則為：（2-4）電子在兩次碰撞之間的平均時(shí)間稱為弛豫時(shí)間，用τ表示，電子的加速度為:a=qE/me（2-5）則（2-6）代入（2-4）得（2-7）則（2-8）由電子平均熱運(yùn)動(dòng)速度和平均自由程可得弛豫時(shí)間為：（2-9）于是（2-10）根據(jù)經(jīng)典電子理論可以解釋金屬導(dǎo)電的很多問(wèn)題，但還有許多問(wèn)題不能解決，比如電導(dǎo)率的數(shù)值及其對(duì)溫度的依賴關(guān)系不能得出正確的結(jié)果。（2）量子力學(xué)的金屬電子理論

量子力學(xué)認(rèn)為，電子的能量是不連續(xù)的，它服從泡利不相容原理，其運(yùn)動(dòng)速度是按費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的。若用費(fèi)米速度VF代替經(jīng)典理論中的平均速度，則式（2-7）可寫為：（2-11）式中nef

表示單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)過(guò)程的電子數(shù)，me*稱為電子的有效質(zhì)量，它是考慮了晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。理想金屬晶體中，原子的排列是完全等距的，電子在其中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題可以用量子力學(xué)的薛定諤方程加以解決，這個(gè)方程的解說(shuō)明，由原子形成的勢(shì)場(chǎng)完全是周期的，則電子有一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的平均自由程，其電阻率為零。在實(shí)際晶體中，固體中存在缺陷，這些缺陷破壞了晶體點(diǎn)陣所形成的周期性勢(shì)場(chǎng)，充當(dāng)了電子散射中心，并決定電子的平均自由程和電導(dǎo)率。固體缺陷主要有：化學(xué)雜質(zhì)、空穴、填隙原子、位錯(cuò)、晶界和裂紋等物理缺陷。4、影響導(dǎo)體電阻率的主要因素溫度缺陷雜質(zhì)（溶質(zhì)原子）壓力冷加工……（1）電阻率與溫度的關(guān)系若以ρ0和ρT分別表示金屬在0℃和T(℃)溫度下的電阻率，則(2-12)式中α是電阻溫度系數(shù)，由上式：(2-13)溫度越高，金屬的電阻率越大。（2）電阻率與缺陷的關(guān)系空位、間隙原子以及它們的組合、位錯(cuò)等晶體缺陷使金屬電阻率增加。金屬內(nèi)部的空位引起的附加電阻率：(2-14)式中，E為空位形成能，A為常數(shù)，T為溫度。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，點(diǎn)缺陷所引起的剩余電阻率的變化遠(yuǎn)比線缺陷的影響大。（3）電阻率與雜質(zhì)的關(guān)系馬西森定律（MatthiessenRule）金屬總的電阻包括金屬的基本電阻和雜質(zhì)（溶質(zhì)）濃度引起的電阻，（2-15）式中，ρ’是與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等有關(guān)的電阻率，ρ(T)為金屬與溫度有關(guān)的電阻率。高溫時(shí)，ρ(T)占主導(dǎo)低溫時(shí)，ρ’占主導(dǎo)把在極低溫度（一般為4.2K）下測(cè)得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻率?？勺鳛楹饬拷饘偌兌鹊闹匾笜?biāo)。溶質(zhì)原子及雜質(zhì)對(duì)電阻的影響與以下三個(gè)因素有關(guān)：①與加入的溶質(zhì)原子或雜質(zhì)濃度，以及它們與基體金屬的價(jià)電子差數(shù)有關(guān)。②溶質(zhì)原子或雜質(zhì)與基體金屬的原子半徑之差越大，則晶格畸變?cè)酱螅娮璧脑黾泳驮酱?。③與溶質(zhì)原子或雜質(zhì)在基體金屬中所處的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)形成兩相混合物時(shí)，其電阻隨高電阻金屬的含量增多而按比例增加；形成固溶體時(shí)，由于點(diǎn)陣交雜，使晶格的點(diǎn)陣規(guī)律受到較大的破壞，電阻率增大。（4）電阻率與壓力的關(guān)系在巨大的流體靜壓條件下，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)等都將發(fā)生變化，會(huì)顯著影響金屬的導(dǎo)電性能。在流體靜壓下，金屬的電阻率可用下式計(jì)算：(2-16)式中，ρ0表示在真空條件下的電阻率，P表示壓力，

φ是壓力系數(shù)。按壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響，可將金屬分為兩種，即正常金屬和反常金屬。正常金屬：隨壓力增大，金屬的電阻率下降。如鐵、鈷、鎳、鈀、鉑、銥、銅、銀、金、鋯等。反常金屬：隨壓力增大，金屬的電阻率增大。如堿金屬和稀土金屬等。（5）電阻率與冷加工的關(guān)系彈性變形對(duì)金屬材料的電阻影響很小塑性變形晶格畸變，晶體中可能出現(xiàn)空位、置換原子，位錯(cuò)及晶界彎曲等引起電子散射增加金屬的電阻率增大5、金屬的熱電效應(yīng)ABT0T將兩種不同的金屬兩端互相緊密地連接在一起回路中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)形成熱電流金屬的熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）當(dāng)T>T0稱為兩種材料的接觸電勢(shì)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（1）兩種材料的接觸電勢(shì)（珀?duì)栯妱?shì)）不同的金屬，其自由電子密度是不相同的。當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處就要發(fā)生電子擴(kuò)散，電子濃度大的金屬中的自由電子就會(huì)向電子濃度小的金屬中擴(kuò)散。這時(shí)，電子濃度大的金屬因失去電子而具有正電位，反之，電子濃度小的金屬由于接收擴(kuò)散來(lái)的多余電子而帶負(fù)電。這種擴(kuò)散一直持續(xù)到動(dòng)態(tài)平衡為止，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的大小除與兩種材料的性質(zhì)有關(guān)，還與接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫度越高，電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越激烈，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的接觸電勢(shì)也就越高。（2-17）式中，nA、nB分別為材料A、B的自由電子濃度。（2）單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）同一導(dǎo)體，若兩端溫度不同，T>T0，則在兩端會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)UA(T,T0)。導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散。高溫段失去電子，帶正電，而低溫端則得到電子而帶負(fù)電。（2-18）式中，σA為湯姆遜系數(shù)。（3）熱電偶通常把前面圖中所示的由兩種不同導(dǎo)體所構(gòu)成的回路稱為熱電偶，A、B兩導(dǎo)體則稱為熱電極。根據(jù)熱電效應(yīng)，可選用熱電偶電勢(shì)大的兩種金屬組成熱電偶，用來(lái)測(cè)量溫度和作溫度控制用，具有測(cè)量溫度范圍寬、靈敏度和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。§2.2高導(dǎo)材料具有高電導(dǎo)率的導(dǎo)電金屬。常用導(dǎo)電材料銅合金銅鋁

鈹銅合金鐵銅合金銅鋅合金銅鎳合金銅-鎳-鋅合金鋁合金（Aldrey）Si(0.5%-0.6%)、Mg(4%)、Fe(0.3%)成分1、銅及銅合金純銅又稱紫銅，外觀呈淡紫紅色，是導(dǎo)電材料中最主要的金屬，具有良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性，塑性加工性能好，便于進(jìn)行各種冷熱加工。銅中所含雜質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率的影響甚大，即使微量也會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率的顯著下降。最大缺點(diǎn)是硬度低、耐磨性差。雜質(zhì)對(duì)銅導(dǎo)電性的影響鋁的資源豐富，價(jià)格比銅低，因此除對(duì)導(dǎo)體尺寸及機(jī)械性能等有特殊要求的場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先采用鋁作導(dǎo)體材料。主要缺點(diǎn)，不易焊接。鋁合金：鋁硅合金、鋁鎂合金、鋁鎂硅合金2、鋁及鋁合金3、其他純金屬導(dǎo)電材料銀（Ag）金（Au）鉑（Pt）汞（Hg）鉛（Pb）錫（Sn）鎳（Ni）鋅（Zn）鎢（W）鉬（Mo）鈦（Ti）……鉻鋯銅縫焊輪鈹鎳銅（稀土銅）鉻鋯銅棒冷擠壓電極頭電極材料鈹銅線材鈹銅各種電極頭,電極帽等鎢銅§2.3

高電阻材料高電阻材料是指電阻率較高的一類導(dǎo)電材料，主要用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)電阻器、變阻器、電熱器及一些敏感電阻器件。電阻合金材料錳銅電阻合金康銅電阻合金鎳鉻系電阻合金貴金屬電阻合金電接觸材料：可變電阻器、電位器、開(kāi)關(guān)插頭座、繼電器等電子元件。焊接材料：將兩個(gè)以上相互分離的金屬結(jié)合起來(lái)，不僅實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的接合，更重要的是完成電的連接。熔體材料：要求材料有確定的熔斷溫度，熔斷器。電碳材料：非金屬高電阻導(dǎo)電材料，主要包括石墨等結(jié)晶形碳和炭黑等無(wú)定形碳。導(dǎo)電高聚物和導(dǎo)電膠粘劑：基體高聚物、導(dǎo)電填料等?！?.4其他導(dǎo)電材料薄膜導(dǎo)電材料薄膜：厚度小，電阻值可以做到較高。