信息功能材料PPT课件.ppt

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1、信息材料信息材料苏晓东苏晓东T2025/7/91本课程的性质和任务本课程的性质和任务 本课程是物理学专业的专业选修课，其任务是通过本课本课程是物理学专业的专业选修课，其任务是通过本课程的教学，使学生了解信息材料的发展概况，掌握主要程的教学，使学生了解信息材料的发展概况，掌握主要信息材料的功能、工作原理、及其主要的制备方法信息材料的功能、工作原理、及其主要的制备方法。学生在完成本课程学习后，对该领域拥有相当的学习和学生在完成本课程学习后，对该领域拥有相当的学习和研究兴趣，为从事相关领域的工作奠定良好的基础。研究兴趣，为从事相关领域的工作奠定良好的基础。2025/7/92p了解信息功能材料的发展过

2、程概况；了解信息功能材料的发展过程概况；p了解信息功能器件的结构和材料性能之间的关系；了解信息功能器件的结构和材料性能之间的关系；p掌握各种信息功能材料的工作原理，以及相关的制掌握各种信息功能材料的工作原理，以及相关的制备方法；备方法；p了解信息功能材料的应用领域；了解信息功能材料的应用领域；p了解信息功能材料当前的热点及其发展方向。了解信息功能材料当前的热点及其发展方向。课程的基本要求课程的基本要求2025/7/93纪律要求与考试形式纪律要求与考试形式纪律要求纪律要求1 1，不缺课。请假要有正式的请假条，由班主任签名。，不缺课。请假要有正式的请假条，由班主任签名。2 2，上课遵守课堂纪律，不

3、要妨碍他人。，上课遵守课堂纪律，不要妨碍他人。考试考试总分总分 =平时成绩平时成绩 x 30%+x 30%+闭卷考卷考试成绩成绩 x 70%x 70%加分鼓励：加分鼓励：提提问和回答和回答问题优秀者秀者,每每计一次一次总分加分加1 1分！分！2025/7/94何为信息何为信息梦断美人沉梦断美人沉信息信息目穿长路倚楼台目穿长路倚楼台 南唐李中,暮春怀故人信息作为一个科学概念以及科学研究对象信息作为一个科学概念以及科学研究对象,却只有五十多年的历史却只有五十多年的历史 对于信息的定义，人们还没有一致的认识。对于信息的定义，人们还没有一致的认识。v克劳德香农（Claude E.Shannon）：信息

4、是用以消除随机不确定性的东西。v维纳（N.Weiner）：“信息就是信息，不是物质，也不是能量”，把信息看成是与物质、能量具有同等重要性的客观世界三大要素之一。v钱学森：信息是“激活了、活化了的知识”，认为信息“就是为了解决一个特定的问题所需要的知识”。信息信息(Information)消息消息(Message)2025/7/951 1客观性客观性信息不是虚无缥缈的事物，它可以被人们感知、获取、传递和利用。2 2时效性时效性现代社会中，信息使用周期越来越短，信息的价值实现取决于对其及时地把握和运用。3 3载体性载体性 信息必须依附于一定的载体（如声波、电磁波、纸张、化学材料、磁性材料等）才能流

5、通和传递，否则，信息的价值就不能体现。4 4传递性传递性信息依附于一定的物质载体后，其传递和流通便成为可能。信息的传递性是指信息从信源出发，经过信息载体的传递被信宿接收并进行处理和利用的特性。5 5可塑性可塑性信息在流通和使用过程中，人们借助于先进的技术，可以对其进行综合、分析及加工处理。也就是把信息从一种形式变换成另一种形式。6 6共享性共享性共享性是指同一信息同时或不同时被多个用户使用，而信息的提供者并不因此而失去信息内容和信息量。信息的特征信息的特征2025/7/96何为信息材料何为信息材料具有信息产生、传输、转换、检测、存储、调制、处理和显示等功能的材料。种类繁多，均形成相关的产业。种

6、类繁多，均形成相关的产业。信息技术信息技术（IT,Information TechnologyIT,Information Technology）对信息进行存储、加工、传输与使用的理论、方法和设备的基本原理以及设计，制造的研究。信息材料信息材料(Information materials)Information materials)2025/7/970 0 绪论绪论1 1 微电子芯片技术发展对材料的需求微电子芯片技术发展对材料的需求2 2 半导体光电材料半导体光电材料3 3 有机光电子材料有机光电子材料4 4 信息功能陶瓷材料及应用信息功能陶瓷材料及应用5 5 信息传感材料信息传感材料6 6

7、光电显示材料光电显示材料7 7 光纤通信材料光纤通信材料8 8 磁性和磁光存储材料磁性和磁光存储材料9 9 高密度光信息存储材料高密度光信息存储材料10 10 压电、热释电与铁电材料压电、热释电与铁电材料11 11 非线性光学晶体材料非线性光学晶体材料12 12 固体激光材料的进展固体激光材料的进展课程内容课程内容2025/7/98更快更快更多更多更远更远更准确更准确信息的载体信息的载体0 绪绪 论论0.1 0.1 2121世纪是信息时代世纪是信息时代互联网、物联网互联网、物联网2025/7/99超高容量信息超高容量信息(Tb,10Tb,101212bits)bits)超大容量信息传输超大容量

8、信息传输(Tb/s)(Tb/s)超快实时信息处理，高频响应超快实时信息处理，高频响应(THz)(THz)信息功能材料信息功能材料0绪论绪论0.10.1 2121世纪是信息时代世纪是信息时代3T3T信息信息时代时代2121世纪是以信息产业为核心的知识经济时代世纪是以信息产业为核心的知识经济时代信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展。信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展。2025/7/910信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.2 0.2 信息技术的发展趋势信息技术的发展趋势 微微电子技子技术光电子技术光电子技术分子、生物，传感器电子技术分子、生物，传感器电子技术存储、显示电子技

9、术存储、显示电子技术现代信息技术包括对信息流的获取、传输、存储、处现代信息技术包括对信息流的获取、传输、存储、处理、检测、显示以及应用等的一系列技术，是一门范理、检测、显示以及应用等的一系列技术，是一门范围广阔、内容高度综合的科技领域。信息虽然是无形围广阔、内容高度综合的科技领域。信息虽然是无形的，但是从其所应用的技术手段来讲，主要是以的，但是从其所应用的技术手段来讲，主要是以光电光电形式形式进行的，所以现代信息技术也可视为进行的，所以现代信息技术也可视为光电信息技光电信息技术术。2025/7/911信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.2 0.2 信息技术的发展趋势信息技术的发展趋势光电

10、子对比光电子对比2025/7/912光子具有极高的信息容量和效率光子具有极高的信息容量和效率作为信息载体，光与电相比可承载信息的容量起码比后者高出34个量级，即千倍以上。信息功能材料信息功能材料0绪论绪论0.2信息技术的发展趋势信息技术的发展趋势光子特征光子特征 光子具有极快的响应能力光子具有极快的响应能力 电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9 s)量级，因此在电子通信中信息速率被限定在Gb/s(109bit/s)量级。光子是玻色子，没有电荷，而且能在自由空间传播，因此，光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级。光子具有极强的互连能力与并行能力光子具有极强的互连能力与并行能

11、力电子有电荷，因此电子与电子之间存在库仑作用力，这就使得它们彼此间无法交连。对于光子来说，在这些方面恰恰显示出特有的优势。光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性等。光子具有极大的存储能力光子具有极大的存储能力不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑频率“维”等，可用于存储的参量很多。因此，可以说，光子具有极大的存储能力。2025/7/913(a)a)是全电子是全电子(eeee)过程过程如果有光(O)参与，它只是起辅助作用(如提供能源等)，典型的例子是由太阳能电池供电的各种电子设备。信息功能材料信息功能材料0绪论绪论0.2信息技术的发展趋势信息技

12、术的发展趋势光子与电子在信息领域的光子与电子在信息领域的4种模式：种模式：(b)b)是全光子是全光子(PP)PP)过程过程电(E)在其中起辅助作用，如各种光子源(激光器等)。典型的例子是全光通信系统。(C)C)与与(d)d)则是光电结合则是光电结合其中(c)的典型例子是光电探测及现行的各种光电通信接收系统等；(d)的典型例子是电致发光及各种电视接收系统等。2025/7/9141.硅材料和硅集成芯片的问世，有今天微电子技术；硅材料和硅集成芯片的问世，有今天微电子技术；2.光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子光学纤维材料的发明，砷化镓材料的突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，以及半导

13、体激光器和超高速器件的发阱材料的研制成功，以及半导体激光器和超高速器件的发展，有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网展，有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术；络技术；3.基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用，人类必基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用，人类必将进入一个变幻莫测、奇妙无比的量子世界，将对人类的将进入一个变幻莫测、奇妙无比的量子世界，将对人类的生产和生活方式产生深远的影响。生产和生活方式产生深远的影响。信息功能材料与器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、信息功能材料与器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域，极有

14、可能触发用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域，极有可能触发新的信息技术革命。新的信息技术革命。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.2信息技术的发展趋势信息技术的发展趋势信息功能材料是信息技术发展的基础和先导信息功能材料是信息技术发展的基础和先导2025/7/915信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息材料（信息材料（informationinformationmaterialsmaterials），是为实现信息探测、，是为实现信息探测、传传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。按功能分，信息输、存储、显示和处

15、理等功能使用的材料。按功能分，信息材料主要有以下几类。材料主要有以下几类。信息处理技术和材料信息处理技术和材料信息传递技术和材料信息传递技术和材料信息存储技术和材料信息存储技术和材料信息显示技术和材料信息显示技术和材料信息获取技术和材料信息获取技术和材料激光材料和光功能材料激光材料和光功能材料2025/7/916以大规模集成电路技术为基础的计算机技术以大规模集成电路技术为基础的计算机技术仍是信息处理的主要技术。仍是信息处理的主要技术。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息处理技术和材料信息处理技术和材料根据一个根据

16、一个芯片芯片上集成的上集成的微电子器件微电子器件的数量的数量，集成电路可以分为：，集成电路可以分为：小规模集成电路小规模集成电路(SSI)(SSI)(1010或或1212个个逻辑门逻辑门以内以内)中规模集成电路中规模集成电路(MSI)(MSI)(1010010100个个逻辑门逻辑门)大规模集成电路大规模集成电路(LSI)(LSI)(10010001001000个个逻辑门逻辑门)甚大规模集成电路甚大规模集成电路(VLSI)(1000(VLSI)(1000个逻辑门以上个逻辑门以上)超大规模集成电路超大规模集成电路(ULSI)(ULSI)等。等。2025/7/917以硅材料为核心的集成电以硅材料为核

17、心的集成电路继续占有重要位置。路继续占有重要位置。砷化镓也是一种重要的集砷化镓也是一种重要的集成电路材料。成电路材料。先进材料制备工艺和加工技术的研究不断深挖该材料的应用潜能。先进材料制备工艺和加工技术的研究不断深挖该材料的应用潜能。不断扩大的晶圆尺寸不断扩大的晶圆尺寸从从100 125150200300mm100 125150200300mm，并向，并向400mm 400mm 过渡，以提高芯片产量和过渡，以提高芯片产量和降低芯片成本降低芯片成本 不断缩小的芯片特征尺寸，深亚微米技术不断缩小的芯片特征尺寸，深亚微米技术1mm0.8mm0.5mm0.35mm0.25mm0.18mm0.13mm9

18、0nm1mm0.8mm0.5mm0.35mm0.25mm0.18mm0.13mm90nm，并向，并向22nm 22nm 进军。进军。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息处理技术和材料信息处理技术和材料2025/7/918主要以光子作为信息载体，即用主要以光子作为信息载体，即用光纤通信代替电缆和微波通信是光纤通信代替电缆和微波通信是2020世纪通信技术的重大进步。世纪通信技术的重大进步。研制先进的光纤材料，半导体激研制先进的光纤材料，半导体激光器，光纤放大器，光调制器材光器，光纤放大器，光调制器材料，光滤波器材料以

19、及各种光器料，光滤波器材料以及各种光器件材料，是发展新的光纤通信系件材料，是发展新的光纤通信系统的基础。统的基础。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息传递技术和材料信息传递技术和材料2025/7/919磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存储；磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存储；光储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外存；光储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外存；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；半导体动态存

20、储材料，目前以硅为主，用于内存。半导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息存储技术和材料信息存储技术和材料2025/7/920将各种形式的信息作用于人的视觉而为人所感知的手段为信息显示技术。将各种形式的信息作用于人的视觉而为人所感知的手段为信息显示技术。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息显示技术和材料信息显示技术和材料 平板显示技术平板显示技术-液晶显示技术（液晶显示技术（LCDLCD）TFT

21、LCD TFT-LCD目前能做到目前能做到3030寸左右寸左右-等离子显示技术（等离子显示技术（PDPPDP）等离子能做到等离子能做到4040寸以上寸以上-场致发射显示（场致发射显示（FEDFED）FED FED的最大优点就是它提供最亮、最美、又低耗能的的最大优点就是它提供最亮、最美、又低耗能的显示器。医疗器材及飞行仪表上常指定要这种高价位的显示器。医疗器材及飞行仪表上常指定要这种高价位的FEDFED。-发光二极管显示技术（发光二极管显示技术（LEDLED）；电致发光有机材料）；电致发光有机材料（OLEDOLED）LED LED属于全固体冷光源，更小、更轻、更坚固，工作属于全固体冷光源，更小

22、更轻、更坚固，工作电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。电视机使用的显示器称为阴极射线管电视机使用的显示器称为阴极射线管（CRT：cathode-raytube）2025/7/921几种主要显示器性能比较几种主要显示器性能比较类型类型显示显示容量容量对对比比度度彩色彩色化化灰度灰度亮度亮度功耗功耗画面画面大小大小数字数字化化寿命寿命成本成本LED（二极管）很大很好很好很好很好小很大很好很长很低VFD（荧光）不大好不好不好好小大好一般很低PDP（等离子）很大好很好好较好小大很好一般较高CRT（电子束）大很好很好很好一般较小小不好一般较高信息功能材料信息功能材料

23、0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息显示技术和材料信息显示技术和材料2025/7/922信息的获取主要采用探测信息的获取主要采用探测器和传感器。器和传感器。对电、磁、对电、磁、光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料均光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料均可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏感材料、光敏感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等多种。等多种。信息功能材料信息功能材料0 绪

24、绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料信息获取技术和材料信息获取技术和材料2025/7/923半导体激光器半导体激光器：低阈值，低功耗，长寿命，响应快低阈值，低功耗，长寿命，响应快掺钕铝石榴石（Nd：YAG）激光棒可调谐固体激光器：可调谐固体激光器：-近红外波段调谐的近红外波段调谐的CrCr3+3+、V V2+2+掺杂固体材料；掺杂固体材料；-红外波段调谐的红外波段调谐的NiNi2+2+、CrCr2+2+掺杂固体材料；掺杂固体材料；-紫外波段调谐的紫外波段调谐的CeCe3+3+掺杂固体材料；掺杂固体材料；-可见光波段至近红外波段调谐的可见光波段至近

25、红外波段调谐的Ti:AlTi:Al2 2O O3 3激光材料。激光材料。高效固体激光器：高效固体激光器：-掺钕铝石榴石（掺钕铝石榴石（Nd：YAG，波长为，波长为1.06m呈白呈白蓝色光蓝色光；-钕玻璃，波长钕玻璃，波长1.06m呈呈紫蓝色光紫蓝色光；-红宝石，波长为红宝石，波长为694.3nm，为红色光为红色光。信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 0.30.3信息技术发展的几个方面及相关材料信息技术发展的几个方面及相关材料激光材料和光功能材料激光材料和光功能材料2025/7/924 以集成电路为基础的微电子技术产业继续占有重要位置。以集成电路为基础的微电子技术产业继续占有重要位置。信息功能

26、材料信息功能材料1 绪绪论论 1.4 1.4 信息材料产业的现状与展望信息材料产业的现状与展望光电信息功能材料的研究为当代科学的前沿，具有多学科交叉的光电信息功能材料的研究为当代科学的前沿，具有多学科交叉的特点，是一个极富创新和挑战的领域。信息材料也从体材料发展到特点，是一个极富创新和挑战的领域。信息材料也从体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向光电信息功能集成芯片和有机薄层、超薄层微结构材料，并正向光电信息功能集成芯片和有机无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。以光通信，光存储，光电显示为基础的光电子技术产业。以光通信，光存储，光电显示为基础的光电子

27、技术产业。2025/7/925（1）微纳电子材料和器件）微纳电子材料和器件（2）光电子材料与器件）光电子材料与器件（3）第三代（高温宽带隙）半导体材料与器件）第三代（高温宽带隙）半导体材料与器件（4）纳米电（光）子材料和器件）纳米电（光）子材料和器件（5）海量存储材料与器件）海量存储材料与器件（6）平面显示材料、器件与系统集成）平面显示材料、器件与系统集成（7）全固态激光材料和激光技术）全固态激光材料和激光技术（8）半导体照明工程：照明光源的革命）半导体照明工程：照明光源的革命信息功能材料信息功能材料0 绪绪论论 信息功能材料重点研究方向和领域信息功能材料重点研究方向和领域2025/7/926

28、思考题思考题1 1，信息功能材料的范畴。，信息功能材料的范畴。2 2，当今信息功能材料发展的趋势。，当今信息功能材料发展的趋势。2025/7/927半导体材料概述半导体材料概述 1 1 半导体材料半导体材料 2 2 半导体基础半导体基础 3 3 半导体器件半导体器件2025/7/9281 1 半导体材料半导体材料1.1 1.1 元素半导体元素半导体1.2 1.2 二元化合物半导体二元化合物半导体1.3 1.3 三元化合物半导体三元化合物半导体1.4 1.4 四元化合物半导体四元化合物半导体1.5 1.5 常见半导体材料及其应用常见半导体材料及其应用2025/7/929 半导体单质单质材料是硅，

29、锗。化合物半导体（和主族元素形成，如砷化镓等,以及VI族元素化合物半导体,如硒化锌等)。半半导体材料体材料是二十世是二十世纪中最重要、最有影响的功能材料之一。它在中最重要、最有影响的功能材料之一。它在微微电子子领域域内具有独占的地位，同内具有独占的地位，同时又是又是光光电子子领域域的主要材料。的主要材料。计算机技算机技术，通信技，通信技术和自和自动控制技控制技术等一切当代高技等一切当代高技术都离不开半都离不开半导体材料。体材料。1 1 半导体材料半导体材料导电特性导电特性-电阻率电阻率导导 体体:10:10-6-61010-4-4 .cm.cm半导体半导体:10:10-4-410108 8 .

30、cm.cm绝缘体绝缘体:大于大于10108 8 .cm.cm2025/7/9301.1 1.1 元素半导体元素半导体第一代半导体材料以第一代半导体材料以 SiSi和和 GeGe为代表。为代表。特点：特点：均为第四族元素均为第四族元素均具为金刚石晶体结构均具为金刚石晶体结构均有间接的能隙均有间接的能隙（indirect band gapindirect band gap）金刚石结构是由两套金刚石结构是由两套fcc格子相互沿对角线位移格子相互沿对角线位移1/4处套合而成。处套合而成。2025/7/9311.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiSiSiSi在自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次

31、于氧。是构成在自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。矿物和岩石的主要成分。硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。脆的固体。硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。Lattice constant:0.54 nm,Lattice constant:0.54 nm,Si atom spacing:0.24 nmSi atom spacing:0.24 nm每个晶胞含有每个晶胞含有8 8个原子个原子能隙：能隙：1.1eV1

32、1eV2025/7/9321.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiSi的优点的优点和和GeGe相比相比:易于制备大尺寸单晶；易于制备大尺寸单晶；Si 比比 Ge的能隙宽，更高的运行温度的能隙宽，更高的运行温度(125-175 oC vs.85 oC)Si 容易生成本体氧化物容易生成本体氧化物(SiO2)，SiO2是一种高质量的绝缘体，是一种高质量的绝缘体，在在IC加工过程中可以有效保护加工过程中可以有效保护Si材料上的电路。材料上的电路。Si 更便宜和资源丰富更便宜和资源丰富。2025/7/933比比 GaAsGaAs低的电子迁移率低的电子迁移率 间接带隙间接带隙:弱的光子吸收和发射弱的光

33、子吸收和发射 难以应用难以应用于光电子器件。于光电子器件。MaterialMobility(cm2/V.s)Simn=1500,mp=460Gemn=3900,mp=1900GaAsmn=8000,mp=3801.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiSi的不足的不足2025/7/9341.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiSi硅硅是良好的半导体材料，硅可用来制造是良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路集成电路、晶体管晶体管、硅整流硅整流器器等半导体器件，还可以制成等半导体器件，还可以制成太阳能电池太阳能电池，可制成有良好导磁性、，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。耐酸性的合金。大规模集成

34、电路2025/7/9351.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiOSiO2 2天然二氧化硅也叫天然二氧化硅也叫硅石硅石。砂子砂子的主要成分就是二氧化硅，的主要成分就是二氧化硅，石英石英的主要成分也是二氧化硅，的主要成分也是二氧化硅，水晶水晶是纯度较高的二氧化是纯度较高的二氧化硅。硅。二二氧氧化化硅硅晶晶体体2025/7/936二氧化硅二氧化硅可用来做可用来做光导纤维光导纤维；石英石英可用来做可用来做石英钟、石英表石英钟、石英表，耐高，耐高温的温的石英玻璃石英玻璃；水晶水晶可以用来制造电子工业中的重要可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等。部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等

35、玛瑙玛瑙为含有有色杂质的石英，可用于为含有有色杂质的石英，可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等。等。1.1 1.1 元素半导体元素半导体/SiOSiO2 2玛瑙玛瑙二氧化硅二氧化硅是制备工业是制备工业硅单晶硅单晶的原料，也是集成电路上应用的绝缘材料。的原料，也是集成电路上应用的绝缘材料。2025/7/9371.2 1.2 二元化合物半导体二元化合物半导体（Binary compound semiconductor）III-VIII-V族族 II-VIII-VI族族 IV-VIIV-VI族族 IV-IVIV-IV族族大多数具有大多数具有直接能隙直接能隙，

36、可以研制光学器件，可以研制光学器件;有较宽的有较宽的能隙范围能隙范围，但是不连续，但是不连续;可以生长出可以生长出块材块材，切割出，切割出晶圆晶圆(Wafer)。化合物半导体化合物半导体不同于不同于元素半导体元素半导体的性质主要有二：的性质主要有二：一是化合物半导体的电子迁移率要快许多，因此适用于高频传输，在无线通讯如一是化合物半导体的电子迁移率要快许多，因此适用于高频传输，在无线通讯如手机，卫星通信，卫星定位等皆有应用；手机，卫星通信，卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具备高效率的光电转换特性，可应用在光电转换领域，如发光二是化合物半导体具备高效率的光电转换特性，可应用在光电转换领域，如发

37、光二极管，激光，光接收器及太阳能等产品。二极管，激光，光接收器及太阳能等产品。2025/7/9381.21.2二元化合物半导体二元化合物半导体（Binary compound semiconductor）2025/7/939附：半附：半导体材料的性能参数体材料的性能参数材料系列材料系列材料名称材料名称晶体晶体结构构晶格常数晶格常数能隙能隙eVeV能能带类型型IVIVSiSiD D5.430955.430951.1241.124间接接IVIVGeGeD D5.646135.646130.660.66间接接III-VIII-VAlAsAlAsZ Z5.66055.66052.172.17间接接II

38、I-VIII-VGaPGaPZ Z5.45125.45122.262.26直接直接III-VIII-VGaAsGaAsZ Z5.65335.65331.421.42直接直接III-VIII-VInPInPZ Z5.86865.86861.351.35直接直接III-VIII-VInSbInSbZ Z6.47946.47940.170.17直接直接III-VIII-VGaNW Wa=3.189,c=5.1853.36直接直接II-VIII-VIZnSZnSZ Z5.4205.4203.683.68直接直接II-VIII-VICdSCdSZ Z5.83205.83202.422.42直接直接IV-

39、VIPbSPbSR R5.93625.93620.410.41直接直接IV-IVSiCSiCW Wa=3.086a=3.086，c=15.117c=15.1172.9962.996IV-IVSixGe1-xSixGe1-xZ Z间接接*D=D=（Diamond）金刚石）金刚石Z=Zinc Z=Zinc blendeblende:闪锌矿 W W=Wurtzite,：纤维：纤维锌矿 R=Rock saltR=Rock salt：岩：岩盐2025/7/940第二代半导体的代表第二代半导体的代表GaAs:闪锌矿结构（闪锌矿结构（Zincblendelattice）类似金刚石结构类似金刚石结构,两套不等

40、价的格子（两套不等价的格子（GaGa和和AsAs）分别由不同的）分别由不同的原子占据原子占据 。1.21.2二元化合物半导体二元化合物半导体/GaAsGaAs2025/7/941同锗和硅相比，砷化镓的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能同锗和硅相比，砷化镓的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能引入深能级杂质，电子有效质量小，具有双能谷导带等特点。引入深能级杂质，电子有效质量小，具有双能谷导带等特点。1.21.2二元化合物半导体二元化合物半导体/GaAsGaAs光电子器件光电子器件，砷化镓可直接研制如发光二极管、可见光激光器、近，砷化镓可直接研制如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、

41、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池等。红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池等。微电子方面微电子方面，可以研制的砷化镓高速集成电路、微波单片电路、光，可以研制的砷化镓高速集成电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，具有速度快、频率高、电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点。低功耗和抗辐射等特点。目前，产业化的应用产品为手机功率放大器和光通讯产业的光收发器。目前，产业化的应用产品为手机功率放大器和光通讯产业的光收发器。2025/7/9421.21.2二元化合物半导体二元化合物半导体/GaNGaN以以氮

42、化镓氮化镓和和碳化硅碳化硅为代表的为代表的第三代第三代半导体材料半导体材料具有禁带宽度大、击穿具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特强、良好的化学稳定性等独特的特性，它在光显示、光存储、光探测性，它在光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应电子等微电子器件领域有广阔的应用前景。用前景。2025/7/9431.21.2二元化合物半导体二元化合物半导体/ZnOZnO禁带宽度为禁带宽度为3.37eV

43、3.37eV，属直接带隙。属直接带隙。和和GaNGaN、SiCSiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380nm380nm附近紫附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。器的候选材料。ZnOZnO的激子束缚能高达的激子束缚能高达60 60 meVmeV，比其他半导体材料高得多（比其他半导体材料高得多（GaNGaN为为26meV26meV），），因而具有比其他材料更高的发光效率。因而具有比其他材料更高的发光效率。另外另外,ZnOZnO材料的生长非常安全，可以采用没

44、有任何毒性的水为氧源，材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规用有机金属锌为锌源原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。模生产和持续发展。ZnOZnO掺杂掺杂V V、CrCr、FeFe、CoCo、NiNi元素能够产生自旋极化，形成高于室温的元素能够产生自旋极化，形成高于室温的稀磁性透明半导体，是下一代微电子和光电子领域自旋电子学期间有稀磁性透明半导体，是下一代微电子和光电子领域自旋电子学期间有重要价值的材料之一。重要价值的材料之一。2025/7/9441.31.3三元化合物半导体三元化合物半导体（Ter

45、nary compound semiconductor）通过调节各组元成分，可以得到通过调节各组元成分，可以得到连续的能隙；连续的能隙；晶格常数晶格常数和成分成和成分成线性关系线性关系(VegardsLaw)。三元化合物半导体二个元素来自同一族，另一个来自其它族。有三元化合物半导体二个元素来自同一族，另一个来自其它族。有两种选择两种选择:(III-V)AIII(1-x)BIII(x)CV=AIIICV(1-x)+BIIICV(x)：AlGaAsAIIIBV(1-y)CV(y)=AIIIBV(1-y)+AIIICV(y）：GaAsP2025/7/9451.31.3三元化合物半导体三元化合物半导体

46、/AlGaAs,InGaAs,InAlAs2025/7/9461.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体（Quarternaries compound semiconductor）四元化合物半导体有两种类型：四元化合物半导体有两种类型：(III-V(III-V 族族)2 2 元素来自同一族，另外元素来自同一族，另外2 2个元素来自其它族个元素来自其它族 :A AIII(1-x)III(1-x)B BIII(x)III(x)C CV(1-y)V(1-y)D DV(y)V(y)=A=AIIIIIIC CV V(1-x)(1-y(1-x)(1-y）+A+AIIIIIID DV V(1-x)y(1-

47、x)y+B+BIIIIIIC CV V x(1-yx(1-y）+B+BIIIIIID DV V xyxy 3 3 元素来自同一族元素来自同一族,另外另外1 1个元素来自其它族个元素来自其它族 A AIII(1-x-y)III(1-x-y)B BIII(x)III(x)C CIII(y)III(y)D DV V=A=AIIIIIID DV V(1-x-y)(1-x-y)+B+BIIIIIID DV V(x(x）+C+CIIIIIID DV V(V(V）通过四元化合物半导体的设计，可以得到通过四元化合物半导体的设计，可以得到晶格常数晶格常数和二元衬底和二元衬底相匹配相匹配的半导的半导体材料。体材料

48、InGaAlAsInGaAlAs：InGaAsPInGaAsP2025/7/9471.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体/InGaAlAsInGaAlAs III-V III-V2025/7/9481.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体/III-V III-V InGaAsPInGaAsP and and AlGaAsSbAlGaAsSb2025/7/9491.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体/III-V III-V GaInAsSbGaInAsSb2025/7/9501.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体/III-V III-V GaAlAsPGaAlAsP a

49、nd and GaAlInPGaAlInP2025/7/9511.41.4四元化合物半导体四元化合物半导体/III-V III-V 纤维锌矿结构纤维锌矿结构 GaInAlNGaInAlN以气相外延技术合成的以气相外延技术合成的Al,Ga,In,NAl,Ga,In,N四元材料四元材料,可以涵盖所有的可见光。可以涵盖所有的可见光。0.39-0.770.39-0.77微米。微米。2025/7/952导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在1010-1010100 S100 Scmcm-1-1范围内的有机物。范围内的有机物。有机半

50、导体可分为有机物、聚合物和给体有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。受体络合物三类。有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、孔雀有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物，如紫精、酞菁、孔雀石绿、若丹明石绿、若丹明B B等。等。聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物，如聚苯、聚乙聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共轭型聚合物，如聚苯、聚乙炔、聚乙烯咔唑、聚苯硫醚等。炔、聚乙烯咔唑、聚苯硫醚等。电荷转移络合物由电子给体与电子接受体二部分组成，典型的有四电荷转移络合物由电子给体与电子接受体二部分组成，典型的有四甲基对苯二胺与四氰基醌二甲烷复合物。甲基对苯二胺与四氰基醌