专业导论-电子材料与元器件概论.pdf

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1、专业导论专业导论(二二)电子信息材料与元器电子信息材料与元器件概述件概述一、引言一、引言二、电子信息材料概述二、电子信息材料概述三、三、电子元器件概述电子元器件概述本章内容本章内容：一.引言以以3C-计算机计算机(computer),通信通信(communication),家用电器家用电器(consumer electronics)为代表的为代表的IT(information technology)产品产品,实际实际上是由基板及其上的元器件和连接部分上是由基板及其上的元器件和连接部分“堆垛堆垛”而成而成最基本的组成单元：最基本的组成单元：材料材料+元器件元器件1.1 电子材料的定义定义定义1以

2、发挥其物理性能，或物以发挥其物理性能，或物理与物理性能之间，力理与物理性能之间，力学与物理性能之间，化学与物理性能之间，化学与物理性能之间相互学与物理性能之间相互转换的特性为主，用于转换的特性为主，用于IT工业的材料。工业的材料。定义定义2凡具有能量与信息的发射，吸凡具有能量与信息的发射，吸收，转换，传输，存储，控收，转换，传输，存储，控制与处理功能特性之一，或制与处理功能特性之一，或者是直接参与保障者是直接参与保障这些这些功能功能特性的特性的顺利顺利发挥，用于发挥，用于IT工工业的材料。业的材料。1.2 电子材料的分类电子材料的分类按定义按定义1分分类类：1.利利用物性：用物性：电电-半半导

3、导体体材料，材料，超超导材料，电导材料，电阻阻材料材料磁磁-磁记录磁记录材料，材料，磁屏蔽磁屏蔽材料材料光光-光纤光纤，光记录光记录材料材料热热-热敏热敏电电阻阻其其他他-触点触点材料，材料，集集成电成电路路基基片片材料材料2.利利用物用物-物转换：物转换：光光电子材料，电子材料，磁敏磁敏材料材料3.利利用力用力-物转换：物转换：压压电材料，力电材料，力敏敏材料材料4.利利用化用化-物转换：物转换：气敏气敏材料，材料，湿敏湿敏材料材料1.2 电子材料的分类电子材料的分类按定义按定义2分分类类：1.能量与信息的发射材料能量与信息的发射材料-热热电子发射材料电子发射材料2.能量与信息的吸收材料能量

4、与信息的吸收材料-微波微波吸收材料吸收材料3.能量与信息的转换材料能量与信息的转换材料-光光电电显示显示材料材料4.能量与信息的传输材料能量与信息的传输材料-超超导材料，导材料，光光导导纤维纤维5.能量与信息的存储材料能量与信息的存储材料-信息信息记录记录与存储材料与存储材料6.能量与信息的处理材料能量与信息的处理材料-半半导导体微体微处理器材料处理器材料7.辅助辅助材料材料-电电阻、触点、阻、触点、基基片、衬底、封装、引线片、衬底、封装、引线二.电子信息材料2.1 电电阻阻材料材料A.定义定义-凡是凡是利利用物用物质固质固有电有电阻阻特性特性来来制制造不同造不同功能的电功能的电阻阻元件的材料

5、元件的材料均均称称为电为电阻阻材料材料.B.类型类型:线绕线绕电电阻阻材料材料-贱金属贱金属 Ni-Cr,Mn-Cu贵金属贵金属 AuNiCr,PtIr,PdAg,非线绕非线绕电电阻阻材料材料:碳膜碳膜,金属膜金属膜,合金膜合金膜,氧氧化物化物膜等膜等.C.应应用用:发发热体热体,电电阻阻器器,电电位位器器D.发发展趋势展趋势:1 高精度高精度,高可靠高可靠性性2 高阻值高阻值,超细超细化化,薄膜薄膜化化3 深低温 例如深低温 例如:导导弹弹,宇航宇航,Pt-Rh:2300K4 材料与元件一材料与元件一体体化化5 非晶非晶材料材料2.1 半导体材料v定义定义:-电电阻率介阻率介于导于导体体与与

6、绝缘体绝缘体之间之间,且且其电其电阻值随温度、压阻值随温度、压力力、磁场、磁场、电电场场和和气氛等气氛等外界条外界条件的件的变变化而化而非非常常敏敏感地感地发发生变生变化的化的材料。材料。2.1 半导体材料v类型类型v无无机机半半导导体体材料材料晶晶态态半半导导体体：元：元素素半半导导体体(本本征征和和掺杂掺杂半半导导体体)化化合合物物半半导导体体(二元，二元，三三元元)固固溶溶体半体半导导体体半半导导体微体微结构结构材料材料(量子量子阱阱材料材料)非晶非晶态态半半导导体体：非晶非晶硅硅v有机有机半半导导体体材料材料常用的半导体材料v分为元分为元素素半半导导体体和化和化合合物物半半导导体体。v

7、元元素素半半导导体体是由单一元是由单一元素素制成的制成的半半导导体体材料。主材料。主要要有有硅硅、锗锗、硒硒等等，以，以硅硅、锗锗应应用最用最广广。v化化合合物物半半导导体体分为二元分为二元系系、三三元元系系、多多元元系系和有机化和有机化合合物物半半导导体体。二元。二元系系化化合合物物半半导导体体有有-族（族（如如砷砷化化镓镓、磷磷化化镓镓、磷磷化化铟铟等等）、-族族（如如硫硫化化镉镉、硒硒化化镉镉、碲碲化化锌锌、硫硫化化锌锌等等）、-族（族（如如硫硫化化铅铅、硒硒化化铅铅等等）、-族（族（如碳如碳化化硅）硅）化化合合物。物。三三元元系系和和多多元元系系化化合合物物半半导导体体主主要要为为三三

8、元和元和多多元元固固溶溶体体，如如镓铝砷镓铝砷固固溶溶体、体、镓锗砷磷镓锗砷磷固固溶溶体等体等。v有机化有机化合合物物半半导导体体有有萘萘、蒽蒽、聚丙烯腈聚丙烯腈等等，还还处于处于研究阶段研究阶段。v非晶非晶态态和和液态液态半半导导体体材料。其与材料。其与晶晶态态半半导导体体的最的最大区别大区别是是不不具有具有严格周严格周期期性性排列排列的的晶体晶体结构结构.vC应应用用(i)集集成电成电路路器件器件:二二极管极管,三极管三极管,场场效效应应管管(ii)光光电子器件电子器件:太阳太阳能电能电池池,高高灵灵敏敏电电视摄像管视摄像管(iii)微波微波通通讯讯器件器件:场场效效应晶体应晶体管管,Ga

9、As变容管变容管(iv)GaAs声声电电耦耦合合器器:滤滤波波器器,放大放大器器(v)传传感感器器:光敏光敏器件器件,热敏热敏器件器件,磁敏磁敏传传感感器器2.1 半导体材料半导体材料2.2 光电子材料光电子材料vA.定义定义:实实现现光光-电之间转换的材料电之间转换的材料B.分分类类:激激光光材料材料光光电子电子薄膜薄膜材料材料半半导导体体发发光光材料材料(光光电电显示显示材料材料):LED(发发光光管管),LCD(液液晶显示晶显示)摄像摄像材料材料:摄像管摄像管材料材料,摄像摄像传传感感器器光光导导纤维纤维材料材料2.3 磁性材料磁磁性是物性是物质质的基本的基本属属性之一。性之一。铁铁、镍

10、镍、钴钴及其及其合金合金以及以及铁铁的的氧氧化物，能化物，能使使磁场磁场大大为为增强增强，称称 之为之为铁铁磁磁性物性物质质。两大两大类磁类磁性材料：性材料：软软磁磁材料：材料：高高导导磁率磁率和和低低矫顽矫顽力，力，当外当外磁场磁场撤撤除时除时，其，其磁磁性性即即基本基本消失消失。硬硬磁磁材料材料（又又称称永永磁磁材料材料）：具有：具有高高矫顽矫顽力，其力，其经饱经饱和和磁磁化化后后当外当外磁场磁场撤撤除后除后磁磁性性并并不不完全消失完全消失，而能，而能在较长在较长时时间间内仍内仍保保留留相相当强当强的的磁磁性。性。常用见磁性材料(1)电工用电工用纯纯铁铁。(2)硅硅钢钢片片。(3)铁镍铁镍

11、合金合金。(4)软软磁磁铁铁氧体氧体。(5)铝镍钴系铝镍钴系永永磁磁。(6)铁铁氧体氧体永永磁磁。(7)稀土稀土类类永永磁磁。(8)塑塑料料永永磁体磁体。2.3 介电材料介电材料v何谓何谓介介电材料电材料？-当当给给物物质质加加电电场场时时，带带电电粒粒子子将将发发生生位位移移，对对于于导导体体和和半半导导体来体来说说，电子发，电子发生生定定向运动向运动，产，产生生电电流；对流；对于于绝缘绝缘的电的电介质介质而而言言，带带电电粒粒子子仅在平衡仅在平衡位位置附近作置附近作微微小小的的移动移动，在在其其两两端面端面产产生生电电荷荷，产，产生生极极化，具有化，具有这这种种性性质质的材料的材料称称为为

12、介介电材料。电材料。2.3 介电材料介电材料A.类型：类型：有机有机介介电材料：电材料：非非极极性，性，极极性性无无机机介介电材料：电材料：气体气体：空空气气，压压缩氮缩氮气等气等固体固体：云母云母，玻璃玻璃，陶瓷陶瓷：独石陶瓷将瓷独石陶瓷将瓷料与电料与电极极直接直接烧烧结结成一成一个整个整体体B应用：应用：电电容容器器介质介质材料：电材料：电容容器器微波介质微波介质材料：材料：(I)介质介质谐振腔谐振腔，微波集微波集成电成电路路基基片片。(ii)元件，元件，介质波介质波导，导，介质介质天天线等微波线等微波器件的器件的介介电材料。电材料。2.4 压电材料压电材料vA.定义定义:压压力力作作用用

13、下会下会使使介质介质两两端面出端面出现现符符号号相相反反的的束缚束缚电电荷荷;反反之之,在在介质介质两两端施加端施加电电场场,会会产产生变生变形形或力或力,前前者者称称为为正正压压电电效效应应,后后者者称称为为逆逆压压电电效效应应,总总称称为为压压电电效效应应,具有具有压压电电效效应应的材料的材料称称为为压压电材料。电材料。2.4 压电材料压电材料vB.类型类型:(i)压压电单电单晶晶:水水晶晶(ii)压压电电陶瓷陶瓷:Pb(TiZr)O3(PZT)(iii)压压电电半半导导体体材料材料:CdS(iv)高高分子分子压压电材料电材料(v)陶瓷陶瓷-有机物有机物复复合压合压电材料电材料(vi)压压

14、电电陶瓷陶瓷薄膜薄膜材料材料2.4 压电材料vC.应应用用v(i)在在压压电电振振子子方面方面的的应应用用:声声表表面面波波滤滤波波器器v(ii)在在换能器换能器方面方面的的应应用用:扬扬声声器器,声声纳纳器件器件v(iii)医医用用超超声声波波换能器换能器v(iv)压压电换能器电换能器:产产生生高高电电压压2.5 敏感材料敏感材料vA.定义定义:能能感感受到受到外外部部环境环境或或内内部部状状态态的的各各种种非非电物理电物理,化学或化学或生生物学物学变变化化,并并能通能通过改过改变变其物理性能其物理性能(常常见见电电容容或电或电阻阻)作出反作出反应应的材料的材料要要求求：较较高高的的敏敏感感

15、度度良好良好的的选择选择性性快快的的响响应应速速度度高高的的可靠可靠性性B.类型类型：力力敏敏材料材料热敏热敏材料材料光敏光敏材料材料压敏压敏材料材料气敏气敏材料材料湿敏湿敏材料材料磁敏磁敏材料材料（CCL-Cupper Cl ad Laminates）刚刚性性覆铜覆铜板板柔柔性性覆铜覆铜板板CCL=Cu+增强增强材料材料+树脂胶贴剂树脂胶贴剂+烘干烘干+压压板板（纸纸纤维、纤维、玻璃玻璃纤维纤维）PCB基材基材作作用用：导电导电、绝缘、绝缘、支撑支撑；很很大大程程度度上上决决定定PCB的性能的性能、质、质量量、加加工性工性、成本成本等等。2.6 PCB用基板用基板-覆铜覆铜板板2.6 信息记

16、录与存储材料信息记录与存储材料vA.定义定义-信息信息记录记录与存储材料是计算机与存储材料是计算机外外围设围设备备的的关键关键材料材料,用于信息用于信息记录记录与存储与存储,是是软软件和信息件和信息库库的基的基础础。2.6 信息记录与存储材料信息记录与存储材料vB.分分类类磁磁性性记录记录与存储材料与存储材料:磁磁泡泡记录记录铁铁电存储电存储薄膜薄膜材料材料光记录介质光记录介质材料材料:磁光型磁光型存储材料存储材料相相变变型光型光盘盘存储材料存储材料态变态变型光型光盘盘存储材料存储材料2.6 电子元器件附助材料电子元器件附助材料vA.引引言言附附属属性材料性材料:间接参与或间接参与或起起辅助辅

17、助作作用用-附附属属性材料性材料包括包括:内内连接连接线、线、基基片、引线、封装片、引线、封装体等体等。v集集成电成电路路基基片衬底片衬底材料材料硅硅基基片片氧氧化化铝铝基基片片高高导导热热性性陶瓷陶瓷基基片片(金金刚刚石石,BeO,BN,SiC,AlN)非非陶瓷陶瓷质质基基片片2.7 电子元器件电子元器件附附助助材料材料电子浆料电子浆料(导体浆料导体浆料,电阻浆料电阻浆料,绝缘浆料绝缘浆料)引线引线引线引线框架框架附属材料附属材料封装封装材料材料-塑塑料料封装封装材料材料-金属封装金属封装材料材料-陶瓷陶瓷封装封装材料材料-玻璃玻璃封装封装材料材料电极材料：(1)铜铜（Cu）及及合金合金；(

18、2)银银（Hg）及其及其合金合金；(3)金金（Au）；(4)铝（铝（Al）及其及其合金合金；(5)超超导材料导材料。-用电子材料用电子材料经经特特殊殊工工艺艺制成制成,在在IT产产品品中起各中起各种种各样各样作作用的电子部件。用的电子部件。电子元器件的定义电子元器件的定义三、电子元器件电子元器件的分类1.电电阻阻器器2.电电容容器器3.电电感感元件元件4.开关开关元件元件5.半半导导体晶体体晶体管管6.集集成电成电路路器件器件7.显示显示器件器件8.压压电器件电器件9.电电声声器件器件10.片片式式元器件元器件11.传传感感器件器件三三.电子元器件电子元器件3.1 电电阻阻器器A.定义定义：在

19、电路中具有电阻性能的实体元件称为电阻器。B.作作用：用：电阻器是组成电路的最基本元件之一。在电路中，电阻器用来稳定和调节电流、电压，组成分流器和分压器，在电路中起到限流、降压、去耦、偏置、负载、匹配、取样等作用。还可以用来调节时间常数、抑制寄生振荡等。3.1 电阻器电阻器类型类型v固定固定电电阻阻器器v可可变变电电阻阻器器v半可半可调调电电阻阻器器v敏敏感感电电阻阻器器v熔断熔断电电阻阻器器电阻器电位器可调电阻器微调电阻器敏感电阻器电阻器图形符号 碳膜电阻器 金属膜电阻器 绕线电阻器（镍铬合金、锰铜合金等电阻丝绕制）金属玻璃釉电阻器（金属、金属氧化物或难熔化合物作为导电相，以玻璃釉作粘结剂）阻

20、燃电阻器（表面涂阻燃剂涂料）熔断电阻器（电阻器+负荷熔断）水泥电阻（电阻丝卷绕+水泥填充）电位器常用于音调音量等控常常用电用电阻阻器器敏感电阻器 热敏电阻器（PTC，NTC）光敏电阻 压敏电阻器 气敏电阻器 力敏电阻器3.电容器 电容器A.作作用：用：v是一是一种种储存电能的元件，具有储存电能的元件，具有充充放放电特性和电特性和隔隔直直流流通通交交流流的的能力。能力。v在在电子电子线路线路中起中起到到耦耦合、合、旁旁路、路、谐振谐振、调调谐谐、微、微分分、积积分分、储能储能、滤滤波、波、隔隔直直流流以及控制电以及控制电路路中中的的时时间间常常数数等等作作用。用。B.类型类型:v固定固定电电容容

21、器器v电电解解电电容容器器v可可变变电电容容器器v微微调调电电容容器器电容器 电解电容器 可变电容器微调电容器1、常常用电用电容容器器纸介电容（介质+金属箔）金属化纸介电容器（纸上镀金属薄膜作电极）有机薄膜电容器（有机薄膜（有涤纶、聚丙烯等）介质）2、无无机电机电容容器器 瓷介电容（瓷片作为介质）云母电容（云母为介质）玻璃电容器（玻璃为介质）按介质材料分类漆膜电容器漆膜电容器CQ有机介质纸介电容器有机介质纸介电容器cz金属化纸介电容金属化纸介电容CJ涤纶涤纶CL有机薄膜介质电容器聚苯乙烯有机薄膜介质电容器聚苯乙烯CB聚丙烯聚丙烯CBB陶瓷电容器陶瓷电容器CC无机介质电容云母电容器无机介质电容云

22、母电容器CY玻璃釉电容器玻璃釉电容器CI 玻璃膜电容器玻璃膜电容器CO铝电解电容器铝电解电容器CD电解电容器电解电容器钽电解电容器钽电解电容器CA铌电解电容器铌电解电容器CN电解电容电电解解电电容容以以金属氧金属氧化物化物膜膜做做介质介质，以，以金属金属和电和电解解质质组组作作为电为电容容的的两极两极。金属金属为为正正极极，电，电解解质质为为负负极极。有。有极极性，性，不不能用于能用于交交流流。电。电容容量最量最大大。3.3 电电感感电电感（感（也也称称电电感感线线圈圈）在电路中电感器有通直流阻交流、通低频阻高在电路中电感器有通直流阻交流、通低频阻高频、变压、传送信号等作用。频、变压、传送信号

23、等作用。电电感感器的分器的分类型类型：两大类：自感作用的电感。互感作用的变压器。电感线圈有抽头的电感线圈铁芯线圈可调铁芯线圈1、做为滤波线圈阻止交流干扰（隔交通直）。、做为滤波线圈阻止交流干扰（隔交通直）。2、可起隔离作用。、可起隔离作用。3、与电容组成谐振电路。、与电容组成谐振电路。4、构成各种滤波器、选频电路等、构成各种滤波器、选频电路等(应用最应用最多多)。5、利利用电用电磁磁感应感应特性制特性制成成磁性磁性元件。元件。如磁头和如磁头和电电磁磁铁铁。6、进行进行阻阻抗匹配抗匹配。7、制制成变压器传成变压器传递递交流信号交流信号，并实现，并实现电压电压的升的升、降降。电感的作用：电感的作用

24、：3.4 半导体器件半导体器件A.定义定义利利用用半半导导体体材料的特材料的特殊殊导电性能和导电性能和pn结结等同等同质质结结或或异异质质结结的特的特殊殊作作用用,通通过过一一定定工工艺艺制成的制成的器件器件。B.半半导导体体器件器件类型类型：分分立立元件元件集集成电成电路路3.4.1 二二极管极管二极管 发光二极管 变容二极管 稳压二极管 隧道二极管 双向二极管半导体二极管种多3.4.2 半半导导体体三极管三极管v结结型晶体型晶体管管：由由两两个个PN结结组成，组成，双双极极型晶体型晶体管管。有。有PNP及及NPN两两种种结构结构，电子和，电子和空空穴都起穴都起作作用。用。v场场效效应晶体应

25、晶体管管：有有结结栅栅场场效效应晶体应晶体管管、金属、金属-氧氧化化-+物物-半半导导体体（MOS）场场效效应晶体应晶体管管及及肖肖特基特基势势垒垒场场效效应应晶体晶体管管等等结构结构。多多数载数载流流子子起起作作用，单用，单极极型晶体型晶体管管。PNP型NPN型绝缘栅型结型场效应管晶体晶体管管的的几几种种常常见见外外形形与与符号符号3.5 集成电路集集成电成电路按路按制制造造工工艺艺分有：分有：半半导导体集体集成电成电路、路、薄膜集薄膜集成电成电路、路、厚厚膜集膜集成电成电路路和和混混合集合集成电成电路路。半半导导体集体集成电成电路按路按有有源源器件分为器件分为双双极极型、型、MOS型型以及

26、以及双双极极-MOS型集型集成电成电路路。按集按集成成度度分有分有小小规模规模（SSI）、中规模中规模（MSI）、大大规模规模（LSI）、超、超大大规模规模（VLSI）和和甚甚超超大大规模规模（ULSI）集集成电成电路路。5、集、集成电成电路路定义、定义、结构结构、集、集成成度度：5109元件元件格 物 致 新厚 德 泽 人光光电电子子器器件件光传输器件光波导、光纤光学元件（棱镜、透镜、光栅等）光源器件相干光源非相干光源光控制器件光调制器件光探测器件光电导型器件光存储器件光盘（CD、VCD、DVD、MD）光驱动器激光器非线性光器件照明光源显示光源信息处理用光源光偏转器件光开关器件光双稳器件光伏

27、型器件热伏型器件各种传感器件3.6 光光电子器件电子器件实实现现光光-电之间转换的器件电之间转换的器件光光电器件的电器件的类型类型：半半导导体体激激光光器，发器，发光光二二极管极管LED，光光电二电二极管极管，光光电电三极三极管管，液液晶晶管管LCD，电，电真真空空管管，光敏光敏电电阻阻，光光电电倍倍增管增管，雪雪堋堋三极管三极管，光光电电开关开关，光光电电偶偶合合器，器，光光电电池池等等；各各种种电子电子显示显示器，器，太阳太阳能电能电池池。半半导导体体发发光光器件器件半半导导体体光光电器件电器件发发光光器件器件类型类型LEDLCD光敏光敏电电阻阻光光电电耦耦合合器器光光电电二二极管极管光光

28、电电三极管三极管光光电电光光电电器件器件器件器件3.7、机电组件机电组件开关开关格 物 致 新厚 德 泽 人3.7、机电组件机电组件连接器连接器格 物 致 新厚 德 泽 人印印制电制电路路板板-简称PCB（P.C.B）(Printed Circuit Board)PCB-按按预预定定的的设设计，制成计，制成印印制制线路、线路、印印制元件或制元件或由由两两者者结结合合的导电的导电图图形形板。板。(PWB+元器件元器件)3.8 印印制电制电路路板板3.9 表面组装元器件表表面面组组装装元件元件（Surface Mounting Components，简简称称SMC）是是20世纪世纪70年年代代后后期期在在国国际上际上开开始始流流行行的一的一种种新新型型电子元件。电子元件。供供表表面面组组装装技术技术（Surface Mounting Technology，简简称称SMT）使）使用。用。无无引线引线或或引线引线很很短短的的适适于表于表面面组组装装的的片片式式微微小小型型电子元件电子元件、器件器件（Surface Mounting Device，简简称称SMD）。类型类型：(1)片片式式电电阻阻(3)片片式式陶瓷陶瓷电电容容(3)片片式式电电解解电电容容器：器：(4)叠叠层层型片型片状状电电感感器：器：(5)编织编织型片型片状状电电感感器器等等