导电功能材料.ppt
第二章导电功能材料,导电功能材料是指那些具有导电特性的物质，包括:电阻材料、电热与电光材料、导电与超导材料、半导体材料、介电材料、离子导体和导电高分子材料等。,第一节 金属导电材料,导电材料 用以传送电流而没有或只有很小电能损失的材料。包括：电力工业用的电线、电缆等强电用的导电引线材料和电子工业中传送弱电流的导体布线材料、导电涂料、导电粘结剂及透明导电材料。,导电引线材料的性能要求具有足够高的导电性、机械强度，不易氧化、腐蚀，易加工和可焊接等特性。以铜、铝及其合金为主。重视材料的阻抗损失。,导电引线材料的基本性质用其固有的特征值-电导率来表征，而电阻率是电导率的倒数。均匀横截面为1mm2、长1m的国际标准软铜在20下的电阻158，电阻率是1.7241.cm,将它的电导率定为100%，其他导电材料的电导率以标准软铜电导率的百分数来表示。,铜 常用的电解铜的纯度为99.9799.98%（质量分数），含少数金属杂质和氧。半硬铜 电导率为98 99%；硬铜 电导率为96 98%。铜中含有杂质降低电导率，特别是氧，会使产品性能大大下降。高导无氧铜 新产品，其性能稳定、抗腐蚀、抗疲劳、延展性好，可拉成很细的丝，适用于海底同轴电缆的外部软线、太阳能电池、高温抗氧化电极等。,铝 常用的纯度为99.6 99.8%，电导率为61%（仅次于银、铜、金），相对密度为铜的13。它可以代替铜导线制成高压配电线，160kV以上用的钢丝增强铝电缆、合金增强铝线、全铝增强铝线等。国际上通用的硬铝线则主要用于送、配电线，它只能在90以下连续使用。对于大容量高压输电导线要在150下连续工作，需要含Zr（锆）等耐热铝合金；而变电所用的母线则要在200 下连续工作，必须使用超耐热铝合金。,导体布线材料的性能要求（电子工业用）具有膜电阻小（导电性好）、附着力强、可焊性和抗焊熔性好等优点，它们都是金、银、铜、铝等电导率高的材料，有时也用金属粉和石墨粉与非金属材料混合的复合导电材料，其电阻率通常比强电用材料的电阻率高得多，并有厚膜和薄膜两种。,厚膜布线导体,有金、银、铂、铅的贵金属系，其膜层致密，附着力强抗焊熔性好，能与多种电阻及介质材料兼容等性能。还有铜、镍、铝、铬等贱金属系，具有材料价格低廉、膜电阻小、可焊性和抗焊熔性好、无离子迁移等优点，其缺点是工艺要求较高，老化性能尚不如贵金属厚膜导体好。,薄膜布线导体,要求具有导电性好、附着力强、化学稳定性高、可焊性和耐焊性好、成本低等特点。单元膜 用単种金属形成的单层薄膜导体，如铝膜。有良好的导电性，易于成膜，附着性好、可超声焊和热压焊、成本低，表面形成的氧化薄膜能提高多层布线时层间的绝缘性；缺点是表层氧化膜给锡焊造成困难，与金形成的脆性金属化合物会造成焊点脱开，抗电迁移能力弱。,复合膜 是用不同金属膜所构成的多层薄膜导体，如铬金膜，钛铅金膜等。由底层和顶层构成：底层是粘附层，选择容易氧化的金属，如铬、镍、钛等，厚度为20 50nm,以便与基片中的氧化合形成牢固的共价键，使顶层金属牢固的附着在基片上；顶层由导电性好、可焊性好和化学稳定性高的金属薄膜构成，如金，厚度为1000nm,起导电和焊接作用。有时在顶层和底层之间加一层厚度为100 300mm的阻挡层，如加入铜膜。,高温薄膜导体，如可在400500稳定工作的钛钨金膜等；贱金属薄膜导体，如Ni、NiCrNi等。,薄膜导体材料的发展方向是,第二节 电阻材料,电阻材料是用来制作电子仪器、测量仪表、加热设备及其它工业装置中的电子元件的一种基础材料。包括制作发热体的电热材料、绕制标准电阻器的精密电阻材料及制作力敏、热敏传感器用的应变电阻材料和热敏电阻材料等。电阻材料有金属材料、陶瓷和半导体材料以及非晶体材料。,一、精密电阻合金,用于起动电阻、滑动电阻、电动机速度控制、电路温度控制及电压调节等方面的调节器用电阻合金，如康铜、新康铜、镍铬、镍铬铁和铁铬铝等合金。用于旋转式与滑线式电位器等电位器用电阻合金，如康铜、镍铬、卡玛合金和贵金属电阻合金等。用于电桥、电位差计、标准电阻、分流器、直流分压箱、高阻电桥等方面的精密仪器仪表用电阻合金，如精密锰铜、分流器锰铜及高阻合金等。使用温度-60100或300。,二、电热器用电阻材料,包括工作在1350 以下的普通中、低温电热合金和在1350 以上高温使用的贵金属电热合金及陶瓷电热元件。性能要求：1、具有高温抗氧化性和化学稳定性，2、具有高的电阻率和低的电阻温度系数，3、具有良好的加工工艺性能，4、具有足够高的高温强度，5、价格低廉。,三、热敏电阻材料,热敏电阻材料有合金和半导体陶瓷两类。热敏电阻合金具有电阻温度系数大，电阻值与温度成线性、电阻值的温度稳定性好等优点，被广泛用于航空航天器中的大气温度加热器和电褥、电熨斗、电烙铁、电围腰、电暖鞋等家用电器元件上，能达到控温、安全和节能的目的。还可以制成电阻温度计等。,三、热敏电阻材料,热敏电阻材料有合金和半导体陶瓷两类。热敏电阻类半导体陶瓷材料有电阻随温度升高而增大的正电阻温度系数型和电阻随温度升高而减少的负电阻温度系数型两种。用于制作电动机过热保护器、电视机的消磁器、传感器、暖风器等。,四、膜电阻材料,在电力和电子方面所使用的电子元件，通常常用下面两个原理制成。1、把很薄的导电层沉积在绝缘基片上，而后蚀刻成合适的图形以达到大的长宽比；2、在导电材料中掺入绝缘相。,第四节 半导体材料,根据固体在室温下所具有的不同电导率，把导电功能材料分为：导体、半导体和绝缘体。导体的电导率=106108Sm，具有良好的导电性能；绝缘体的电导率=10-2010Sm，导电性能极差；半导体的电导率=10-9105Sm，导电性能介于二者之间。,一、元素半导体,元素周期表中的许多元素都具有半导体的性质，只有Se（硒）、Ge（锗）和Si才真正用于半导体器件的制作，特别是硅和锗，已成为当前的主要元素半导体。硅 因为其性质和器件工艺较好，应用最广。锗 在红外和高频特性方面占据重要地位。硒 在早期用于制造硒光电池和硒整流器。,一、元素半导体,硅、锗元素的提纯和单晶制造技术越来越完善，高纯度、大尺寸、高均匀度的硅、锗单晶使集成电路的材料利用率和每批器件的成品率及一致性大幅度提高，成本急剧下降，促进了半导体大规模集成电路的发展。锗元素在地球上的分布很分散，主要从煤灰和金属冶炼的烟灰残渣中提取；硅是地球上最丰富的元素之一，性质活泼较难提纯，但用它制成的器件稳定性好。,二、化合物半导体,具有半导体特性的化合物，由两种或两种以上的元素组成。二元化合物半导体 如砷化镓、锑化铟、碳化硅等；三元化合物半导体 如砷化镓铝、砷化镓磷等；用于光电器件、量子阱激光器、调制发光管、电子器件、高电子迁移率晶体管等。,三、有机物及玻璃半导体,液晶材料是有机物及玻璃半导体中的一部分。已知的液晶材料都是有机化合物，它是处于液相与固相之间的一种中间相，像液体一样，不能承受切应力但能够流动。液晶材料显示的优点是：1、功率低。显示面积相同时，它的功率比一般数码管小几十倍甚至几百倍。2、所用电压较低，约36V，适宜与集成电路联用。3、在明亮环境下的对比度和分辨率都很好。,四、非晶态半导体,通常把具有半导体性质的非晶态物质称为非晶态半导体。常用的有非晶硅和非晶锗。应用于光学半导体器件、光或电存贮器等信息技术中的导电体器件。,五、陶瓷半导体,半导体陶瓷材料指导电性介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷之间的陶瓷材料，电阻率介于10-4107m，并在温度、湿度、气氛、电场、光等外界条件影响下导电性能有一定变化，这些特殊性能使它在现代技术的各种敏感器件中得到了充分的应用。主要用于制作电容器，代替有机薄膜电容器广泛应用于电视机、磁带录像机、无线电等电子仪器中。,
