第十三章 电子化工材料
背景：当社会发展到21世纪的今天，人们的日常生活已离不开涉及半导体芯片的各种家用电器。可以毫不夸张地说，我们已身处于半导体材料和器件的海洋中。
众所周知，半导体是电导率介于良导体和绝缘体之间的一类物质。
那么究竟半导体有哪些特性呢？这里可以简单归纳如下：
电导率随温度的升高而迅速地增大
光照能使其电导率明显地增加
杂质能在很大范围改变其性质
一、元素半导体材料
元素半导体是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，
如硅、锗、硼、硒、碲、碳（金刚石及石墨）、碘等七种元素以及磷、砷、锑、锡、硫的某种同素异构体。但迄今为止，已获得应用的主要是硅、锗、硒三种元素，其中硅在整个半导体材料中占绝对优势，80%以上已有的半导体器件都是用硅来制作的。
1.硅材料
硅是地壳外层含量仅次于氧的元素，约占地壳的25%。主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。由于储量非常丰富，硅原料是半导体原料中最便宜的。
优点: 首先，工作温度较高 锗器件的最高工作温度只有85℃，而硅可以达到200℃。
其次，能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜。这种二氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜，从而能和光刻、扩散等工艺结合起来制成各种结构的器件和电路。而且氧化硅层又是一种性能很好的绝缘体，在集成电路制造中可以用它作为电路互连的载体。氧化硅膜还是一种很好的保护膜，它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化。
硅的第三个优点是，硅的受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数，这就为硅器件和电路的工艺制作提供了更大的自由度。
硅材料的这些优点促成了平面工艺的发展，简化了工艺程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大规模集成电路得到了迅猛的发展。硅材料是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的重要基础材料。
分类：半导体级硅主要有多晶硅和单晶硅。
单晶硅具有金刚石型结构，每个原子和邻近的4个原子以共价键相结合，组成一个正四面体。硅单晶中的原子分布在不同的晶面上，半导体工业中常用的晶面有（111）、（110）和（100）等。
多晶硅的工业生产主要采用SiHCl3的氢还原法及SiH4的热分解法。
2．锗材料
锗为稀有元素，地壳中的含量仅为百分之二。锗是较早开发的半导体材料，
例如早在1941年，西门子公司就已发明了点接触锗二极管；
1948年诞生了第一支锗晶体管。但是，与硅与比，锗有一系列弱点。例如，锗器件的最高工作温度有85℃，锗器件的热稳定性不如硅；锗无法形成如二氧化硅那样的优质的氧化膜；锗中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作的自由度小，所以20世纪60年代开始，逐渐被单晶硅所取代。
适于红外探测器和低温温度计等。锗单晶具有高折射率和低吸收率的优点，适于制作红外透镜、光学窗口和滤光片等。
3．硒材料
无定形硒是棕色固体，接近绝缘体性质；结晶型硒具有金属光泽，对光很敏感，是一种光电半导体材料。近年来，硒主要用于复印行业，几乎硒产量的一半用于复印机光电转换元件硒鼓上。有些可擦重写相变光盘的光记录膜中也用到硒。
4．金刚石
金刚石的显著特点是高硬度和高强度，作为高级钻饰和磨料早已闻名于世，但由于其在地球上的储量少，价格特别昂贵。20世纪70年代以来，人们设法生长出多种金刚石薄膜，尝试将金刚石的优点应用到更多的领域。二十多年来的研究表明，金刚石确实有许多超乎寻常的优点。例如，金刚石集成电路的密度可比硅集成电路高出10倍，使计算机的时钟频率速度高达100GHz；用金刚石天线罩装备弹头，可使导弹的飞行速度达到或超过4.5马赫，并可耐1100℃高温；金刚石膜能透射远红外光到紫外光，可用于制作紫外探测器、各种透镜的保护膜及窗口材料；金刚石质地坚硬，具有良好的传声效能，声速高达18.5km/s，可制作高保真扬声器和新一代音响设备；金刚石硬度比硅高4倍，是理想的切削工具材料。金刚石的缺点是不易制膜和掺杂。
二、化合物半导体材料
由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的称为化合物半导体材料。
三、固熔体半导体材料
通常把具有半导体性质的固态熔体称为固熔体半导体材料。
这类材料的特点是其性质可随成分连续变化，因此可根据需要调节成分，制备符合各种要求的材料。
固熔体半导体材料主要有如下几种：
元素间固熔体如Si-Ge材料
Ⅲ-Ⅴ族固熔体如（Ga1-xA1x）As
Ⅱ-Ⅵ族固熔体HgxCd1-xTe
Pb（Se1-xTex）等
四、集成电路互连材料
五、信息显示材料
信息显示材料主要是指用于阴极射线管和各类平板显示器件的一些发光显示材料。
按照显示原理分类，主要可分为液晶显示材料
等离子体显示材料
阴极射线管显示材料
场发射显示材料
真空荧光显示材料
无机电致发光显示材料
有机电致发光显示材料等
1、液晶显示材料
发展状况：
1888年就发现了液晶态和液晶物质。
20世纪50年代，在化学家的积极配合下，合成出席夫碱向列型液晶，并完成了器件的设计和试制，相继出现了文字显示器、液晶显示仪表、静止画面显示装置等。研究成果在1968年公布后，有力推动了低分子液晶材料的蓬勃发展。
到目前为止，已发现约有6000多种低分子有机化合物可用于液晶显示。
因此，液晶研究成为有机化学、分子物理学和电子学之间的边缘科学。
动向；液晶高分子材料发展较晚，但目前已成为液晶中最令人关注的领域。20世纪60年代后期美国杜邦公司开创了液晶高分子工业化生产研究，后来科学家发现芳香族聚酯的热致液晶性质，并于1984年推出工业产品的热液晶高分子。从此，液晶高分子材料的研究与工业化得到了迅速发展。目前世界各国的高分子工业正围绕研究与开发液晶高分子系列产品而加大投入力量。
（一）定义及分类
物质有固态、液态和气态三种聚集状态，固态又分为晶态与非晶态。在外界条件变化时，物质可以在三种相态之间进行转换，即发生相变。大多数物质发生相变时直接从一种相态转变成另一种相态，中间不存在过渡态，如冰受热后从有序的固态晶体直接转变成分子呈无序状态的液态。而某些物质的晶体受热熔融或溶解后，虽然失去了固态的大部分特性，外观呈液态的流动性，但与正常的液态物质不同。仍然保留着晶态物质分子的有序排列，从而在物理性质上呈现出各向异性，形成兼有晶体和液体部分性质的中间过渡相态，这种中间相态被称为液晶态。处于这种状态下的物质称为液晶。
主要特征：在一定程度上类似于晶体，分子呈有序排列；另一方面类似于各向同性的液体，有一定的流动性。
如果将这类液晶分子连接成大分子，或者将其连接到聚合物骨架上，并仍保持其液晶特性，称为高分子液晶。
根据液晶分子链的长短不同可以分成两大类，即单体型液晶和聚合物液晶。
（二）结构特征
液晶物质分子结构中的刚性部分，从外型上看，呈现近似棒状或片状，这是液晶分子在液晶状态下维持某种有序排列所必须的结构因素。高分子液晶中的刚性部分被柔性链以各种方式连接在一起。
常见液晶中的刚性结构通常由两个苯环，或者脂肪环，或者芳烃杂环，通过一个刚性连接桥键X连接起来。这个刚性连接桥键包括常见的亚胺基、偶氮基、氧化偶氮基、酯基和反式乙烯基等。端基R可以是各种极性或非极性基团。
R1 X R2
对于高分子液晶来说，如果刚性部分处在聚合物主链上，即成为主链型液晶，如果刚性部分是通过一段柔性链与主链相连，构成梳状，则称为侧链液晶。主链液晶和侧链液晶不仅在形态上有差别，而且在物理化学性质方面表现出相当大的差异。
（三）液晶材料的合成
高分子液晶的合成主要通过小分子液晶的高分子化，即先合成小分子液晶，称为液晶单体。再通过共聚、均聚或接枝反应实现小分子液晶的高分子化。
（四）液晶的性质与应用
高分子液晶具有良好的热及化学稳定性、优异的介电、光学和机械性能，低燃烧性和极好的尺寸稳定性等许多特殊的性能，因而在许多领域获得了广泛应用。
1．在图型显示方面的应用
用于显示器件，可以制成数码显示器、电光学快门、电视屏幕和广告牌等显示器件。
液晶显示器件的最大优点在于耗电极低、可以实现微型化和超薄型化。
2．作为信息存储介质
液晶存储材料的可靠性更高，而且不怕灰尘和表面划伤，更适合于重要信息的长期保存。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/0ebe78c0d5bbfd0a79567379.html
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