功能材料课件:第四章信息材料及器件(第一章).ppt
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- 功能材料课件:第四章 信息材料及器件第一章 功能 材料 课件 第四 信息 器件 第一章
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1、第四章第四章 信息材料信息材料及器件及器件 第一节第一节 前言前言 第二节第二节 光导纤维光导纤维 第三节第三节 信息存储材料信息存储材料 2022-1-23第一节第一节 前言前言 一、信息材料的基本概念一、信息材料的基本概念 现代信息技术是现代信息技术是 以微电子学和光电子学为以微电子学和光电子学为基础基础; 以计算机与通信技术为以计算机与通信技术为核心核心; 对各种信息进行收集、存储、处理、对各种信息进行收集、存储、处理、传递和显示的传递和显示的高技术群高技术群。2022-1-23对各种信对各种信息的收集、息的收集、存储、处存储、处理、传递理、传递和显示和显示信息收集信息收集功能器件功能器
2、件信息存储信息存储功能器件功能器件信息处理信息处理功能器件功能器件信息传输信息传输功能器件功能器件信息显示信息显示功能器件功能器件每种器件都是以信息材每种器件都是以信息材料为主构成的。料为主构成的。2022-1-23 具有信息收集功能的器件主要有具有信息收集功能的器件主要有: 传感器和探测器传感器和探测器 如如对温度变化有传感作用的器件:对温度变化有传感作用的器件: 热敏电阻热敏电阻PTC、NTC 热敏材料热敏材料 对光有传感作用的器件有:对光有传感作用的器件有: 光敏电阻、光敏二极管、光电探测器、红外光敏电阻、光敏二极管、光电探测器、红外探测器等探测器等光敏电阻材料、半导体光电探测器光敏电阻
3、材料、半导体光电探测器材料材料 对气体种类和含量有传感作用的器件:对气体种类和含量有传感作用的器件: 气敏传感器气敏传感器n型或型或p型金属氧化物半导体型金属氧化物半导体气敏材料气敏材料 对湿度变化有传感作用的器件:对湿度变化有传感作用的器件: 湿敏传感器湿敏传感器湿敏陶瓷湿敏陶瓷2022-1-23 具有信息存储功能的器件主要是一些存具有信息存储功能的器件主要是一些存储器。储器。 例如固定只读存储器(例如固定只读存储器(ROM) 可编程只读存储器(可编程只读存储器(PROM) 磁带磁带 各种磁盘各种磁盘 光盘光盘 相应这些存储器有对应的信息存储材料。相应这些存储器有对应的信息存储材料。 202
4、2-1-23 具有信息处理功能的器件分为具有信息处理功能的器件分为 微电子信息处理器件微电子信息处理器件 光信息处理器件光信息处理器件 各种晶体管各种晶体管 各种调制器各种调制器 二极管二极管 振荡器振荡器 集成电路集成电路 放大器放大器 用于制作这些器件的材料有:硅、锗等半导用于制作这些器件的材料有:硅、锗等半导体材料、体材料、GaAs系列、系列、InP系列等等系列等等 。2022-1-23 具有信息传输功能的器件主要是指:具有信息传输功能的器件主要是指:光通信、微波通信、移动电话通信等的器件。光通信、微波通信、移动电话通信等的器件。光纤通信系统光纤通信系统 微波通信微波通信 移动通信移动通
5、信光纤光缆光纤光缆 手持式终端手持式终端 手机手机 光纤连接器光纤连接器 卫星定位系统卫星定位系统 用户身份识用户身份识光纤分路器光纤分路器 有源阵天线有源阵天线 别模块别模块SIM卡卡 用于这些器件的材料有:各种光纤材料、半导体激光器用于这些器件的材料有:各种光纤材料、半导体激光器材料、微波铁氧体材料、微波介质陶瓷等等。材料、微波铁氧体材料、微波介质陶瓷等等。 2022-1-23 具有信息显示功能的器件主要是:具有信息显示功能的器件主要是:阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、电致发光显示、真空荧光显示等各种平电致发光显示、真空荧光显示等各种平板显示器。板显
6、示器。 其材料有:其材料有: 用于液晶显示的非晶硅、多晶硅用于液晶显示的非晶硅、多晶硅 用于等离子体显示的红、绿、蓝三用于等离子体显示的红、绿、蓝三基色荧光粉基色荧光粉 用于电致发光显示的掺用于电致发光显示的掺Cu、Al、Mn的的ZnS基质发光粉等等。基质发光粉等等。 2022-1-23二、信息材料的发展历程二、信息材料的发展历程 信息材料的发展信息材料的发展历程也就是微电子技历程也就是微电子技术和光电子技术的发术和光电子技术的发展历程。展历程。硅硅半导体半导体晶体管晶体管硅硅集成电集成电路技术路技术微电子技术微电子技术2022-1-23 20世纪初世纪初 硅被用于无线电通信器件之一的矿硅被用
7、于无线电通信器件之一的矿石检波器。石检波器。 20世纪世纪2030年代年代 量子力学理论和量子力学理论和pn结概念的提出以结概念的提出以及高纯硅材料的研制成功促进了硅材料及高纯硅材料的研制成功促进了硅材料的发展。的发展。 1941年年 锗的载流子迁移率高,被成功用于锗的载流子迁移率高,被成功用于制作二极管。制作二极管。2022-1-23 1947年年 贝尔实验室研制成功全世界第一个锗点接贝尔实验室研制成功全世界第一个锗点接触式三极管,把锗材料的研究推向了新的高潮。触式三极管,把锗材料的研究推向了新的高潮。 1950年年 第一颗锗单晶拉制成功,推动了锗生产技第一颗锗单晶拉制成功,推动了锗生产技术
8、的飞跃发展。术的飞跃发展。 1952年年 第一颗硅单晶拉制成功,由于硅技术的突第一颗硅单晶拉制成功,由于硅技术的突破晚于锗,因此这一时期仍以锗的研究为主。破晚于锗,因此这一时期仍以锗的研究为主。 这时,英国的达默率先提出了集成电路的这时,英国的达默率先提出了集成电路的概念,目的是把大量晶体管、电阻、电容等电概念,目的是把大量晶体管、电阻、电容等电子元件小型化、微型化并构成尽可能小的电路。子元件小型化、微型化并构成尽可能小的电路。 2022-1-23 1958年年 美国得克萨斯仪器公司终于实现了美国得克萨斯仪器公司终于实现了达默的设想,用锗材料制成了世界上第达默的设想,用锗材料制成了世界上第一块
9、集成电路。一块集成电路。 1959年年 美国仙童公司采用平面工艺和美国仙童公司采用平面工艺和pn结结隔离技术,制成了第一块硅集成电路。隔离技术,制成了第一块硅集成电路。其平面工艺为后来大规模集成电路发展其平面工艺为后来大规模集成电路发展奠定了基础。奠定了基础。2022-1-23 由于集成电路平面工艺的出现,导致硅材料和锗材由于集成电路平面工艺的出现,导致硅材料和锗材料在半导体技术中的地位发生了逆转。料在半导体技术中的地位发生了逆转。 主要因为硅材主要因为硅材料除了料除了载流子迁移率比锗稍差载流子迁移率比锗稍差之外,之外,许多性能都优于许多性能都优于锗锗。 硅的禁带宽度比锗高,故硅的工作温度高,
10、更硅的禁带宽度比锗高,故硅的工作温度高,更适于功率器件的制作;适于功率器件的制作; 硅在高温下能氧化成二氧化硅薄膜,其薄膜兼硅在高温下能氧化成二氧化硅薄膜,其薄膜兼有杂质扩散掩膜、绝缘膜和保护膜三重功能,故硅很有杂质扩散掩膜、绝缘膜和保护膜三重功能,故硅很适合集成电路平面工艺;适合集成电路平面工艺; 硅的受主和施主的扩散系数几乎相同,可为集硅的受主和施主的扩散系数几乎相同,可为集成电路的工艺制作提供更大的自由度。成电路的工艺制作提供更大的自由度。 硅的这些优点使其至今在集成电路中仍然占有最硅的这些优点使其至今在集成电路中仍然占有最重要的地位。重要的地位。 2022-1-23 1998年年 IB
11、M公司用公司用SOI材料(称为绝缘层材料(称为绝缘层上的硅材料,为新一代的硅材料)研制上的硅材料,为新一代的硅材料)研制成功计算机用的高速、低功耗中央处理成功计算机用的高速、低功耗中央处理器芯片,这一成功,说明器芯片,这一成功,说明SOI技术可以用技术可以用来取代传统硅集成电路技术。来取代传统硅集成电路技术。 SOI材料的主要优点是:材料的主要优点是: 寄生电容小、功耗低、集成度和电寄生电容小、功耗低、集成度和电路速度高、抗辐照和耐高温性能好。路速度高、抗辐照和耐高温性能好。 SOI技术被国际公认为是技术被国际公认为是21世纪的微世纪的微电子技术。电子技术。2022-1-23 2000年年 I
12、BM已决定在已决定在0.18m 以下线宽的集以下线宽的集成电路生产线中全部采用成电路生产线中全部采用SOI材料。材料。 英特尔、摩托罗拉、德州仪器、三英特尔、摩托罗拉、德州仪器、三菱等集成电路巨头纷纷投巨资开发菱等集成电路巨头纷纷投巨资开发SOI材材料和相关的集成电路产品。料和相关的集成电路产品。2022-1-23光电子技术的发展光电子技术的发展 光电子光电子技术技术半导体激光器技术半导体激光器技术光纤通信技术光纤通信技术光存储技术光存储技术光显示技术光显示技术光电探测技术光电探测技术光信息处理技术光信息处理技术光电子集成回路技术光电子集成回路技术2022-1-23 激光是光通信、光存储、光显
13、示和激光是光通信、光存储、光显示和光电子集成回路的光电子集成回路的光源和信息载体光源和信息载体。 半导体激光材料是光电子技术的主半导体激光材料是光电子技术的主导产品。导产品。 作为激光器的半导体材料很多,但作为激光器的半导体材料很多,但最主要可分为最主要可分为GaAs和和InP两个系列。两个系列。 1962年年 第一个第一个GaAs半导体激光器问世,但半导体激光器问世,但效率低,且只能在低温工作,不能使用。效率低,且只能在低温工作,不能使用。 2022-1-23 1963年年 有人提出了异质结结构激光器的概有人提出了异质结结构激光器的概念。念。 1969年年 出现了第一个出现了第一个GaAs/
14、AlGaAs异质结异质结激光器,激光器, 可在室温工作,工作电流已达可在室温工作,工作电流已达到较低的水平。到较低的水平。 20世纪世纪80年代末年代末 研制成功了无研制成功了无Al的的InGaAsP材料的材料的半导体激光器半导体激光器。 2022-1-23 早期半导体激光器的研发主要针对早期半导体激光器的研发主要针对光通信方面的应用。光通信方面的应用。 如适用于如适用于1.3m波长和波长和1.55m波长的波长的激光器材料:激光器材料:InGaAs、 InGaAsP、AlGaInAs等。等。 20世纪世纪8090年代年代 以光盘为代表的光存储技术及产业以光盘为代表的光存储技术及产业发展迅猛,第
15、一代发展迅猛,第一代CD系列光盘使用系列光盘使用780830nm 的红外激光光源,的红外激光光源,GaAs/AlGaAs和和GaAs/ InGaAsP半导体半导体材料满足这一要求。材料满足这一要求。2022-1-23 由于对光盘存储密度的要求越来越由于对光盘存储密度的要求越来越高,发展出了高,发展出了DVD光盘。光盘。 红光波段红光波段(650nm)激光器用于目)激光器用于目前的前的DVD光盘,对应材料为光盘,对应材料为InGaAlP。 蓝光波段(蓝光波段(405nm)激光器用于高激光器用于高密度密度DVD光盘,即蓝光盘(光盘,即蓝光盘(BD),对应),对应材料为材料为InGaN。2022-1
16、-23 在半导体异质结材料的开发过程中,在半导体异质结材料的开发过程中,为了为了降低域值电流、获得大功率的激光降低域值电流、获得大功率的激光输出和提高光束质量输出和提高光束质量,半导体激光器后,半导体激光器后来都采用了量子阱结构。来都采用了量子阱结构。 量子阱结构:厚度仅为量子阱结构:厚度仅为110nm的异的异质结结构。质结结构。 在量子阱结构的基础上,人们又采在量子阱结构的基础上,人们又采用了用了应变量子阱结构应变量子阱结构,通过控制外延层,通过控制外延层的厚度,解决了材料开发过程中出现的的厚度,解决了材料开发过程中出现的晶格失配问题。晶格失配问题。 2022-1-23 因此,半导体激光材料
17、经历了同质因此,半导体激光材料经历了同质结构、异质结构、量子阱结构材料和应结构、异质结构、量子阱结构材料和应变量子阱结构材料的发展历程。变量子阱结构材料的发展历程。 人们用这些材料制成了蓝光、红光、人们用这些材料制成了蓝光、红光、近红外波段和近红外波段和23m中红外波段的各种中红外波段的各种半导体激光器。半导体激光器。2022-1-232022-1-23气体激光器气体激光器 介质是气体的激光器,此种激光器通过放电得到激介质是气体的激光器,此种激光器通过放电得到激发。发。 氦氖激光器:氦氖激光器:最重要的红光放射源(最重要的红光放射源(632.8 632.8 nmnm)。)。 二氧化碳激光器:二
18、氧化碳激光器:波长约波长约10.6 10.6 mm(红外线),(红外线),重要的工业激光。重要的工业激光。 一氧化碳激光器:一氧化碳激光器:波长约波长约6-8 6-8 mm(红外线),(红外线),只在冷却的条件下工作。只在冷却的条件下工作。 氮气激光器:氮气激光器:337.1 nm (337.1 nm (紫外线紫外线) )。 氩离子激光器氩离子激光器: :具有多个波长,具有多个波长,457.9 nm (8%)457.9 nm (8%)丶丶476.5 nm (12%)476.5 nm (12%)丶丶488.0 nm (20%)488.0 nm (20%)丶丶496.5 nm 496.5 nm (
19、12%)(12%)丶丶501.7 nm (5%)501.7 nm (5%)丶丶514.5 nm (43%)514.5 nm (43%)(由蓝光(由蓝光到绿光)。到绿光)。 氦镉激光器:氦镉激光器:最重要的蓝光(最重要的蓝光(442nm442nm)和近紫)和近紫外激光源(外激光源(325nm325nm)。)。 固体激光器固体激光器 介质是固体的激光器,此种工作物质通过灯丶半导体激光器介质是固体的激光器,此种工作物质通过灯丶半导体激光器阵列丶其他激光器光照泵浦得到激发。阵列丶其他激光器光照泵浦得到激发。 红宝石激光器:红宝石激光器:世界上第一台激光器,世界上第一台激光器,1960年年7月月7日,日
20、,美国美国青年科学家青年科学家梅曼梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,这台激光器就是宣布世界上第一台激光器诞生,这台激光器就是红宝石激光器。红宝石激光器。 如如Cr:Al2O3激光器工作波长:激光器工作波长:6943 。Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石):最常用的固体激光器,工作(掺钕钇铝石榴石):最常用的固体激光器,工作波长一般为波长一般为1064nm,这一波长为四能级系统,还有其他能级可以,这一波长为四能级系统,还有其他能级可以输出其他波长的激光。输出其他波长的激光。 Nd:YVO4(掺钕钒酸钇):低功率应用最广泛的固体激光器(掺钕钒酸钇):低功率应用最广泛的固体激光器,工作波长一般为,工作波长一
21、般为1064nm,可以通过,可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频非线性晶体倍频後产生後产生532nm绿光的激光器。绿光的激光器。 Yb:YAG(掺镱钇铝石榴石):适用於高功率输出,这种材(掺镱钇铝石榴石):适用於高功率输出,这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。 钛蓝宝石激光器:钛蓝宝石激光器:具有较宽的波长调节范围(具有较宽的波长调节范围(670nm1200nm)2022-1-23三、信息材料的应用范围三、信息材料的应用范围 广义上讲,所有应用信息技术的领域,都广义上讲,所有应用信息技术的领域,都是信息材料的应用范围。它分为军用和民用。
22、是信息材料的应用范围。它分为军用和民用。 军用军用:侦察、监视、夜视、电子对抗、武侦察、监视、夜视、电子对抗、武器精确制导、飞机和导弹的惯性导航、火炮控器精确制导、飞机和导弹的惯性导航、火炮控制、军事通信、模拟训练等制、军事通信、模拟训练等; 民用民用:通信、广播、办公室自动化、工业通信、广播、办公室自动化、工业生产自动化、医学诊断和治疗、遥感测绘、音生产自动化、医学诊断和治疗、遥感测绘、音像娱乐、科学研究等。像娱乐、科学研究等。2022-1-23第二节第二节 光导纤维及光器件光导纤维及光器件一、光导纤维(光纤)的发展历一、光导纤维(光纤)的发展历史史 20世纪世纪60年代中期年代中期,高锟等
23、人,高锟等人提出了关于降低石英光纤损耗的提出了关于降低石英光纤损耗的设想,并预测光纤通讯的未来。设想,并预测光纤通讯的未来。从理论上推测出石英光纤的损耗从理论上推测出石英光纤的损耗可以降低到可以降低到20dB/km。 1969年年,日本首先研制出第,日本首先研制出第一根通信用光纤,但损耗超过一根通信用光纤,但损耗超过100dB/km。 2022-1-23 1970年,年,美国康宁公司采用所谓粉末法美国康宁公司采用所谓粉末法制出了损耗为制出了损耗为20dB/km和和4dB/km的光纤的光纤,从而极大地引起了各国学者的重视。,从而极大地引起了各国学者的重视。 1974年年美国贝尔研究所采用化学气相
24、沉积美国贝尔研究所采用化学气相沉积法(法(MCVDMCVD)制得了)制得了0.2dB/km (1.55m) 的的光纤,该值接近石英光纤的理论损耗值光纤,该值接近石英光纤的理论损耗值0.18dB/km(1.55m)。2022-1-23 1977年年,武汉邮电科学研究院研制出公里,武汉邮电科学研究院研制出公里级低损耗的石英光纤,级低损耗的石英光纤,850nm850nm波长衰耗为波长衰耗为20dB/km20dB/km,达到了较好的衰减水平,并成,达到了较好的衰减水平,并成功进行国内首次彩色电视信号传送试验。功进行国内首次彩色电视信号传送试验。2022-1-23 与之同时与之同时,日本茨城电气通信研究
25、,日本茨城电气通信研究所采用轴向气相沉积法所采用轴向气相沉积法“VAD”法制造光法制造光纤预制棒,使光纤通信趋向实用化。这纤预制棒,使光纤通信趋向实用化。这一技术从开发到实用前后不到一技术从开发到实用前后不到10年,发年,发展相当迅速。展相当迅速。 目前光纤通信已成为信息高速公路的目前光纤通信已成为信息高速公路的重要组成部分。重要组成部分。2022-1-23 图图4-1. 早期和目前商品化石英光纤的损早期和目前商品化石英光纤的损耗谱示意图耗谱示意图2022-1-23 由图可见,位于由图可见,位于1.38um处的处的OH-离离子吸收峰将石英光纤的低损耗区域分割子吸收峰将石英光纤的低损耗区域分割成
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