第4章 特殊光、電功能材料[3,6,19,20]

4.1 基于光電效應的光電材料

85 光電陰極材料

當入射光波長λ＜λ₀=hc/?（λ₀為產生光電子發射的臨界波長，Φ為逸出功）時產生光電子發射（即外光電效應），利用該效應的光電轉換器件之一是真空電子器件，例如光電倍增管和像增強管等，其關鍵材料是光電陰極材料。對光電陰極材料的要求：1）光吸收系數大；2）光電子在體內傳輸中能量損失小，逸出深度大；3）電子親和勢低，表面逸出概率大。一些半導體和其他材料在可見光及紅外范圍都有高的量子效率。

主要光電陰極材料有多堿光電陰極材料（銻、銫在可見光區，銀、氧、銫等波長可延伸到紅外區，能滿足夜視技術和激光技術發展的需要）、零電子親和勢材料（銫被吸附在摻鋅的P型砷化鎵表面）和負電子親和勢材料（重摻雜的P型砷化鎵覆蓋Cs₂O層）。

86 光電導材料及其應用

在電磁輻射作用下半導體和電介質電導率改變的現象（即光電導效應）。通常是指在光照下可動載流子電荷濃度增加而引起的電導率增加。對本征半導體，價電子吸收光子而躍遷到導帶，使導帶電子數和價帶空穴數都增加，由此增加了半導體的電導率，這叫本征光電導。對于摻雜半導體，電子從施主束縛態激發到導帶而產生電子導電；也可以價帶電子激發到禁帶中的受主態而增加了價帶中的空穴而產生空穴導電。實際上三種激發過程都存在，只是對一種半導體材料以一種激發機制為主。光電導性除了晶體結構外，禁帶寬度E_g對其影響甚大。一般認為禁帶寬度在2eV以上的半導體材料可以稱為寬禁帶材料，主要包括Ⅳ族的SiC和金剛石，Ⅲ-Ⅴ族的氮化物GaN、AlN、InN及其合金以及不少Ⅱ-Ⅵ族化合物及其合金。表3.4-1中列出一些主要寬禁帶半導體材料在室溫下的禁帶寬度。一般說來，Ⅱ-Ⅵ化合物半導體具有較強的極性，Ⅲ-Ⅴ族次之，Ⅳ族元素或化合物則基本以共價結合，因此就材料的化學穩定性而言，顯然Ⅳ族材料最優，Ⅲ-Ⅴ族次之，Ⅱ-Ⅵ族較差。

利用光電導性可以做成光敏電阻、光敏二極管和光敏晶體管等。

（1）高分子光導材料 高分子在受光照前是絕緣體，受光照后，具有導電性或半導電性。在光照作用下，高分子光導材料能產生光生載流子和輸運載流子。根椐所產生或輸運的載流子的性質分為P型或N型。大部分高分子光導材料屬于P型，即產生或輸運空穴。因此，理想的高分子光導材料應有高的光生載流子產生效率，同時具有高的載流子遷移率，在輸運過程中，載流子不會復合或被陷阱俘獲。

高分子光導材料與無機材料相比具有成膜性好、易加工成型、靈敏度高及無毒等優點?，F已研究出多種高分子光電導材料：例如主鏈共軛型高分子、側鏈共軛型高分子、聚芳香胺類以及由給體和受體組成的電荷轉移復合物型高分子等。高分子光導材料可用于靜電照相技術，如靜電復印、光導熱塑全息錄像介質等，有些已經進入實用階段，如聚乙烯咔唑和三硝基芴酮電荷轉移復合物已經用于靜電照相技術。高分子光導材料還可用于做光電二極管、光導攝像管等。

（2）半導體光電導材料 若光子能量大于該材料的禁帶寬度，能將價帶中的電子激發到導帶上來產生電子空穴對，即產生帶間吸收形成光電導，則稱該光電導為本征型光電導。利用不同禁帶寬度的半導體材料制作的本征型光電導探測器可以適用于不同的工作波段及性能需要，是常規光電導型探測器優先采用的方式。

若光子能量小于材料禁帶寬度，也可能將束縛在雜質能級上的載流子激發到導帶或價帶中去產生光電導，則稱該光電導為非本征型光電導。自由載流子吸收、量子阱中子能級吸收、子能帶吸收所對應的帶內吸收所產生的光電導也屬于非本征型光電導。雜質能級一般較淺，因此往往用于制作中、遠紅外波段的探測器：例如采用寬禁帶半導體材料制作紫外光電探測器。

（3）光敏電阻材料 光敏電阻是均質型半導體光電器件，與光敏電阻的靈敏度長波限有密切關系。選用禁帶寬和遷移率大的N型半導體材料可獲得大的增益。通常采用蒸發的方法制得由0.1～1μm大小的晶粒聚合而成的1μm厚的多孔結構。

常用的光敏電阻材料有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、硫化鎘、銻化銦等，其中鉛的硫屬化合物既是電子導電型，又是空穴導電型。單晶型硫化鎘對可見光、X、α、β和γ射線都很靈敏。但受單晶層尺寸限制，光電流容量小。多晶型硫化鎘制成光敏電阻，可得到比單晶型大的光電流和較寬的光譜靈敏范圍，但響應時間較長。硒化鎘的光譜靈敏范圍和響應速度比硫化鎘好，但低溫性能差。

87 紅外光電導探測器材料

大氣中對紅外輻射的“透明窗”主要分布在1～3μm、3～5μm、8～14μm三個波段，適用于這些波段的紅外探測器及其材料的性能見表3.4-2。

本征半導體探測器用于長波限在7.5μm以內的紅外區中，探測器效率高，響應時間較短，工作溫度不要求極低，使用方便。三元系碲鎘汞和碲錫鉛因其禁帶寬度在0.09～0.05eV，可制作8～14μm波段的本征探測器。

制作紅外探測器的非本征材料有摻雜鍺、摻雜鍺硅合金和摻硼、鋁、鎵、磷、砷、銻等雜質的硅。摻雜鍺探測器響應時間較短，但工作溫度要求較低（使雜質能級不致因熱激發而電離），且響應波長越長，要求工作溫度越低。

88 光電二極管

主要有硅、鍺和砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體。光電二極管按工作原理分為耗盡層光電二極管和雪崩光電二極管；按器件結特性可分為PN結、PIN結、異質結、金屬半導體（肖特基勢壘）結；按對光的響應可分為紫外、紅外、可見光波段的光電二極管。決定光譜響應的關鍵因素是材料的吸收系數α（強烈地依賴于波長），其長波限由半導體材料的禁帶寬度決定，波長短時α大，光電流??；硅、鍺的短波限分別為0.4μm和0.3μm。

89 太陽電池材料

太陽電池是利用光生電動勢效應將光能轉換為電能的固態電子器件。光電池分金屬半導體型和P-N結型兩類。光電轉換效率η是光電池的最大輸出功率與照射在光電池表面積S上的輻射功率的比值。光電流與材料禁帶寬度有密切關系，應盡量選擇E_g在0.9～1.5eV范圍內的半導體材料。太陽電池及材料的性能參數見表3.4-3。

非晶硅（a-Si）光電性能優良，吸收系數比單晶硅大一個數量級，單位面積非晶硅太陽電池用硅量僅為單晶硅太陽電池的1%。非晶硅可在金屬及玻璃薄片上沉積，做成大面積電池。對非晶硅太陽電池的研究甚至超過了發展很快的單晶硅（C-Si）太陽電池。

4.2 能把其他能量轉變為光能的發光材料

90 電致發光材料

能將電能（電場激發）直接轉換成光能（發光）。這類材料大多是半導體材料。主要的電致發光材料及其物理性質見表3.4-4。

91 發光二極管（LED）材料

發光二極管是利用半導體PN結、MS結、MIS結制成的發光器件，用于顯示、顯像、探測輻射場等領域。用于固體顯示的發光材料有注入型場致發光材料和本征場致發光材料。發光二極管材料主要是化合物和固溶體半導體材料，見表3.4-4。

發光二極管發射光的波長由半導體材料禁帶寬度決定，Ⅱ-Ⅳ族化合物的禁帶寬度較大，可以發出可見光和藍光，但這類化合物制作PN結比較難，且發光效率不夠高。用Zn和O摻入晶體后，紅光的發光效率可達7%，是目前發光效率最高的材料之一。

92 熒光材料和磷光體

熒光材料的特點是分子或原子吸收了能量后即刻發光（激發態持續8～10s），供給能量中斷時，發光幾乎立即停止。只有以苯環為骨干的芳香族化合物和雜環化合物才能產生熒光，分為光致熒光、電致熒光和射線黃光等幾類。

磷光體的特點是吸收能量后所發射的光量子能量和波長與熒光一樣，但激發態持續時間大大超過8～10s，磷光體是具有缺陷的某些復雜的無機晶體物質，由基質和激活劑兩部分組成：基質多半是Ⅱ族金屬的硫化物、硒化物和氧化物，如CaS、BaS、ZnS、CdS等；激活劑是重金屬。磷光體最重要的應用是顯示和照明，常用磷光體及應用見表3.4-5。

93 激光器材料

激光器材料有等離子體、氣體、液體、半導體、晶體、玻璃和玻璃陶瓷等多種。晶體激光器材料是在基質晶體中摻入適量的激活離子，激活離子來自3價和2價鐵類、鑭系和錒系元素。晶體激光器材料大體又可分為氟化物、鹽類和氧化物3類，目前實用的主要晶體激光器材料見表3.4-6。半導體材料有鉛的硫屬化合物、砷化鎵、銻化銦、砷化銦、銻化鎵、磷化銦、銦鎵砷、銦磷砷、鋁鎵砷、鎵砷磷等。

4.3 基于特殊的介質極化性能的液晶、高電容率材料和駐極體

94 液晶

液晶的特點是同時具有流動性和各向異性。熱致液晶在一定溫度范圍內為液晶態；溶致液晶溶于適當的溶劑中，在一定濃度范圍內為液晶態。液晶分子呈長線形或盤形，線形分子按排列方式不同分為近晶相、向列相和膽甾相三類，盤形分子分為向列相、膽甾相和柱狀相三類，分子在電場中發生取向極化作用，改變對環境光的反射或透射特性，因此可利用局域電極控制明暗以形成與背景不同的具有一定對比度的數字或符號。液晶主要用作各種顯示器件，與其他電子顯示器件相比，其最大特點是“無源顯示”，顯示工作電壓一般為20～30V，功耗為500μW/cm2，場效應液晶功耗更小，僅幾毫瓦，工作電壓僅為3～5V；制造工藝簡單，價格低廉。其缺點是響應時間長、低溫性能差、對比度小、工作壽命不長。用于光電顯示的多為向列型液晶。它們應滿足以下要求：1）合適的溫度范圍-20～60℃；2）良好的化學、物理穩定性；3）滿足電光特性要求：閾值電壓低、響應快、對比度好、余輝小等。目前使用的材料有芳酯類、氰基聯苯類和苯基環烷等有機化合物。

95 高電容率材料

用于制造體積小、電容量大的電容器。主要品種有鈦酸鋇基高介瓷和鈦酸鍶基高介瓷，它們都是鐵電體，有電疇，能自發極化而且隨外電場方向而變，因此相對電容率ε_r特別高。鈦酸鋇基高介瓷易制造、價格低，應用廣泛。缺點是tanδ較大，ε_r易隨電場強度變化，E_b較低，電容溫度變化率θ_c較大。鈦酸鍶基高介瓷在SrTiO₃中加入Bi、Ti的氧化物，可以克服上述缺點，在高電壓高介陶瓷電容器中應用廣泛。此外，還有晶界層電容器材料，以晶界為電介質，用于制造超小型大容量電容器。常用鈦酸鋇基和鈦酸鍶基高介瓷性能見表3.4-7。

鈦酸銅鈣基以及施主受主共摻的氧化鈦陶瓷發展迅速，它們具有弱溫度和頻率依賴特性的高介電常數（104～105），穩定的高介電常數有利于推動器件小型化發展?；谏鲜龈呓殡姵堤沾煽芍苽鋁8R電容器，但tanδ相對較高，最小值達到0.01。

其他作為電容器用的瓷還有高鈦氧瓷和鈦酸鎂瓷等。高鈦氧瓷的ε_r為60～160，E_b為15～25MV/m；鈦酸鎂瓷的特點是介電溫度系數很低，甚至可接近于零，E_b為15～30MV/m，ε_r為10～20，tanδ=0.001。

96 駐極體

不存在無外電場的條件下，電極化后能長期保持電極化狀態并向周圍環境施加電作用力的電介質。長期貯存的電荷可以是真實電荷、極化電荷或兩者并存。電介質材料必須經過充電（駐極）才能形成駐極體，駐極方法有高溫時施加直流電場的熱極化法、電暈充電法、液體接觸法、電子束注入法，以及接觸帶電和穿透輻照引起的電離等，分別得到熱駐極體（每升1K使單位體積產生的電荷量稱為熱電常數）、電駐極體、光駐極體和輻照駐極體。駐極體分為單極（同號）駐極體和異號駐極體。單極駐極體內儲存的電荷為同號（極性）空間電荷，是從電極或氣隙注入介質表面的。異號駐極體內異號電荷占優勢。異號電荷可以是介質內部的離子在極化電場的作用下向兩極分離，在電極附近被介質中的離子型“陷阱”捕獲形成異號空間電荷，或是由介質內部偶極極化形成的異號束縛電荷。

駐極體材料有有機聚合物和無機材料兩類：1）有機聚合物駐極體，有蠟、聚四氟乙烯（PT-FE）、四氟乙烯與六氟丙烯共聚物（Teflon-FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，其中氟碳聚合物化學結構穩定，熱穩定性好、電荷密度高、保存電荷的能力強，是優良的駐極體材料，見表3.4-8。2）無機材料駐極體，有鈦酸鹽類陶瓷（如Ba-TiO₃、Pb[Zr，Ti]O₃等）、金屬氧化物（如Al₂O₃、SiO₂）等。

駐極體具有靜電、壓電和熱電等效應，而且制造工藝簡便、成本低、原材料消耗低，因而得到廣泛應用。例如可用于制造各種電聲器材，駐極體傳聲器是最常用的一種駐極體換能器?？捎糜跉怏w分析，經過改進的駐極體傳聲器還可用來測量核爆炸、臺風發出的次聲（10-3Hz）以及脈沖星發出的超聲（108Hz）等。還可用駐極體測量放射性劑量，當放射性射線照射駐極體時，與駐極體表面接觸的空氣發生電離，電離程度與放射線劑量成比例，所產生的離子與駐極體表面電荷中和，使駐極體表面電荷減少，通過駐極體電量的減少量測量放射性的劑量；此外還可制造高效空氣過濾器（參見第22篇第115條），利用駐極體的開縫效應制造新式電動機等。

4.4 基于電-機械效應的壓電材料和磁-機械效應的磁致伸縮材料

97 壓電材料

若沿著一定方向對某些電介質施加作用力，則材料除發生形變外在材料內部還會產生極化，在其表面上產生電荷，電荷的極性隨外力作用方向變化而變化，若再撤去外力，則電介質又重新回到不帶電狀態，這就是正壓電效應。相反，若在電介質的極化方向施加電場，則這些電介質也會發生形變，這就是逆壓電效應。

兩個統稱為壓電效應，又稱電-機械效應。具有壓電效應的電介質材料稱為壓電材料。常見的壓電材料有壓電晶體、壓電陶瓷。壓電材料用于換能器：包括聲-電換能型（如傳聲器）、電-聲換能型（如揚聲器）、機電換能型（如轉換器）、水聲-電換能型（如水聲器）等。

壓電效應可用壓電方程描述：

式中 D——電位移；

E——電場強度；

X——應力；

x——應變。

式中有3個常數，分別稱為恒定壓力下的電容率ε（F/m）；應力產生壓電耦合效應的壓電應變常數d（C/N）；應力產生彈性應變的彈性柔順常數S（m2/N）。機電耦合效應系數K定義是

K 2=機械轉換獲得的能量/輸入的總能量

正壓電效應：

K 2=（總機械能-機械轉換能）/總機械能

逆壓電效應：

K 2=（總電能-極化能）/總電能

（1）壓電單晶材料

1）石英（水晶，結晶的二氧化硅），是最早獲得使用的壓電材料。石英晶體透明度極好；在大氣壓和室溫下十分穩定，除溶于氟酸外，不溶于其他酸中，老化極微，不加任何防護能耐100%RH的濕度；機械損耗小，機械特性穩定，最大安全應力為98N/m；壓電系數的溫度特性好，沒有熱釋電效應；體積電阻率高（>1012Ω·m）；加工比較容易；因此現在仍被廣泛應用。其缺點是由于耦合系數小而帶寬窄，輸入損耗大，頻率降低時阻抗值過大而難以取得匹配等。

2）水溶性壓電晶體由水溶液培育獲得，特點是耦合系數比水晶高，阻抗值低；缺點是易受潮，溫度特性差，機械強度低，電阻率低，因此正被壓電陶瓷所取代。單斜晶系中的硫酸鋰（LiSO₄·H₂O）耦合系數大，ε小，作為0.5～10MHz高頻材料時性能卓越，但難以加工成薄片，且防濕性較差。

3）鈮酸鋰（LiNbO₃）和鉭酸鋰（LiTaO₃）用單晶拉晶法生長，耦合系數大，彈性損耗小，居里點高（鈮酸鋰高達1210℃），可用于高頻或高溫。常用壓電單晶材料的特性見表3.4-9。

（2）壓電陶瓷 是由鈦、鋇、鋯、鈮等元素的氧化物經混合、成型、燒結后再經高電壓極化而成的多晶壓電材料。鈦酸鋇發現最早，以后發展了鋯鈦酸鉛系陶瓷、鈮酸鹽陶瓷、三元系和四元系壓電陶瓷。常用壓電陶瓷材料的特性見表3.4-10。

常用壓電陶瓷：1）鈦酸鋇陶瓷，壓電系數約為石英的50倍，電容率也高，但其居里點較低（約為115℃），機械強度也不高。用于變換器和電容器。2）鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（簡稱PZT），壓電系數較高，居里點溫度在300～400℃之間，沒有較低的相變點，性能穩定，是目前常用的壓電材料。3）鈮酸鹽壓電陶瓷，特點是居里點高，電容率小，高溫性能穩定，常用于水聲換能器。4）三元系壓電陶瓷，鈮鎂酸鉛[Pb（Mg_1/3，Nb_2/3）O₃]、鈦酸鉛（PbTiO₃）、鋯酸鉛（PbZrO₃）三種基本組分組成。5）四元系壓電陶瓷[Pb（Sn_1/3，Nb_2/3）_A（Zn_1/3，Nb_2/3）_BTicZr_DO₃]，A、B、C、D四種組分比例可改變。優點是容易燒結，機電耦合系數、電容率、機械強度高，且壓電性能受壓力影響不大，隨溫度變化小。

98 磁致伸縮材料

磁致伸縮是因磁化而引起磁性物質彈性變形，是一種磁-機械效應。磁性體長度沿磁化方向的相對變化率（即λ=Δl/l）稱為磁致伸縮系數。λ隨磁場強度增大而增大，直到飽和磁致伸縮系數λ_s。磁致伸縮材料分金屬和鐵氧體兩類：金屬類包括純鎳、鐵鋁（1J13）和FeCo；鐵氧體類包括Ni-Cu-Co系和Ni-Zn-Co系。主要用于超聲波傳輸信號測量儀表和通信儀表（如聲音探測器、魚群探測器、探傷儀、信號延遲器）和用超聲波能量作動力的場合（如洗滌、機械加工、乳化、焊接及超聲波診斷等）。磁致伸縮材料的要求為機電耦合系數（磁彈耦合常數）K大，并有良好的力學性能。磁致伸縮材料的特性見表3.4-11。

4.5 基于電性（特別是電導率）對雜質或外界因素敏感性的敏感材料

99 電壓敏材料

具有電流電壓非線性現象的材料。主要壓敏材料特性見表3.4-12。

當壓敏元件兩端的外加電壓低于某一臨界值時，壓敏元件呈現高阻態且伏安特性呈線性關系；當外加電壓超過某一臨界值時，其伏安特性轉變為非線性，電壓稍有增加，電流可陡然增加幾個數量級，這就是壓敏效應。電流電壓特性近似表示為

I=（V/C）α

式中 C——壓敏電阻常數（相當于電阻值）；

α——非線性指數。

壓敏特性是指α、C值、壓敏電壓V_c（對應1mA所施加的電壓）及其溫度系數θ_V。壓敏陶瓷材料在電力系統、電子線路和一般家用電氣設備中得到了廣泛的應用，尤其在過電壓保護、高能浪涌的吸收以及高壓穩定等方面的應用更為突出。氧化鋅是最重要的壓敏材料。

100 碳化硅非線性電阻防電暈材料

該材料由聚合物黏合劑及碳化硅非線性電阻材料配制而成，也是一種壓敏材料，但非線性特性與氧化鋅不同，在一定電場強度范圍內電阻率隨所受電場強度的提高而下降：

ρ=ρ₀exp（-βE）

式中 ρ₀——加電場前的電阻率；

β——非線性系數（m/MV）。

若碳化硅粉料顆粒愈粗、聚合物黏合劑含量愈低、黏合劑的玻璃化溫度T_g愈高，則β愈大。若用熱固性黏合劑，則β值隨固化過程進行而增大，直至穩定值。β值與防暈層工作溫度有密切關系，當溫度升高時，黏合劑膨脹，改變了碳化硅粒子間通過隧道效應傳導電流的特性，使β值下降。

使用防暈材料時，要根據電氣設備或元件結構特點選定合適的防暈層參數：β值、ρ₀值及防暈層長度。對高壓發電機線圈端部，ρ₀約為1010Ω，β值為10～15m/MV，防暈層長度可達到10～15cm。當防暈層長度受到限制時，ρ₀值可適當提高，β值可適當降低些。

101 熱敏及PTC材料

熱敏電阻材料的分類和特性見表3.4-13。

ρ隨溫度改變而發生顯著變化的材料。電阻率與溫度關系為

ρ=ρ₀exp（B/T）

式中 ρ₀和ρ——升溫前后的電阻率；

B——材料常數（K）。

熱敏材料一般分為三類：

1）負溫度系數（NTC）材料，特點是電阻率隨溫度升高而減?。喝鏜n-Co-Ni系，B值為2000～7000K，使用溫度<200℃；CoO-Al₂O₃-CaSiO₄系，B值為6500～16500K，使用溫度為300～1000℃。NTC材料廣泛用于控溫和測溫傳感器。

2）負電阻突變特性（CTR）材料，即臨界溫度熱敏電阻，如Ag₂SCuS系和V系氧化物材料，CTR材料主要用于火災警報器。

3）正溫度系數（PTC）材料，即電阻率隨溫度升高而增大，具有發熱特性和溫度開關特性。

4）其他熱敏電阻材料，包括厚膜、薄膜熱敏電阻材料以及單晶熱敏電阻材料；厚膜型熱敏電阻器普遍應用NTC厚膜熱敏電阻材料；薄膜熱敏電阻材料主要有SnSe、TaN等化合物材料以及元素半導體硅、鍺和鉑等金屬材料。

PTC材料：1）無機材料添加微量元素Mn、Y等：例如BaTiO₃系半導體陶瓷和新V₂O₅系陶瓷；2）聚合物添加炭黑等導電組分，例如PE、氟塑料等添加炭黑；3）無機-有機復合材料。PTC材料主要用于火警探測傳感器、溫度自控、過電流過熱保護、彩電消磁、電動機起動、墻體、輸油管道加熱等需要控溫、加熱、保溫的場合。自動控溫加熱電纜可取代蒸汽保溫系統，廣泛用于石油、化工、電力和民用建筑工業以及其他不能采用蒸汽保溫系統的場合，具有節約能源、清潔環境、使用壽命長、安裝維護方便、控溫效果好、運應性強等優點。

102 力敏材料

電學特性隨外力作用而發生顯著變化的材料，它有利于實現力與電的相互轉換。由于測量電阻值要比測量電容值方便，因此一般應用電阻型力敏材料，最常用的有兩類：

1）金屬應變電阻材料，具有金屬應變電阻效應，金屬力敏材料的主要特性見表3.4-14。

2）半導體壓阻材料，具有半導體壓阻效應。力敏材料的主要特性指標是靈敏系數K（表示單位應變引起的阻值相對變化量，K值越大，材料對應變的反應能力越高）、電阻率ρ、電阻溫度系數、膨脹系數α、對銅電動勢E_cu、力學性能、靜態和動態最高使用溫度等。

硅半導體材料是目前制造力敏元件最常見的壓阻材料。單晶硅應用最多，主要有兩種：1）體型，元件電特性主要是由單晶硅制造過程中摻入雜質的性質決定；2）擴散型，元件電特性由元件制作時擴散到單晶硅中的雜質情況決定。單晶硅的靈敏系數具有各向異性的特點。目前除了應用單晶硅外，還著力研究GaP、InSb等材料，同時開發異質結外延材料（硅-藍寶石、硅-尖晶石）及化合物材料。

103 濕敏材料

電學特性隨濕度而發生顯著變化的材料。一般利用表面吸附所引起的電導率變化而獲得有用信號。成分主要是不同類型的金屬氧化物，結構上采用微粒狀粉末堆集體和多孔狀的多晶燒結體。電阻率通常為10-6～106Ω·m，半導化過程使晶粒體的電阻率大為降低，而粒界電阻要比體內電阻高得多，粒界存在高阻效應能提高濕敏特性。

根據電阻率隨濕度的變化，可分為：1）負特性濕敏材料，電阻率隨濕度的增加而下降；2）正特性濕敏材料。濕敏材料的主要特性是：濕敏度，RH每變化1%時的電阻率變化；濕度溫度系數：每變化1℃，相對濕度的變化。

典型的濕敏材料有瓷粉膜型濕敏材料、燒結體型濕敏材料和厚膜型濕敏材料。主要用于濕度的測量和控制。濕敏材料的分類和特性見表3.4-15。

104 氣敏材料

物理參量隨外界氣體種類和濃度變化而變化的敏感材料，見表3.4-16。

氣敏材料的主要種類：1）半導體氣敏材料，如SnO₂、ZnO、γ-Fe₂O₃、Ln_1-xSr_xCoO₃等，利用電導率隨吸收氣體的吸附化學反應而改變的特性；2）接觸燃燒式氣敏材料，如Pt-Al₂O₃+Pt絲、Pd-Al₂O₃+Pt絲，利用材料對氣體的接觸燃燒反應熱而改變另一種材料電阻值的特性；3）固體電解質氣敏材料，如CaO-ZrO₂（CSZ）、Y₂O₃-ZrO₂（YSZ）、Y₂O₃-TbO₂、LaF₃、PbCl₂、PbBr₂、K₂SO₄、K₂CO₃和Ba（NO₃）₂等，利用固體電解質對氣體的選擇透通性能，產生濃差電勢等。氣敏材料的主要性能參數包括靈敏度、響應時間、恢復時間、選擇性、穩定性等。

105 磁敏電阻材料

磁敏電阻材料的電阻值隨外施磁場變化而變化（即磁阻效應）。與霍爾器件相比，磁阻電阻結構簡單，可將多個元件集成在同一基片上，使溫度系數很小（達10-5/℃）。磁敏電阻按感磁材料劃分為半導體磁敏電阻和強磁性薄膜磁敏電阻。

半導體磁敏電阻常用的主體材料有銻化銦、砷化銦以及它們的某些共晶體材料。從半導體磁敏電阻率變化率可知選用載流子遷移率大的材料可使磁敏電阻的磁阻效應更顯著。

只有一種載流子的半導體：

（ρ-ρ₀）/ρ₀=Δρ/ρ₀=0.275μ2B2

有電子和空穴兩種載流子時：

Δρ/ρ₀=（p/n）μ_nμ_pB2

式中 ρ、ρ₀——磁感應強度為B和0時的電阻率；

n、p——電子密度、空穴密度；

μ、μ_n、μ_p——載流子的遷移率、電子遷移率、空穴遷移率。

強磁性磁阻效應的基本特征是電阻率與磁化方向有關：平行磁化方向ρ_//，垂直磁化方向ρ_⊥。常以（Δρ/ρ₀）表示強磁性材料磁阻效應的大小，其中Δρ=ρ_//-ρ_⊥，ρ₀為退磁狀態下的電阻率。一般選大的材料，主要是鎳基合金，有鎳-鈷（Ni-Co）和鎳-鐵（Ni-Fe）合金。

強磁性薄膜材料具有以下特點：對于弱磁場的靈敏度很高（3×10-3T時達25mV/mA），具有倍頻特性、磁飽和特性，靈敏度具有方向性，可靠性高，溫度特性好，使用溫度范圍寬，成本低。