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内容简介

　　《信息材料概论》作为材料类专业的本科生、专科生及研究生教材，也可作为其他专业学生的信息材料方面的普及型教材。作者从半导体学、微电子学、光电子学等基础科学出发，力图通俗易懂、深入简出地介绍信息材料领域的基本理论、种类、应用和发展，培养学生掌握信息材料领域基本知识。全书包括信息材料导论、微电子材料基础、光电子材料基础、信息传感材料、信息存储材料、信息传输材料、信息显示材料及信息处理材料等章节，使读者对信息材料在信息技术领域的应用和发展有一个全方位的了解。

内页插图

目录

第1章 导论
1.1 信息材料的发展历史
1.2 信息材料的分类
1.3 信息材料的应用与发展

第2章 微电子材料基础
2.1 半导体物理基础
2.1.1 半导体的性质
2.1.2 半导体材料的能带结构
2.1.3 半导体材料分类
2.2 集成电路基础
2.2.1 半导体器件基础
2.2.2 集成电路技术及其发展
2.2.3 集成电路的分类
2.3 集成电路芯片制造技术
2.3.1 原料提纯
2.3.2 单晶硅锭及硅片制造
2.3.3 光刻与图形转移
2.3.4 掺杂与扩散
2.3.5 薄膜层制备
2.3.6 互联与封装
2.4 集成电路芯片材料
2.4.1 厚膜电子浆料
2.4.2 引线框架和引线材料
2.4.3 封装及封装材料
2.4.4 集成电路基片材料
2.4.5 其他微电子芯片材料

第3章 光电子材料基础
3.1 光电子技术概述
3.2 半导体的光学性质
3.2.1 半导体的光吸收特征
3.2.2 半导体的发光机理
3.3 激光材料
3.3.1 激光原理
3.3.2 激光的特性
3.3.3 常用激光器
3.3.4 激光晶体
3.3.5 激光玻璃
3.3.6 半导体激光介质
3.4 集成光路和光电子集成技术
3.4.1 平面光波导
3.4.2 集成光路材料
3.4.3 光电子集成回路材料

第4章 信息传感材料
4.1 力敏传感材料
4.1.1 应变电阻材料
4.1.2 半导体压阻材料
4.1.3 压电材料
4.2 热敏传感材料
4.2.1 热电势式测温传感器
4.2.2 热电阻式温度传感器
4.2.3 PN结型测温传感器与集成电路温度传感器
4.2.4 热释电式传感器
4.3 光敏传感材料
4.3.1 光电效应
4.3.2 半导体光电探测器材料
4.3.3 光电探测器件
4.3.4 摄像材料
4.3.5 光固态图像传感器
4.4 磁敏传感材料
4.4.1 半导体磁敏电阻
4.4.2 霍尔传感器
4.4.3 强磁性材料
4.4.4 磁敏晶体管
4.5 气敏传感材料
4.5.1 气敏传感材料的分类和原理
4.5.2 半导体气敏材料
4.6 湿敏传感材料
4.7 光纤传感材料
4.8 生物传感材料

第5章 信息存储材料
5.1 磁存储材料
5.1.1 磁存储原理
5.1.2 磁存储系统
5.1.3 磁带、磁盘存储材料
5.1.4 磁泡存储材料
5.1.5 巨磁电阻存储材料
5.2 半导体存储器材料
5.2.1 随机存取存储器
5.2.2 只读存储器
5.3 光盘存储材料
5.3.1 只读式光盘材料
5.3.2 一次写入光盘材料
5.3.3 可擦重写光盘存储材料
5.4 新型信息存储材料

第6章 信息传输材料
6.1 通信电缆材料
6.1.1 双绞线材料
6.1.2 同轴电缆材料
6.2 光纤通信材料
6.2.1 光纤工作原理
6.2.2 光纤的性能
6.2.3 光纤的种类
6.2.4 光纤、光缆制作技术
6.2.5 其他光纤通信系统材料
6.3 微波通信材料
6.3.1 微波传输线材料
6.3.2 铁氧体微波材料
6.3.3 微波集成电路材料
6.4 GSM数字蜂窝移动通信材料
6.4.1 GSM数字蜂窝移动通信系统
6.4.2 GSM移动通信材料

第7章 信息显示材料
7.1 阴极射线显示材料
7.1.1 阴极射线管的基本结构与工作原理
7.1.2 CRT荧光粉材料
7.2 液晶显示材料
7.2.1 液晶分子结构和特性
7.2.2 液晶显示器的种类及原理
7.2.3 显示用液晶的种类
7.2.4 液晶显示器中的其他材料
7.3 等离子体显示材料
7.3.1 气体放电机理
7.3.2 等离子体显示器原理
7.3.3 PDP材料
7.4 场致发射显示材料
7.4.1 场致发射显示器原理及结构
7.4.2 FED冷阴极材料
7.4.3 FED用荧光粉材料
7.5 电致发光显示材料
7.5.1 交流薄膜电致发光显示材料
7.5.2 交流粉末电致发光显示材料
7.5.3 发光二极管
7.6 电子纸材料
7.7 其他平板显示技术
7.7.1 真空荧光显示
7.7.2 电致变色显示
7.7.3 电泳显示

第8章 信息处理材料
8.1 模拟集成电路材料
8.2 数字集成电路材料
8.3 激光调制材料
8.3.1 电光调制材料
8.3.2 声光调制材料
8.3.3 磁光调制材料
8.4 非线性光学材料
8.4.1 非线性光学效应
8.4.2 非线性光学材料
8.4.3 非线性光学材料的应用
参考文献

精彩书摘

　　导论
　　科学技术的发展是人类社会进步的一个重要推动力。人类社会的每一次科学技术革命都对社会发展和变革起着巨大的作用。托夫勒（A．Toffler）把人类社会历史概括为三次浪潮，第一次浪潮为农业革命，第二次浪潮为工业革命。而随着人类科技水平的迅猛发展，随之而来的则是第三次浪潮。在这次浪潮中，以电子信息产业为代表的高科技产业异军突起，在整个国民经济领域中越来越占据重要的地位，人类社会正在踏入信息社会时代。
　　所谓信息社会，就是信息成为比物资和能源更为重要的资源，以开发和利用信息资源为目的的信息经济活动迅速扩大，逐渐取代工业生产活动而成为国民经济活动的主要内容。信息经济在国民经济中占据主导地位，并构成社会信息化的物质基础。以计算机、微电子、光电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉。信息技术正在从根本上改变人们的生活方式、行为方式和价值观念。
　　在现实社会中，信息产业已逐渐成为世界强国的重要支柱产业之一，人类越来越依赖于各种信息网络和信息产品工作、学习和生活。运用现代信息技术对各种信息的收集、存储、处理、传递和显示，使得人类能以前所未有的速度、深度和广度去认识自然、改造社会和创新历史。信息技术领域的每一次进步和革命都成为促进各国经济、文化和军事发展的重要推动力，而这些进步和革命又与相关材料领域的创新和发展不可分割。
　　材料是构成整个物质社会的基础，人类在认识、使用和制造材料领域的每一次进步都成为促进社会生产力发展的重要推动力。随着现代科学技术的快速发展，人类在材料领域的创新越来越快，各种各样的新材料大量涌现。这些新材料的研究、生产和应用正成为各国科技和工业发展水平的重要标志。
　　材料的分类方法有多种。如按材料的性质来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等；而按材料的应用来分，又可分为建筑材料、生物材料、信息材料等。所谓的信息材料是指用于信息的获取、存储、处理、传递和显示的微电子材料和光电子材料。以微电子材料和光电子材料为代表的信息材料是信息技术的基础和先导，信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。
　　1．1信息材料的发展历史
　　信息材料包括微电子信息材料和光电子信息材料两大类，回顾它们的发展历程，就能清楚看出微电子信息技术和光电子信息技术的发展历程。
　　微电子技术作为信息技术的基石，发展至今已有五十余年的历史。所谓的微电子技术就是指在几平方毫米的半导体单晶芯片上，用微米和亚微米精细加工技术制成由一万个以上晶体管构成的微缩单元电子电路和由之而成的各种微电子设备。微电子技术的突飞猛进推动了整个世界的重大变化。
　　微电子技术是在传统的电子技术的基础上发展起来的。1906年弗列斯特（D．Forest）成功研制出了世界上第一个电子三极管，这种真空玻璃管式电子器件的出现推动了无线电、雷达、导航、广播、电视、电子计算机等各种电子技术和设备的发展，开辟了人类历史的一个新纪元。但是电子管技术存在着许多缺陷：体积大、能耗高、成本高、速度慢，与电子技术发展的需求相差甚大。随着半导体材料、尤其是半导体硅材料的研究进展，给电子技术的发展提供了新的机遇。1947年巴丁（J．Bardeen）和沃尔特布拉顿（w．H．Brattain）研制出世界上第一个点接触型晶体三极管；1949年肖克利（w．B．Shockley）提出了P—N结理论，并研制出实用化的结型晶体三极管，由此推动了晶体管技术的工业化生产；1952年达默（G．w．Dummer）首先提出制造单块半导体集成电路的思想；1958年，美国得克萨斯仪器公司的基比尔（J．s．Kilby）和仙童半导体公司的诺伊斯（R．Noyce）几乎同时发明了第一块锗集成电路和硅集成电路。集成电路的出现为微电子技术的发展打下了基础，进而大大推动了现代高新技术的飞速发展。
　　集成电路一经面世，就得到了飞速的发展。1962年制成了只有12个元件的集成块，至1965年已能制造芯片集成度在100个以下的晶体管单元，称为小规模集成电路（SSI），同年底又出现了集成度在100～1000个单元的中规模集成电路（MsI）。1967年至1973年，集成度达到了1000～10万个单元的大规模集成电路（LsI）。到了1978年，在一块30mm。的芯片上已经发展到集成度为10万～1。0万个单元的超大规模集成电路（VLSI）。至1986年和1995年，又先后发展到了集成度1000万～10亿个结构单元的甚大规模集成电路（UL—SI）和10亿～1000亿个结构单元的巨大规模集成电路（GLSI）。
　　集成电路技术的飞速发展，得益于微电子材料研究的大力支持。20世纪50～60年代，随着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逆转。硅材料的禁带宽度比锗高，其工作温度较高，适于功率器件的制作；硅在高温下能氧化成SiO2薄膜，而SiOz薄膜兼有杂质扩散掩膜、绝缘膜和保护膜三重功能，很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，可为集成电路的工艺制作提供更大的自由度。晶体管的性能很大程度上受Si／SiO2界面的缺陷和SiO2膜中移动电荷的影响，但Si（100）／SiO2界面只有十万分之一的原子键形成缺陷，用人工方法很难获得比此更优质的界面。硅材料的这些优点促成了硅集成电路平面工艺的迅猛发展，并成为集成电路技术的最重要的基础材料。
　　早期的集成电路都是双极型的，1962年后出现了由金属一氧化物一半导体（M0s）场效应晶体管组成的MOs集成电路。MOS集成电路具有功耗低、适合于大规模集成等优点，在整个集成电路领域中占的份额越来越大。在早期的MOs技术中，铝栅P沟MOS晶体管是最主要的技术。20世纪60年代后期，多晶硅取代铝而成为MOs晶体管的栅材料。20世纪70年代中期，利用LOCOs隔离的NMOS（N沟道MOS晶体管）集成电路开始商品化。20世纪80年代以后，CMOS（互补金属氧化物一氧化物一半导体）技术迅速成为超大规模集成电路（VLSI）的主流技术。由于CMOS具有功耗低、可靠性高、集成度高等特点，已成为集成电路领域的主流。
　　随着集成电路规模的不断提高，对硅片的直径要求越来越大，而线宽则越来越小。硅片的制造技术从20世纪80～90年代的6in（线宽1～0．5Um）、8in（0．5～0．18Um），到2001年开始生产12in（0．13UM）。预计2008年将可以生产直径为18in、线宽为0.07～0.05Um的下一代硅片。在硅片生产工艺水平不断提高的同时，在硅材料的基础上发展起来的SOI（绝缘层上的硅）材料具有寄生电容小、功耗低、集成度和电路速度高、抗辐照和耐高温性好等特点，有可能突破硅基集成电路芯片的特征尺寸极限，从而最有可能成为取代传统硅片的集成电路用材料。
　　光电子技术则是在20世纪50年代发展起来的，最早得到实际应用的是光电探测器。20世纪50年代中期，可见光波段的CdS、（2dSe光敏电阻和短波红外PbS光电探测器投入实际应用，几年后美军将光电探测器应用于响尾蛇空一空导弹，取得了明显的作战效果。1960年，梅曼（T．H．Maiman）制成了世界上第一台红宝石激光器，并获得了694．3nm的激光，引起了科学界的轰动。在短短几年里，利用各种材料制成的激光器，如氦氖激光器、半导体激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、YAG激光器、染料激光器等纷纷涌现。激光的发明把电子学推到了光谱频段，并开创了光电子材料和技术迅猛发展的时代。与电子技术相比，光电子技术具有波长短、相干性好、分辨率高、存储和通信容量大等特点，因而在信息技术领域迅速得到广泛应用。
　　1961年，世界上第一台激光测距仪发明并迅速应用于军事领域，其后各种激光制导武器、致盲武器和激光毁灭性武器相继问世。同时，激光还成为光通信、光存储、光显示和光电子集成电路的光源和信息载体，推动了各种信息技术的诞生和蓬勃发展。
　　20世纪70年代，光电子领域的标志性成果是低损耗光纤材料、ccD技术出现和半导体激光器的成熟。这些重要进展导致以光纤通信、光纤传感、光盘信息存储与显示以及光信息处理为代表的光信息技术迅猛发展。到70年代后期，日本、美国、英国等国相继开始建设光纤通信骨干网。1972年，菲利普公司演示了模拟式激光视盘，美军则在越南战场上开始使用激光制导炸弹。
　　20世纪80年代，随着超晶格量子阱材料、非线性光学材料和新型光纤材料的研究进展，使得各种高性能新型激光器、光学双稳态功能器件、光纤传感器和光纤放大器等光信息器件相继问世。到了20世纪90年代，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业，各国的通信骨干网纷纷实现了光纤化，并向城域网、区域网发展。各种光电子器件的研制取得了实质性的进展。半导体激光器实现了产业化，各种光无源器件得到了长足的发展，光盘存储技术、CD、VCD、DVD已深入到千家万户，一些新型光显示器件如液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）也开始走入寻常百姓家，整个信息产业进入了高速发展时期。
　　到了21世纪，人类社会正快速步人信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示等均提出了严峻的挑战，国民经济与社会的发展、国防实力的增强等都更加依赖于使用信息的广度、深度和速度。因此，研究和发展各种高性能信息材料和信息器件，成为世界各国科技界的重要使命。
　　1．2信息材料的分类
　　信息材料主要用于信息的获取、存储、处理、传递和显示等。随着信息产业的迅猛发展，各种信息材料相继涌现，并逐渐形成了门类众多的材料体系，以满足各类信息器件制造的需求。按照材料的用途，信息材料又可分为信息处理材料、信息传递材料、信息存储材料、信息显示材料、信息获取材料，以及制造和使用这些材料所需的信息基础材料等。
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前言/序言

　　信息技术是近几十年来发展最为迅猛的一类技术。随着人类社会步入信息时代，以微电子技术和光电子技术为代表的信息产业已成为当今世界的一个主导产业。随着科学技术的不断发展，展现在人们面前的是一个信息爆炸的时代，人们对信息交流需求的激增，推动了信息技术的飞速发展。各种信息器件层出不穷，极大地丰富了这个时代的物质生活与精神生活。而诸如电子计算机、电视机、摄影摄像设备、光纤通信设备等信息器件的不断推出和更新换代，都是与各种性能优良的信息材料的推出密切相关，信息材料已成为信息技术的基础和先导。
　　信息材料是在微电子技术、光电子技术、半导体技术以及功能材料学的基础上发展起来的一类新型材料，主要用于信息获取、存储、处理、传递和显示等设备的制造。对于快速、大容量、多媒体化信息交流的追求，迫切需要各种性能优良的信息材料，用来制造各类新型信息器件。而这些信息器件不断推陈出新，也大大刺激了信息材料领域的研究与开发，信息材料已经成为不断发展壮大的庞大家族。
　　本书作为材料类专业的本科生、专科生及研究生教材，也可作为其他专业学生的信息材料方面的普及型教材。作者从半导体学、微电子学、光电子学等基础科学出发，力图通俗易懂、深入简出地介绍信息材料领域的基本理论、种类、应用和发展，培养学生掌握信息材料领域基本知识。全书包括信息材料导论、微电子材料基础、光电子材料基础、信息传感材料、信息存储材料、信息传输材料、信息显示材料及信息处理材料等章节，使读者对信息材料在信息技术领域的应用和发展有一个全方位的了解。
　　信息材料领域涉及的知识面非常广，作者力图以由浅入深的方法介绍各类信息材料的原理、功能和应用，但由于作者水平所限和时间仓促，难免存在一些不当之处，敬请读者批评指正。
　　作者
　　2007年2月
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