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1半导体和积体电路（ IC）材料 1

1.1何谓积体电路（IC） 2

1.1.1从分立元件到积体电路 2

1.1.2由矽圆片到晶片再到封装 2

1.1.3从双极性元件到MOS元件 3

1.1.4半导体积体电路的功能及按规模的分类 3

1.2积体电路（IC）发明逾50年——两人的一小步，人类的一大步 5

1.2.1从记忆体到CPU、系统LSI （CMOS数位式IC的分类） 5

1.2.2记忆体IC按功能的分类 6

1.2.3 DRAM中电容结构的变迁 7

1.2.4微处理器的进展 8

1.3记忆体IC（DRAM）和逻辑LSI的进展 10

1.3.1 CMOS构造的断面模式图（P型矽基板） 10

1.3.2快闪记忆体单元电晶体「写入」、「消除」、「读出」的工作原理 11

1.3.3新元件靠材料和制程的革新而不断进展 11

1.4从矽石到金属矽，再到99.999999999％的高纯矽 14

1.4.1「矽是上帝赐给人的宝物」 14

1.4.2从矽石原料到半导体元件的制程 14

1.4.3从矽石还原为金属矽 15

1.4.4改良西门子法生产多晶矽 16

1.5从多晶矽到单晶矽棒 18

1.5.1多晶矽的析出及生长 18

1.5.2直拉法（Czochralski法）拉制矽单晶 19

1.5.3区熔法制作单晶矽 19

1.5.4抛光片、磊晶片和SOI 20

1.6从单晶矽到晶圆 23

1.6.1先要进行取向标志的加工 23

1.6.2将矽坯切割成一片一片的矽圆片 24

1.6.3按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类 24

1.6.4 pn接面中杂质的能阶 26

1.7从晶圆到IC（1）——氧化与扩散技术 26

1.7.1涂布光阻——制作图形的第一步 26

1.7.2曝光，显影 27

1.7.3绝缘膜的作用——绝缘、隔离、LSI的保护 28

1.7.4热氧化法——制取优良的绝缘膜 28

1.8从晶圆到IC（2）——光罩与蚀刻技术 30

1.8.1杂质的扩散法之一——热扩散法 30

1.8.2杂质的扩散法之二——离子植入法 30

1.8.3湿式蚀刻 31

1.8.4乾式蚀刻 32

1.9 IC制作中的薄膜及薄膜加工——PVD法 34

1.9.1真空蒸镀 34

1.9.2离子溅射和溅射镀膜 35

1.9.3平面磁控溅射 36

1.9.4晶圆流程中的各种处理室方式 36

1.10 IC制作中的薄膜及薄膜加工——CVD法 39

1.10.1用于VLSI制作的CVD法分类 39

1.10.2 CVD中主要的反应装置 40

1.10.3电浆CVD （PCVD）过程中，传输、反应和成膜的过程 41

1.10.4离子植入原理 41

1.11 Cu布线代替Al布线 44

1.11.1影响电子元件寿命的大敌——电子迁移 44

1.11.2断线和电路缺陷的形成原因和预防、修补措施 44

1.11.3 Cu布线代替Al布线的理由 45

1.11.4用电镀法即可制作Cu布线 45

1.12曝光光源向短波长进展和乾式蚀刻代替湿式蚀刻 48

1.12.1步进重复曝光机光源向短波长的进展 48

1.12.2曝光波长的变迁 49

1.12.3图形曝光装置的分类 50

1.12.4乾式蚀刻装置的种类及蚀刻特征 51

1.13光学曝光技术 52

1.13.1薄膜图形加工概要 52

1.13.2对基板的曝光及曝光波长的变迁 53

1.13.3近接曝光和缩小投影曝光 53

1.13.4曝光中的各种位相补偿措施 54

1.14电子束曝光和离子植入 57

1.14.1电子束曝光 57

1.14.2 LEEPL（低加速电子束近接）曝光 58

1.14.3离子植入装置 58

1.14.4低能离子植入和高速退火 59

1.15单大马士革和双大马士革技术 62

1.15.1大马士革技术就是中国的景泰蓝金属镶嵌技术 62

1.15.2 Al布线与Cu大马士革布线的形成方法比较 62

1.15.3 Cu双大马士革布线的形成方法 63

1.15.4由大马士革（镶嵌）技术在沟槽中埋置金属制作导体布线的实例 63

1.16多层化布线已进入第4代 65

1.16.1第1代多层化布线技术——逐层沉积 66

1.16.2第2代多层化布线技术——玻璃流平 66

1.16.3第3代多层化布线技术——导入CMP 67

1.16.4第4代多层化布线技术——导入大马士革技术 67

1.17摩尔定律继续有效 69

1.17.1半导体元件向巨大化和微细化发展的两个趋势 69

1.17.2摩尔定律并非物理学定律 70

1.17.3摩尔定律是描述产业化的定律 71

1.17.4「踮起脚来，跳起来摘苹果」 72

思考题及练习题 74

参考文献 75

2微电子封装和封装材料 77

2.1微电子封装的定义和范畴 78

2.1.1微电子封装的发展过程 78

2.1.2前工程、后工程和封装工程 78

2.1.3电子封装工程的范围 78

2.1.4微电子封装的定义 79

2.2一级封装和二级封装 82

2.2.1 LSI裸晶片（bare chip）一级封装的各种类型 82

2.2.2引线键合（WB）和覆晶（flip-chip）连接方式 82

2.2.3 TAB连接方式 83

2.2.4二级封装的类型和特征 84

2.3一级封装技术 87

2.3.1引线键合（WB）方式及连接结构 87

2.3.2金线引线键合（WB）的技术过程 88

2.3.3覆晶（flip-chip）凸点形成方法 88

2.3.4利用FCB的连接方法 89

2.4传递模注封装和环氧塑封料（EMC） 91

2.4.1 DIP型陶瓷封装的结构 91

2.4.2球栅阵列封装（BGA）的结构 92

2.4.3传递模注塑封技术流程 92

2.4.4环氧塑封料（EMC）及各种组分的效果 93

2.5从半导体二级封装看电子封装技术的变迁 94

2.5.1半导体封装依外部形状的变迁 94

2.5.2 LSI封装与印刷电路板安装（连接）方式的变迁 97

2.6三维（3D）封装 98

2.6.1何谓三维封装？ 98

2.6.2晶片叠层的三维封装 99

2.6.3封装叠层的三维封装 99

2.6.4矽圆片叠层的三维封装 100

2.7印刷电路板（PCB）用材料 102

2.7.1作为基材的玻璃布 102

2.7.2热固性树脂材料（1）——酚醛树脂和环氧树脂 103

2.7.3热固性树脂材料（2）——聚醯亚胺、BT树脂和A-PPE树脂 104

2.7.4热塑性树脂材料 105

2.8电解铜箔和压延铜箔 108

2.8.1电解铜箔的制作技术 108

2.8.2压延铜箔的制作技术 109

2.8.3铜箔的表面处理工程 109

2.8.4电解铜箔和压延铜箔各有长短，分别适用于不同领域 110

2.9软性基板（FPC） 112

2.9.1三层法和两层法软性基板 112

2.9.2两层法FPC——铸造法、溅镀／电镀法、叠层热压法制作技术 113

2.9.3连接用和补强用软性基板 114

2.9.4用于手机和液晶电视封装的软性基板 114

2.10表面贴装技术（SMT）及无铅焊料 117

2.10.1何谓SMD和SMT 117

2.10.2表征可靠性随时间变化的浴缸曲线 118

2.10.3贴装元件故障分析 119

2.10.4无铅焊料的分类及其特性 119

2.11无卤阻燃 122

2.11.1阻燃剂分类 122

2.11.2阻燃机制 123

2.11.3无卤阻燃 124

2.11.4添加型无卤阻燃剂 125

2.12半导体封装的设计 125

2.12.1半导体元件的分类 125

2.12.2对半导体封装的要求 126

2.12.3半导体封装的设计 126

2.12.4半导体封装的设计专案 127

思考题及练习题 129

参考文献 130

3平面显示器及相关材料 131

3.1平面显示器——被列为战略性新兴产业 132

3.1.1从阴极射线管（CRT）显示器到平面显示器（FPD） 132

3.1.2透射型直视式液晶显示器的基本结构 133

3.1.3液晶显示器的用途分类 133

3.1.4直视式液晶显示器的分类 133

3.2液晶分子的四个组成部分各有各的用处 137

3.2.1液晶分子由四个部分组成 137

3.2.2向列型液晶和层列型液晶 137

3.2.3胆固醇相型液晶分子及其排列 138

3.2.4在电场作用下可改变分子取向的极性基 138

3.3液晶显示器可类比为一个电子窗帘 142

3.3.1用于液晶显示器的液晶材料分子结构 142

3.3.2产生电子窗帘作用的液晶分子 142

3.3.3液晶显示器的主要构成部件 143

3.3.4液晶显示器的组装结构 144

3.4液晶显示原理 147

3.4.1 TN型液晶显示器的工作原理 147

3.4.2用帘子模型说明偏振片的作用 147

3.4.3电场效应双折射控制型液晶显示器的原理 148

3.4.4液晶光栅的两种基本工作模式——常黑型和常白型 149

3.5 TFT LCD的驱动 152

3.5.1液晶显示器的两种驱动方式——被动驱动和主动驱动 152

3.5.2 ITO透明电极及其制作方法 152

3.5.3 TFT LCD的像素阵列 153

3.5.4一个TFT LCD次像素的结构 154

3.6 TFT LCD的图像解析度和彩色化 157

3.6.1液晶显示器的图像如何才能更清晰逼真 157

3.6.2图像解析度单位（PPi）和显示规格 157

3.6.3采用数位电压对像素实施驱动 158

3.6.4彩色显示是如何实现的 158

3.7 TFT LCD阵列基板（后基板）的制作 161

3.7.1溢流法制作玻璃基板 161

3.7.2玻璃是影响液晶显示器性能的最主要部件之一 161

3.7.3 TFT阵列制作工程 162

3.7.4 驱动TFT LCD的驱动电路（驱动IC） 163

3.8 TFT LCD滤色膜基板（前基板）的制作 166

3.8.1数位电压信号位元（bit）数、灰阶数与同时显示色数的关系 166

3.8.2彩色滤光片是用哪些步骤制作出来的 166

3.8.3滤色膜制作于阵列之上的液晶模式 167

3.8.4软性液晶显示器及其结构 168

3.9液晶盒制作 170

3.9.1 TFT LCD的三大制作工序 170

3.9.2液晶盒的制造及其制作技术标准流程 171

3.9.3如何使液晶分子取向（定向排列） 172

3.9.4 TFT LCD的断面构造 173

3.10 TFT LCD模组组装 176

3.10.1偏光板的断面构造 176

3.10.2液晶模组的组装 176

3.10.3液晶模组中所使用的TAB及其连接方式 177

3.10.4利用ACF实现液晶面板与驱动IC间的连接 178

3.11 ITO透明导电膜 180

3.11.1 ITO膜为什么具有良好的导电性？ 180

3.11.2利用物质中的电子运动模型解释ITO膜的导电率 180

3.11.3 ITO膜为什么是透明的？ 181

3.11.4简单矩阵驱动的两大问题 182

3.12液晶显示器的飞速进展 185

3.12.1液晶显示技术的四个阶段 185

3.12.2玻璃基板的进化——液晶显示器产业的世代划分 185

3.12.3液晶显示器的应用商品领域 186

3.12.4薄型显示器的竞争战场 186

3.13液晶显示器进入市场的发展历程 189

3.13.1笔记型电脑液晶显示器的发展过程 189

3.13.2快速增长的液晶显示器市场 189

3.13.3液晶面板的透射率——如何降低液晶电视的功耗 190

3.13.4图像解析度、画角、观视距离的最佳配合 192

3.14液晶电视的技术突破（1）——扩大视角 193

3.14.1 TN型液晶视角较小的原因 193

3.14.2扩大视角的几种技术 194

3.14.3多域方式和MVA方式 194

3.14.4 IPS方式和OCB方式 195

3.15液晶电视的技术突破（2）——提高相应速度 198

3.15.1液晶电视提高回应速度的必要性 198

3.15.2液晶结构的改善——采用OCB和新液晶材料（铁电性液晶）的开发 200

3.15.3倍频驱动和脉冲驱动 200

3.15.4过调驱动 200

3.16低温多晶矽（LTPS）液晶 203

3.16.1非晶矽、多晶矽、连续晶界矽和单晶矽的对比 203

3.16.2多晶矽（poly-Si） TFT显示器是如何制造出来的？ 203

3.16.3多晶矽（poly-Si） TFT的结构布置 204

3.16.4正在开发中的玻璃上系统（system on glass）液晶 205

3.17液晶显示器的背光源 208

3.17.1液晶显示器按照明方式的分类 208

3.17.2背光源在液晶显示器中的应用及分类 209

3.17.3 CCFL背光源的组成及结构 209

3.17.4背光模组中各部件的功能、构成及所用材料 210

3.18 LED背光源 213

3.18.1 LED背光源的采用和液晶电视的技术革新方向 213

3.18.2 LED背光源在中小型显示器中的应用 213

3.18.3直下式和侧置式LED背光源 214

3.18.4 LED TV背光源的发展趋势 214

3.19触控面板的原理和分类 217

3.19.1触控面板（TP）及其工作原理 217

3.19.2 TP按位置分类 218

3.19.3 TP按工作原理的分类 218

3.19.4触控面板应具备的特性 219

3.20 3D显示的原理 222

3.20.1红外线扫描型触控面板和图像认识型触控面板 222

3.20.2超音波表面弹性波方式和声波辨识方式触控面板 222

3.20.3 3D显示的原理 223

3.20.4各种3D技术优劣势解析 224

3.21 PDP的原理如同萤光灯 227

3.21.1萤光灯、PDP、阴极射线管发光原理的异同 227

3.21.2 PDP像素放大图 227

3.21.3 PDP电浆放电的工作原理 228

3.21.4 PDP放电胞的结构示意 229

3.22 PDP的构成材料及功能 231

3.22.1放电气体的作用 231

3.22.2 PDP用玻璃的特性 232

3.22.3不含有机成分玻璃封接剂的优点 232

3.22.4 AC型PDP的构成材料及功能 233

3.23 PDP面板制作 236

3.23.1喷砂法制作屏蔽 236

3.23.2 PDP萤光体的涂布及烧成 237

3.23.3显示器制作工程概要 237

3.23.4 PDP电视制作技术路线 238

思考题及练习题 241

参考文献 242

4半导体固态照明及相关材料 243

4.1发光二极体简介 244

4.1.1何谓二极体 244

4.1.2何谓光电二极体 244

4.1.3何谓发光二极体（LED） 245

4.1.4发光二极体（LED）的发展历史 246

4.2发光二极体的特征 249

4.2.1间接跃迁型和直接跃迁型发光二极体 249

4.2.2发光二极体的特征 249

4.2.3发光二极体与白炽灯泡的比较 250

4.2.4发光二极体与卤素灯的比较 251

4.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED元件 254

4.3.1雷射发光二极体的原理 254

4.3.2 LED的能带结构 255

4.3.3化合物半导体中使用的元素在周期表中的位置 256

4.3.4Ⅲ-Ⅴ族化合物的结构和性能参数 256

4.4蓝光LED的实现技术 259

4.4.1 GaN MIS磊晶层结构和早期pn接面GaN蓝光LED结构 259

4.4.2同质接面GaN蓝光LED结构及双异质接面GaN蓝光LED 260

4.4.3单量子阱和多量子阱LED元件结构 261

4.4.4采用通道接触接面的LED和低电压InGaN／GaN LED结构 261

4.5蓝光LED中的关键结构——双异质接面、缓冲层和量子阱 263

4.5.1 LED元件中的双异质接面（DH）、缓冲层 263

4.5.2 LED元件中的量子阱 264

4.5.3 DH结构中的能带结构、载子浓度分布、电流密度分布的计算实例 265

4.5.4各种不同结构的LED示意图 265

4.6制作蓝光LED的关键技术 267

4.6.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体薄膜的磊晶 267

4.6.2金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）和分子束磊晶（MBE） 269

4.6.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的n型掺杂和P型掺杂 269

4.6.4退火也是关键的一步 270

4.7光的三原色 275

4.7.1发光色与色度图的关系 275

4.7.2光的三原色和加法混色 276

4.7.3原子的受激发射过程 276

4.7.4视感度曲线——人的眼睛对绿色最为敏感 277

4.8单色LED元件结构和发光效率 280

4.8.1 LED晶片的各种构造 280

4.8.2绿光LED和蓝光LED涉及的各种技术 281

4.8.3最高效率的红光LED工作模式 281

4.8.4 LED元件各种效率的定义 282

4.9白光LED元件结构和发光效率 285

4.9.1多晶片型和单晶片型白光LED 285

4.9.2 LED元件各种效率的定义 286

4.9.3最初的白色LED的实现方式 286

4.9.4辐射量与测光量间的对应关系 287

4.10白色LED光源的实现方式及其特征 290

4.10.1白色LED照明光源的开发历史及进展概略（1997～2008年） 290

4.10.2白色LED照明光源的实现方式——LED发光元件与萤光体组合 290

4.10.3实现白色LED发光的不同方式及其特征 291

4.10.4几种白色LED光源的特性及应用比较 292

4.11白色LED的发光效率和色参数 294

4.11.1白色LED的构造和发光效率的构成要素 294

4.11.2 InGaN／YAG白色LED的发光色，光谱及显色评价指数Ra 295

4.11.3 CIE色度学座标及色组合的实例 296

4.11.4 LED的分光分布实例 296

4.12如何提高白色LED光源的色品质 299

4.12.1眼球构造及视神经细胞 299

4.12.2白色LED光源的优点及实现白色LED发光的方式 299

4.12.3几种白色光源发光光谱的对比 300

4.12.4几种常用光源的发光原理 301

4.13白色LED的指向特性及LED的应用 304

4.13.1炮弹型白色LED光源的指向特性 304

4.13.2平面发光型白色LED光源的指向特性 304

4.13.3室外用大尺寸高辉度LED显示器 305

4.13.4 LED光照温室用于育秧和植物栽培 306

4.14白光LED光源的应用（1）——用途和市场 309

4.14.1白光LED的高效率化和向新市场的扩展 309

4.14.2白光LED用于普通照明存在的问题 310

4.15白光LED光源的应用（2）——照明光源 312

4.15.1使用LED的车载照明部位和种类 312

4.15.2从传统光源向下一代照明光源——白色LED的转换 312

4.15.3白色LED器具到2015年的功耗、价格、规格目标 312

4.16 OLED成功发光的关键——采用超薄膜和多层结构 316

4.16.1关于有机EL和OLED 316

4.16.2「超薄膜」和「多层结构」是OLED成功发光的关键 316

4.16.3有机EL显示器能否推广普及的关键在于材料 317

4.16.4 OLED显示器难得的发展机遇 318

4.17 OLED的发光原理——载子注入、复合、激发和发光 320

4.17.1电子和电洞经跳跃、迁移最终发生复合的过程 320

4.17.2三阶降落发出「萤光」，二阶降落发出「磷光」 321

4.17.3电子自旋方向决定激发状态是单重态还是三重态 322

4.17.4铱（Ir）螯合物系磷光物质对应不同波长的发光 322

4.18 OLED的发光效率 325

4.18.1从电洞与电子复合直到发光的过程 325

4.18.2有机EL的发光过程和发光效率 325

4.18.3如何提高发光效率 326

4.18.4有机EL的能带模型 326

4.19 OLED用材料（1）——萤光材料 329

4.19.1电洞输运材料的分子结构及玻璃转变温度（Tg）、离化势（Ip）的数值 329

4.19.2用于有机EL元件的代表性电子输运材料 329

4.19.3用于有机EL元件的萤光性主（host）发光材料 330

4.19.4按发光波长给出的代表性客（guest）发光材料 331

4.20 OLED用材料（2）——磷光材料 331

4.20.1电洞迁移率与电场强度的关系 331

4.20.2有机EL用铱 （Ir）系金属螯合物磷光发光材料 333

4.20.3 PLED用次苯基二价乙烯基衍生物的分子结构 334

4.20.4 PLED用聚芴衍生物的分子结构 334

4.21 OLED用材料（3）——电极材料 338

4.21.1小分子系被动矩阵驱动型有机EL （OLED）元件的结构 338

4.21.2阳极材料——IZO与ITO的比较 338

4.21.3高分子系有机EL的阳极 339

4.21.4阴极材料——透明阴极的发展 340

4.22 OLED的彩色化方式 342

4.22.1 OLED彩色化方式的比较 342

4.22.2三色独立像素方式（三色分涂方式） 342

4.22.3彩色滤光片（CF）方式 343

4.22.4色变换（CCM）方式 344

4.23OLED的驱动 345

4.23.1矩阵方式显示器驱动扫描方式的种类 345

4.23.2被动矩阵（简单矩阵）驱动方式 345

4.23.3主动矩阵驱动方式 346

4.23.4铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜电晶体驱动 346

4.24 OLED的制作技术（1）——制作流程 350

4.24.1小分子系被动矩阵驱动型全色OLED的制作流程 350

4.24.2流程分解——前处理工程、成膜工程、封装工程 350

4.24.3利用条状阴极屏蔽兼作光罩制作像素阵列 351

4.24.4利用条状阴极屏蔽的被动驱动OLED元件之像素结构 352

4.25 OLED的制作技术（2）——蒸镀成膜 354

4.25.1 OLED元件制作中蒸镀成膜的特殊性 354

4.25.2热壁蒸镀法与普通点源蒸镀法的对比 355

4.25.3利用遮挡光罩分涂RGB三原色有机色素（用于OLED） 355

4.25.4 OLED各种膜层的蒸镀成膜 356

4.26 OLED的改进——上发光型面板和全色像素 358

4.26.1 OLED需要开发的技术课题 358

4.26.2上发光型和下发光型面板的对比 358

4.26.3SOLED的全色像素技术与发光时间控制电路技术 359

4.26.4商品化的被动驱动面板和主动驱动面板产品 360

4.27 OLED将与LCD长期共存 363

4.27.1半导体显示概念的提出 363

4.27.2 OLED的技术发展现状 364

4.27.3 OLED的产业化发展现状 364

4.27.4 OLED将与LCD长期共存 365

思考题及练习题 368

参考文献 369

5化学电池及电池材料 371

5.1电池的种类及现状 372

5.1.1化学电池 372

5.1.2物理电池 374

5.1.3生物电池 375

5.1.4实用电池应具备的条件及常用电池的特性 375

5.2电池四要素和电池的三个基本参数 377

5.2.1构成电池的四要素 377

5.2.2电池的容量——可取出电（荷）的量 378

5.2.3电池的电压——电动势 379

5.2.4电池的电能——电池电压与电荷量的乘积 380

5.3常用一次电池 381

5.3.1一次电池的（放电）特性比较 381

5.3.2锰乾电池的标准放电曲线 382

5.3.3锂一次电池的结构 382

5.3.4锰氧化物的各种不同晶体结构 383

5.4从一次电池到二次电池 387

5.4.1二次电池的工作原理 387

5.4.2铅酸蓄电池（二次电池）的结构和充、放电反应 387

5.4.3主要二次电池的特征及用途 388

5.4.4各种二次电池的特性 389

5.5二次电池性能的比较 389

5.5.1二次电池能量密度的比较 389

5.5.2二次电池的（放电）特性比较 392

5.5.3已实用化的二次电池 393

5.5.4开发中的二次电池 394

5.6常用二次电池 395

5.6.1铅酸蓄电池 395

5.6.2镍镉电池 396

5.6.3镍氢电池 397

5.6.4镍锌电池 397

5.7锂离子电池的工作原理 400

5.7.1各式各样的锂离子电池 400

5.7.2锂离子电池的充、放电反应和工作原理 401

5.7.3锂离子电池的充、放电过程 401

5.7.4锂离子电池的结构和充电特性 402

5.8二次电池的开发方向 404

5.8.1家电、资讯科技机器及电动汽车等对二次电池的要求 404

5.8.2锂二次电池的发展经历 405

5.8.3各种正极材料的特性 406

5.8.4锂电池负极高性能化的方法 406

5.9燃料电池发展概述 408

5.9.1燃料电池的发展简史及应用概况 408

5.9.2化学电池（一、二次电池）与燃料电池的基本差异 410

5.9.3人体与燃料电池何其相似 410

5.9.4燃料电池由氢、氧反应发电是水电解的逆过程 411

5.10燃料电池的工作原理 413

5.10.1燃料电池的工作原理 413

5.10.2燃料电池与火力发电的比较 414

5.10.3 Bauru和Toplex燃料电池的推定图 414

5.10.4 Beacon燃料电池的诞生 415

5.11燃料电池的种类 417

5.11.1燃料电池的分类方法及构造 417

5.11.2燃料电池的种类和特征 418

5.11.3鹼型燃料电池 418

5.11.4直接甲醇燃料电池 419

5.12燃料电池的发展前景 421

5.12.1氢的安全容器——储氢合金 421

5.12.2工作温度可降低的燃料电池 422

5.12.3可利用煤炭的燃料电池 423

5.12.4可利用废弃物的燃料电池 423

思考题及练习题 426

参考文献 427

6光伏发电和太阳能电池材料 429

6.1取之不尽、用之不竭的太阳能 430

6.1.1太阳辐射发出巨大能量 430

6.1.2太阳光谱 431

6.1.3太阳能电池中常使用之代表材料的光吸收系数 431

6.1.4太阳能电池转换效率与材料禁频宽的关系 432

6.2太阳能电池发明已逾60年 434

6.2.1何谓太阳能电池 434

6.2.2最早发表的太阳能电池 435

6.2.3提高转换效率之路并非平坦 436

6.2.4没有太阳能电池就没有卫星和太空梭 437

6.3太阳能电池的制作和光伏电力的使用 439

6.3.1太阳能电池板、组件和太阳能电池阵列的制作 439

6.3.2太阳能电池的使用——独立蓄电方式和系统并网方式 440

6.3.3家庭如何使用光伏电力 441

6.3.4街区如何使用光伏电力 441

6.4太阳能电池的核心是pn接面 444

6.4.1有光照即可发电的太阳能电池 444

6.4.2半导体的价带、导带和禁带 444

6.4.3利用掺杂获得n型和p型半导体 445

6.4.4 pn接面是太阳能电池的关键与核心 446

6.5开路电压和短路电流 449

6.5.1开路电压与禁带宽度的关系 449

6.5.2短路电流与禁带宽度的关系 449

6.5.3能否制成转换效率为100％的太阳能电池 450

6.5.4太阳能电池按种类所占的份额及元件转换效率的比较 451

6.6「矽是上帝赐给人的宝物」 453

6.6.1矽石经由电弧炉还原成金属矽 453

6.6.2改良西门子法生产高纯度多晶矽 454

6.6.3太阳能电池元件是如何制造出来的——晶矽太阳能电池的生产流程 455

6.6.4矽片表面的加工 456

6.7太阳能电池的种类和转效率 456

6.7.1太阳能电池按材料体系的分类 456

6.7.2太阳能电池元件的种类和基本结构 458

6.7.3太阳能电池转换效率的现状 459

6.7.4太阳能电池转换效率的现状 460

6.8晶矽太阳能电池 462

6.8.1单晶矽和多晶矽太阳能电池 462

6.8.2太阳能电池片（cell）制造 463

6.8.3晶矽太阳能电池的优点和缺点 464

6.8.4市售晶矽太阳能电池的产品链和价格构成 465

6.9非晶矽薄膜太阳能电池 466

6.9.1薄膜矽太阳能电池 466

6.9.2非晶矽及微晶矽的结构 467

6.9.3电浆增强化学气相沉积法（PECVD）生产薄膜矽 468

6.9.4薄膜矽太阳能电池的制作方法和构造 468

6.10串结矽薄膜太阳能电池 470

6.10.1串结型（tandem）薄膜太阳能电池 470

6.10.2提高串结型薄膜太阳能电池转换效率的措施 472

6.10.3 HIT太阳能电池与传统晶矽太阳能电池的比较 472

6.10.4 HIT太阳能电池的结构及性能参数 473

6.11聚光型和多串结型太阳能电池 473

6.11.1球状矽太阳能电池 473

6.11.2聚光型太阳能电池 476

6.11.3多接面型太阳能电池 477

6.11.4太空用太阳能电池 477

6.12正在开发的第三代和第四代太阳能电池 480

6.12.1第三代太阳能电池——有机太阳能电池的开发现状 480

6.12.2染料敏化（色素增感）太阳能电池的工作原理 481

6.12.3有机半导体薄膜太阳能电池的工作原理 482

6.12.4第四代太阳能电池——量子点太阳能电池的工作原理 482

6.13有机半导体薄膜太阳能电池 485

6.13.1采用浆料涂布技术制作有机薄膜太阳能电池 485

6.13.2有机半导体薄膜太阳能电池的元件结构和预计的转换效率 486

6.13.3高转换效率的超阶层奈米结构和相应材料 487

6.13.4有机半导体薄膜太阳能电池的开发目标和应用前景 487

6.14可携式装置用太阳能电池 490

6.14.1不需要更换电池的电子计算机和电子手表 490

6.14.2安装在居家屋顶上的太阳能电池 490

6.14.3在窗户上也可使用的透明太阳能电池 491

6.14.4既轻又薄，特别是能摺叠弯曲的软性太阳能电池 492

6.15深山、离岛用太阳能电池 495

6.15.1设置于农田、牧场及自来水厂之上的大阳能电池 495

6.15.2灯塔用及深山中安装的太阳能电池 495

6.15.3发展中国家用及安装在沙漠中的太阳能电池 496

6.15.4绿色环保型太阳能汽车 497

6.16光伏发电的产业化现状和发展前景 500

6.16.1世界光伏发电的新增安装量和累积安装量 500

6.16.2住宅用光伏发电系统的价格和价格组成 500

6.16.3促进太阳能光伏发电的各国优惠政策 501

6.16.4世界太阳能电池企业的大浪淘沙 502

6.17光伏发电将改变人们的生活 504

6.17.1沙漠将成为世界能源供应基地 504

6.17.2 24小时都能发电的太阳能电池 505

6.17.3分散型能源有哪些好处 506

6.17.4改变人们生活的太阳能电池 507

6.18太阳能电池的品质保证 509

6.18.1太阳能电池的寿命有多长 509

6.18.2真能做到无故障吗？ 510

6.18.3不需要扫描清洁吗？ 511

6.18.4能承受台风暴雨、冰雹雷电、严冬酷暑 512

6.19光伏发电仍有潜力可挖 512

6.19.1非朝向太阳也能正常发光 512

6.19.2对于独立式供电系统来说，貯电装置必不可少 515

6.19.3太阳能电池的循环利用 516

6.19.4太阳能光伏发电与国际合作 517

思考题及练习题 520

参考文献 521

7核能利用和核材料 523

7.1核爆炸和核反应器的原理 524

7.1.1天然的核反应器 524

7.1.2核爆炸原理 524

7.1.3核反应器原理 525

7.1.4核能利用现状 526

7.2铀浓缩 528

7.2.1浓缩度与临界量 528

7.2.2铀浓缩法（1）——气体扩散法 528

7.2.3铀浓缩法（2）——离心分离法 529

7.2.4铀浓缩法（3）——原子雷射法 530

7.2.5铀浓缩法（4）——分子雷射法 530

7.3核反应器的种类及其结构 531

7.3.1核反应器的种类 531

7.3.2压水堆 532

7.3.3沸水堆 533

7.3.4轻水堆的安全性 534

7.4热中子堆中钸（Pu）的使用 535

7.4.1钸热（Plu Thermal）堆的原理 535

7.4.2 MOX核材料 535

7.4.3两种核燃料的使用对比 536

7.4.4采用MOX核材料的好处 537

7.5快速增殖堆 539

7.5.1热中子堆和快中子堆 539

7.5.2高速增殖堆与轻水堆的比较 540

7.5.3利用高速增殖堆实现钸燃料的增殖 540

7.5.4高速增殖堆（FBR）的结构 541

7.6核燃料循环 542

7.6.1核燃料的循环路径 542

7.6.2核燃料棒的构造 543

7.6.3核燃料棒的后处理工程 544

7.6.4核燃料棒的安全隐患 544

7.7辐射能和辐射线 546

7.7.1辐射能和辐射线的定义 546

7.7.2放射性核素 546

7.7.3辐射线对人的危害 547

7.8 「3.11」东日本大地震福岛核电厂事故分析 550

7.8.1强震紧急停堆后所有水冷系统失灵 550

7.8.2核馀热及衰变产生的热量，足以使燃料元件熔化 550

7.8.3高温熔体穿透压力壳 551

7.8.4高放射性核燃料透过压力壳泄漏到地面、海水乃至空气中 552

7.9典型核电厂事故分析 552

7.9.1国际核事故分级 552

7.9.2美国三哩岛核事故 553

7.9.3前苏联车诺比（Chernobyl）核事故 554

7.10核融合和融合能的应用 557

7.10.1自然的太阳和人造太阳 557

7.10.2雷射惯性约束核融合 558

7.10.3磁惯性约束核融合 559

7.10.4核融合反应器的结构和融合能应用前景 560

思考题及练习题 562

参考文献 563

8 能量、信号转换及感测器材料 565

8.1能量、信号转换与感测器 566

8.1.1能量转换现象及应用举例 566

8.1.2感测器的定义 566

8.1.3感测器的分类 566

8.1.4感测器的组成及重要性 567

8.2代表性感测器 569

8.2.1代表性感测器一览 569

8.2.2检出媒体和采用的元件及单元 571

8.2.3对感测器要求的各事项 571

8.2.4控制用感测器概要 572

8.3光感测器概述 572

8.3.1电磁波的波长范围及可能在感测器中的应用 572

8.3.2可用于光感测器的光电效应 573

8.3.3光感测器的分类 574

8.3.4红外线的波长范围及效能 574

8.4磁感测器及材料 579

8.4.1磁场的量级及相应的感测器 579

8.4.2磁感测器的种类 579

8.4.3霍尔效应感测器 580

8.4.4 MR元件及磁致电阻感测器 581

8.5振动感测器 583

8.5.1音响振动频率及其特征 583

8.5.2超音波的应用领域及其制品 584

8.5.3压电效应和逆压电效应 586

8.5.4空中超音波感测器的构造 586

8.6压力感测器及材料 588

8.6.1压力感测器的种类 588

8.6.2压力检出装置及检出范围 589

8.6.3半导体压力感测器的主要用途 590

8.6.4扩散型半导体压力感测器的原理构造 590

8.7温度感测器及材料 592

8.7.1温度感测器的种类 592

8.7.2各种温度感测器的测温范围 594

8.7.3热敏电阻的种类及其特种 594

8.7.4热释电材料及其应用 595

8.8光感测器应用实例（1） 597

8.8.1遥控器中使用的红外线感测器 597

8.8.2条码读数器 597

8.8.3 CCD图像感测器 599

8.8.4旋转编码器 601

8.9光感测器应用实例（2） 602

8.9.1红外线照相机 602

8.9.2利用光阻断器的感测器 602

8.9.3物体感测器的基本原理 604

8.9.4雷射印表机工作原理 605

8.10智慧感测器和舒适材料学 607

8.10.1生物感测器的原理 607

8.10.2智慧材料 607

8.10.3智慧感测器 609

8.10.4舒适材料学的基本构成 609

思考题及练习题 611

参考文献 612

9电磁相容——电磁遮罩及RFID用材料 613

9.1电磁波及其传播方式 614

9.1.1电磁波按频率的划分及电磁波的应用 614

9.1.2电磁波的传播方式 615

9.1.3卫星通信和卫星全球定位系统的工作频率为什么要超过1 GHz？ 616

9.2电磁波及电磁波吸收体 618

9.2.1常用电磁波的频率、用途及特征 618

9.2.2电磁波吸收体 618

9.2.3电磁波吸收体的应用领域 619

9.3电磁干扰（EMI）和电磁相容性（EMC） 620

9.3.1 EMC、EMI和EMS 620

9.3.2 EMC的国际标准和国际机构 622

9.3.3电磁屏蔽的分类及电磁屏蔽的效果 622

9.3.4电磁波吸收材料的分类 623

9.4电磁屏蔽及电磁屏蔽材料 625

9.4.1电磁屏蔽的分类 625

9.4.2屏蔽效果基准 627

9.4.3抗杂讯元件 628

9.4.4电波暗室 628

9.5吸波材料和电波暗室 629

9.5.1吸波材料的应用 629

9.5.2吸波材料按其损耗机制分类 629

9.5.3吸波材料按其形状的分类 630

9.5.4 EMC用电波暗室 631

9.6隐形材料 632

9.6.1何谓隐形材料 632

9.6.2隐形材料的作用 632

9.6.3各类隐形材料 633

9.6.4奈米复合隐形材料的最新发展 634

9.7电磁辐射的应用（1）——可见光 637

9.7.1由激发引起自然发射的原理 637

9.7.2自然光（太阳光）的色散 637

9.7.3发光光源的波长及其色温度 638

9.7.4萤光灯的发光过程 639

9.8电磁辐射的应用（2）——紫外线、红外线、微波 644

9.8.1紫外线的分类及特征 644

9.8.2影像增强管的工作原理 645

9.8.3隐蔽相机和微胶囊相机 646

9.8.4 微波用于安检 646

9.9电磁辐射的应用（3）——RFID的工作原理 651

9.9.1 IC卡的构造体系和RFID技术的发展历程 651

9.9.2接点型IC卡和非接触IC卡 651

9.9.3非接触IC卡的种类及通信距离 652

9.9.4非接触IC卡的构成 652

9.10电磁辐射的应用（4）——RFID的制作及应用 658

9.10.1非接触IC卡的电路构成方块图 658

9.10.2 RFID天线线圈的制作方法 658

9.10.3 RFID标签的利用领域 661

9.10.4采用ETC的不停车通过收费系统 661

9.11雷射的发明 666

9.11.1红宝石雷射振盪器 666

9.11.2「雷射」的名称来源 666

9.11.3自然光和雷射 666

9.11.4雷射发明的七大功臣 667

9.12雷射用于通信 672

9.12.1半导体雷射 672

9.12.2光纤通信 674

9.12.3雷射和太阳光的差异 674

9.12.4雷射光束是双刃剑 675

9.13雷射用于美容和手术 680

9.13.1各种雷射的波长范围及其相应名称 680

9.13.2雷射已广泛应用于各种不同领域 680

9.13.3雷射美容 681

9.13.4雷射手术 682

9.14雷射用于加工和测量 687

9.14.1雷射钻石打孔 687

9.14.2雷射测量地球—月球之间的距离 687

9.14.3利用雷射消除危险的雷电 688

9.14.4雷射缓解地球暖化 688

9.15雷射武器 693

9.15.1雷射雷达及用雷射破译雷达 693

9.15.2雷射诱导炸弹 694

9.15.3雷射武器 694

9.15.4隐形飞机 695

9.16雷射的发展前景 699

9.16.1雷射核融合 699

9.16.2雷射太空送电 700

9.16.3雷射三维成像 700

9.16.4梦寐以求的X射线雷射 701

思考题及练习题 706

参考文献 707

10环境友好和环境材料 709

10.1地球环境的恶化和环境友好型社会的创建 710

10.1.1人口、资源、环境 710

10.1.2地球温暖化 710

10.1.3陆地荒漠化 711

10.1.4世界各国对策 712

10.2资源匮乏、能源枯竭与环境被害 715

10.2.1能源、环境、经济三大问题（三连环） 715

10.2.2世界一次能源的超长期预测 715

10.2.3温室效应气体排放和减排措施 716

10.2.4酸雨的形成机制 717

10.3环境污染事件和世界环境保护法规的进展 721

10.3.1环境被害的恶性循环 721

10.3.2铅从带焊料的印刷电路板到摄入人体的路径 721

10.3.3历史上重大的化学物质环境污染事故 722

10.3.4世界环境保护法规的进展 723

10.4 WEEE指令的制定及其内涵 725

10.4.1 WEEE指令的附件IA和IB （ANNEX IA and ANNEX IB）的回收处理 725

10.4.2附件Ⅱ （ANNEX Ⅱ）中的分离处理 726

10.4.3 WEEE指令中按不同种类的再生率和再生循环利用率 726

10.4.4欧洲关于循环再利用用语的定义 727

10.5 RoHS指令对有害物质的禁用 729

10.5.1 RoHS规则适用范围判断树 729

10.5.2环境影响物质一览表 729

10.5.3特定有害物质的危害 730

10.5.4禁止使用的特定溴系阻燃剂 731

10.6可再生能源（1） 733

10.6.1自然能源和新能源 733

10.6.2水力发电 734

10.6.3太阳能光伏发电 734

10.6.4太阳热能利用 735

10.7可再生能源（2） 738

10.7.1风能利用 738

10.7.2海洋能利用 738

10.7.3地热利用 739

10.7.4生物能利用 740

思考题及练习题 746

参考文献 747