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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SOI20

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CMP67

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SMT117

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LED260

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LED285

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Ra295

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OLED316

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EMS620

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