1. 半导体发光材料
发光材料在电场激发下能产生发光现象,能将电能直接转换成光能。这类材料大多数是半导体材料。主要半导体发光材料及其物理性能见表13-42。
表13-42 半导体发光材料
2. 激光材料
(1) 半导体激光材料: 直接跃迁型半导体材料几乎都可以做激光器,它们发出的激光波长主要依赖于该材料的禁带宽度、杂质浓度和温度等因素。半导体激光器起振方法主要有电子束激励法、光激励法和PN结电注入法等。半导体激光器材料的发光波长及激励方法见表13-43。
(2) 晶体激光材料: 晶体激光材料分氟化物、盐类和氧化物三类,目前使用的主要有红宝石等晶体,见表13-44。
3.压电材料
具有压电效应的电介质称为压电材料。常见的压电材料可以分为压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料三大类。
表13-43 各种半导体激光器材料发光波长及激励方法
| 半导体材料 | 发光波长λ/μm | 激励方法 |
|
ZnS ZnO Znl-xCdxS ZnSe CdS ZnTe GaSe CdSel-xSx CdSe0.95S0.05 CdSe AlxCal-xAs GaAsl-xPx Gal-xInxP CdTe GaAs InP GaAsl-x～Sbx CdSnP2 InAsl-xPx InAs0.94P0.06 InAs0.51P0.49 GaSb Inl-xGaxAs InGaAsP In0.65Ga0.35As In0.75Ga0.25As Cd5P2 InAs |
0.33 0.37 0.49～0.32 0.46 0.49 0.53 0.59 0.49～0.68 0.675 0.675 0.63～0.90 0.61～0.90 0.695 0.785 0.83～0.91 0.91 0.9～1.5 1.01 0.9～3.2 0.942 1.6 1.55 0.85～3.1 1.1～1.7 1.77 2.07 2.1 3.1 |
O、E E O E O、E E E O、E E O、E I E、I O E O、E、I、A I、A I E I I I E、I I O、E、I I I O O、E、I |
续表
| 半导体材料 | 发光波长λ/μm | 激励方法 |
|
InAsl-xSbx InAs0.98Sb0.02 Cdl-xHgxTe Cd0.32Hg0.68Te Te PbS InSb PbTe PbAl-xSex PbSe Pbl-xSnxTe Pbl-xSnxSe |
3.1～5.4 3.19 3～15 3.8 3.72 4.3 5.2 6.5 3.9～8.5 8.5 6～28 8～31.2 |
I I O、E O E E O、E、I、A E、I E、I E、I I I |
注:A为引起“雪崩” 的激励方法; E为电子束激励方法; O为光激励法; I为 电子注入法。
表13-44 主要晶体激光材料
| 材料名称 | 分子式 |
熔点 /℃ |
硬度 (莫氏) |
热导率(室温) /[mW/(cm·℃)] | 特 点 |
| 红宝石 | Al2O3 | 2040 | 9 | 320 |
有很高的重复频 率 |
| 钇铝石榴石 | Y3Al5O12 | 1950 | 8.5 | 140 |
有较高的重复频 率室温下连续输出 |
| 铝酸钇 | YAlO3 | 1875 | 8.5～9 | 140 |
与钇铝石榴石相 似 |
| 氟磷酸钙 | Ca5(PO4)3F | 1705 | 5～5.5 |
24(a), 20(c) | 增益大 |
| 氟钇钙钠 | NaCaYF6 | 1400 |
可在800℃的高温 下正常工作 |
续表
| 材料名称 | 分子式 |
熔点 /℃ |
硬度 (莫氏) |
热导率(室温) /[mW/(cm·℃)] | 特 点 |
| 氟钒酸钙 | Ca5(VO4)3F | 1420 | |||
| 硫代氧化镧 | La2O2S | 2070 | 350 | 高增益 | |
| 硅酸氧灰石 |
CaLa4 (SiO4)3O | 2180 | 7 |
19(a), 19 (c) | 高贮能高效率 |
| 钨酸钙 | CaWO4 | 1 580 | 4.5 | 46 |
可在常温下连续 振荡 |
| 氧化钇 | Y2O3 | 2 450 | 6.8 | 134 | 高效率 |
| 铌酸锂 | LiNbO3 | 1 260 | 5 |
典型单晶材料的声表面波特性见表13-45。
常用压电陶瓷和各种特性见表13-46。
压电陶瓷的分类、特点和应用见表13-47。
表13-45 典型单晶材料的声表面波特性
| 晶体名称 | 切型 |
传播 方向 |
传播速度 v/ (m/s) |
机电耦 合系数 k2/% |
温度 系数 /(ppm/℃) |
介电 常数 εr |
传播损耗 /(dB/m) (GHz) |
| 石英单晶 | Y | X | 3 159 | 0.23 | -22 | 4.5 | 0.82 (1) |
| ST | X | 3 158 | 0.16 | 0 | 4.5 | 0.95 (1) | |
| LiNbO3 | Y | Z | 3 485 | 4.5 | -85 | 38.5 | 0.31(1) |
| 131*Y | X | 4 000 | 5.5 | -74 | 38.5 | 0.26(1) | |
| 128*Y | X | 4 000 | 5.5 | -72 | |||
| Y | Z | 3230 | 0.74 | -37 | 44 | 0.35(1) | |
| LiTaO3 | X | 112*Y | 3 295 | 0.64 | -18 | 44 | |
| Bi12SiO20 | [001] | [110] | 1 622 | 0.69 | -118* | 42 | |
| Bi12GeO20 | [001] | [110] | 1 681 | 1.5 | -130 | 38 | 0.89(1) |
表13-46 常用压电陶瓷的各种特性
| 名称 |
弹性刚 性系数 /(×1011 N/m2) |
压电常数 d31 /(×10-11 C/N) |
压电常数 d33 /(×10-11 C/N) |
介电常数 εT33 /(×10-11 F/m) |
机电耦合 系数/% | |
| k31 | k32 | |||||
| BaTiO3 | 1.18 | -5.6 | 16 | 1250 | 17 | 45 |
|
97BaTiO3 3CaTiO3 | 1.22 | -5.3 | 13.5 | 1230 | 17 | 43 |
|
90BaTiO3 4PbTiO3 6CaTiO3 | 1.24 | -4.0 | 11.5 | 710 | 16.7 | 48 |
|
96BaTiO3 4PbTiO3 | 1.14 | -3.8 | 10.5 | 880 | 14 | 39 |
| PZT-4 | 0.815 | -9.7 | 23.5 | 875 | 28 | 63 |
| PZT-5 | 0.675 | -14.0 | 32.0 | 1200 | 32 | 70 |
| PZT-6 | 0.865 | -7.8 | 19.1 | 860 | 25 | 60 |
| Pb(NbO3)2 | 0.29 | -3.3 | 9.0 | 240 | 11.5 | 31 |
注:①PZT为锆钛酸铅;BaTiO3为钛酸钡;Pb(NbO3)2为铌酸铅。
②符号前的数字是成分的质量分数(%)。
表13-47 压电陶瓷的分类、特点和应用
| 分类 | 材 料 | 特 点 | 应 用 |
|
二 元 系 压 电 陶 瓷 | BaTiO3 |
高相对介电常数,对温度很 敏感 | 声纳发生器,超声换能器 |
| PZT-4 |
压电常数高,良好的驱动性, 高耦合 |
声纳发声器,超声换能器, 高压发生器 | |
| PZT-5A |
高时间常数,低老化,压电 常数高 |
水听器,仪表换能器,传 声器和扬声器 | |
| PZT-7A |
低电容率,低老化,压电常 数高 | 延迟线换能器 | |
| PZT-8 |
显著的高驱动特性,压电常 数高 | 声纳发声器,超声换能器 | |
| Pb(NbO3)2 | 相对介电常数小,居里点*高 | 水声换能器 |
*居里点: 在一定的温度范围内,该材料的压电性质存在。但温度超过时,压电性质完全消失,这个高温即是“居里点”。
续表
| 分类 | 材 料 | 特 点 | 应 用 |
|
三 元 系 压 电 陶 瓷 |
xPb(Mg1/3· Nb2/3)O3 yPbTiO3 zPbZrO3 |
高介电常数,较大的机械品 质因素,较好的稳定性 |
拾音器,换能器,超声延 迟线,引爆引燃火花塞 |
|
xPb(Zn1/3· Nb2/3)O3 yPbTiO3 zPbZrO3 |
高介电常数,稳定性好,致 密度高,绝缘性能良好 |
陶瓷滤波器,机械滤波器 的换能器 | |
|
xPb(Co1/3· Nb2/3)O3 yPbTiO3 zPbZrO3 |
机构品质因素和机电耦合系 数可大幅度地调节 |
超声波振子,滤波器拾音 器 |
注:x、y、z表示三元系压电陶瓷配比中各元所占的质量分数(%)。