壓電晶體

當某些電介質（往往指絕緣體）晶體在外應力作用下，其表面上會產(chǎn)生電荷積累，這一現(xiàn)象叫做正壓電效應； 反之，在電場作用下，晶體中產(chǎn)生應變（或應力）的現(xiàn)象稱作反壓電效應，我們把具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體。這種力生電、電生力的效應是19世紀80年代在石英晶體上首先被發(fā)現(xiàn)的。

由于壓電效應的存在與晶體的結構和對稱性密切相關，在全面描述晶體對稱性的32個點群中，有20個我們稱作為非中心對稱的晶體點群。只有屬于這20個點群的晶體材料，才可能存在壓電效應，我們也稱這20個晶體點群為壓電晶體點群。

在壓電晶體點群中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的具有重要應用價值的壓電晶體有石英晶體、鈮酸鋰晶體、硅酸鎵鑭及其同系物晶體。壓電晶體主要用于制作高質量的諧振器、濾波器、振蕩器等。

壓電效應是1880 年法國科學家皮埃爾·居里兄弟發(fā)現(xiàn)的。他們在研究石英、電石、酒石酸鉀鈉等晶體的過程中，發(fā)現(xiàn)這些晶體在收到外界壓力時會有電壓、電荷產(chǎn)生，而在加上外加電壓時，又會發(fā)生形變。利用這種奇特的壓電效應，我們可以將機械能轉變成電能，或者把電能轉變成為機械能。聲納就是利用了壓電晶體的這樣的特性，通過電子振蕩器的振蕩電流加到壓電晶體上，使得水中產(chǎn)生相應頻率的波動，形成超聲波。裝有這樣的裝備，就可以憑借壓電晶體所發(fā)出的超聲波以及接收的回波，來發(fā)現(xiàn)敵艦、水雷、暗礁以及冰山的。

最早的聲納使用的壓電晶體有酒石酸鉀鈉（羅息鹽，羅謝爾鹽）、石英等，即使現(xiàn)在，羅息鹽和石英仍然大量使用在這一領域。

石英晶體化學組成為二氧化硅，三方點群，熔點為1750℃，密度為2.65 g/cm3。在573℃以下為α相，在573-870℃間為β相。α相和β相石英均有壓電效應，但常用的為α-石英。

天然石英晶體是最早被發(fā)現(xiàn)和利用的壓電晶體，然而天然晶體產(chǎn)量有限，質量不穩(wěn)定。自二次世界大戰(zhàn)以來，對于壓電器件的需要促進了壓電人工水晶的工業(yè)生產(chǎn)。人們已廣泛使用水熱法生長人造水晶。在常溫常壓下，水晶并不溶于水。但在高溫、高壓和加入礦化劑（如NaOH）的條件下，水晶可以溶解，借助于在生長容器（稱作高壓釜）中生長區(qū)和原料區(qū)之間的溫差，原料石英砂不斷溶解，在生長區(qū)的籽晶上生長，歷時數(shù)十天，可以生長大尺寸水晶單晶，大單晶可達30千克以上。

由于石英具有較大的壓電系數(shù)，并有零溫度切型，用這一切型制作的石英振蕩器的頻率不受溫度變化影響，因此廣泛用于制作電子鐘表、計時儀器和儀表、時間、頻率標準等。另外，利用石英晶體制成諧振器等，在通信裝置、移動電話、廣播、電視裝置中也得到了廣泛的應用，形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)。

鈮酸鋰(LN)晶體和石英晶體一樣，是用途廣泛的功能晶體。

目前，鈮酸鋰由于其壓電性能優(yōu)越，晶體生長技術成熟，成本較低，在壓電晶體應用的各個領域都得到廣泛開發(fā)利用。由于其壓電性能好，機電耦合系數(shù)大，機械能－電能轉換效率高，很適合做寬帶的聲表面波器件。

除了壓電應用之外，鈮酸鋰晶體還是是光電子元件中不可缺少的材料。可以在調制器、激光波長二次諧波產(chǎn)生（SHG）以及平面光波電路中起著非常重要的作用。

硅酸鎵鑭(LGS)晶體與石英晶體一樣，同屬于三方晶系，但其機電耦合系數(shù)高于石英晶體的2～3倍，不潮解，不溶于酸堿，具有零溫度系數(shù)的切向，SAW傳播速率低，無相變，不需要極化處理，是優(yōu)異的壓電晶體材料。但是由于其組分中有一半重量為Ga2O3，昂貴的成本使之難以與量大價廉的石英晶體相抗衡，所以只有在少數(shù)需要優(yōu)良性質而不計成本的領域(如航空、航天或軍用)才采用LGS晶體制作的器件。

近年來，由于移動通信的發(fā)展，LGS制作的微小型中頻聲體波濾波器被用于寬帶波分復用(W-CDMA)體系，而再次受到人們的重視。硅酸鎵鑭晶體主要是用提拉法生長的。

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