材物学生第三章自出题0615附答案

1、错误率比较低的题目1、 材料按电性能分为哪三类？电阻率范围是多少？导体：；绝缘体：；半导体：2、 如何控制材料的导电性能？对于金属和半导体材料哪种因素更重要，解释原因控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要.对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。 载流子的移动速率取决于原子之间的结合键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子化合物中的扩散速率。3、 禁带宽度的概念电子填满的价带与未被电子填充的空带（导带）间没有交叠，价带和导带间被禁带隔开，禁带宽度4、 反应材料导电性能好坏的2个参数电阻率和电导率5、 杂质半导体中，多

2、子数量和少子数量分别与什么因素有关在杂质半导体中多子的数量与掺杂浓度有关。在杂质半导体中少子的数量与温度有关。6、 本征激发的概念价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发。7、 为什么Si是半导体基石？从能带结构来看碳、硅、锗导电性差距大的原因锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取

3、代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备MOS型三极管。虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。禁带宽度：C金刚石（5.48eV）、Si（0.67eV）、Ge（0.08eV）8、 能带结构中，电子和空穴的运动方向9、 外加电压的作用下，P型半导体和N型半导体的主要电流，区分两种半导体的方法P型半导体是空穴电流，n型半导体是电子电流。10、 对于金属材料和半导体材料，移动速率和载流子对应的主要影响对于金属材料来说，载流子的移动速率特

4、别重要.对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。11、 电子迁移率比空穴大的原因12、 PN结中半导体的空穴-电子形成（画图），PN结耗尽区，激发电子及空穴移动方向13、 在PN结中，简述漂移运动和扩散运动（多子和少子分别参与什么），多子、少子分别是什么，非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。14、 DSSC光转换机理光电转换机理：(1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态 (S*)；(2) 激发态的电

5、子快速注入到TiO2导带中；(3)电子在TiO2膜中迅速的传输，在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；(4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生；(5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。15、 太阳能电池中窗口层材料的作用，选择禁带宽度大的窗口层的原因一般窗口层起到同电池本体层形成pn结内电场的作用，如果电池本体层是N型，窗口就是p型，反之亦然。但是，由于窗口层是表面层，表面复合严重，因此窗口层要尽量避免吸收光产生载流子，因此窗口层普遍采用禁带宽度大的材料制成，尽量不吸收光。因为窗口层靠近表面，缺陷非常

6、多，如果吸收光产生光生载流子的话很容易死掉，对电池输出不做贡献，吸收的光都浪费了，降低了电池效率。所有把光尽可能的让本体材料吸收。16、 本章中没有用到PN结的太阳能电池燃料敏化太阳能电池DSSC17、 太阳能电池效率的影响因素18、 TiO2染料敏化太阳能电池光电转化机理，两电极各自发生的反应及原理水溶液中的TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。结果是：在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气19、 用接触理论解释半导体太阳能电池原理当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域

7、都有可能出现电子激发现象。n型区域的价带电子被激发到导带上后，就停留在n型的导带上，而在n型价带上同时形成的空穴会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。p型区域的价电子被激发到导带上后，将迁移到能量更稳定的n型的导带上，而在p型区域价带上同时形成的空穴则停留在该价带上。p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置上将正负电荷分离开来。如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。20、 P型半导体和N型半导体分别掺入的元素及价态21、 相对电导率概念22、 非本征半导体的电导率影响因素（内因和外因）对于非本征半导体来说，材料的电阻率

8、（电导率）主要和多数载流子浓度以及迁移率有关。杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因：杂质在室温下不能完全电离；迁移率随杂质浓度的增加而显著下降左图所示为一块N型半导体材料中，当施主杂质的掺杂浓度ND为1E15cm-3时，半导体材料中的电子浓度及其电导率随温度的变化关系曲线。1）温度比较低时：则由于杂质原子的冻结效应，载流子浓度和半导体材料的电导率都随着温度的下降而不断减小。2）在非本征激发为主的中等温度区间内（即大约200K至450K之间）：此时杂质完全离化，即电子的浓度基本保持不变，但是由于在此温度区间内载流子的迁移率随着温度的升高而下降，因此在此温度区间内半导体材料的电导率也随着温度

9、的升高而出现了一段下降的情形。3）当温度进一步升高，则进入本征激发区：此时本征载流子的浓度随着温度的上升而迅速增加，因此电导率也随着温度的上升而迅速增加。23、 具备什么特征的半导体能够光致发光价带和导带之间的禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段。（荧光材料）24、 光致发光效应的概念，简述其过程，如何使硅产生光致发光效应，产生光致发光效应材料的特点价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应。将硅制成纳米线价带和导带之间的禁

10、带宽度不大不小，所以被激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段。25、 简单画出发光二极管的发光原理在正向偏压的作用下：p-n结势垒降低，势垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散：n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导体区，同时p型半导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区。这些注入到p区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。 26、 光生伏特效应：光生电场与内建电场方向是否一致，光生电场产生原因光生伏特效应：光照在半导体p-n结或金属半

11、导体接触面上时，会在p-n结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势； p-n结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射p-n结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于p-n结上加一个正电压；半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。27、 激光又名镭射，全名是什么？激光形成的三大基本条件及其作用激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)谐振腔作用：提高激光的方向性。沿轴向传播的光，可在腔内

12、来回反射，不断通过受激辐射得到放大，而沿其它方向传播的光很快从侧面逸出，不能继续引起受激辐射。提高激光的单色性。光在腔内来回反射, 产生多光束干涉, 结果, 只有其半波长的整数倍等于腔长的光才会在腔内存在。激光形成的基本条件：(1) 要有适当的激光工作物质(2) 要有外界激励源(3) 要有激光谐振腔28、 光分解水，TiO2和Pt电极表面分别得到什么气体？为什么？水溶液中的TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。结果是：在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。29、 能够画出元素

13、的能带结构，金属的能带结构特征，绘图表示钠与镁的能带重叠现象。钠只有1个3s电子，在3s价带只有一半的能级被电子所占据。自然，这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级，而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像镁这样的周期表A族元素的最外层3s轨道有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被

14、电子全部占满。但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。30、 解释迈斯纳效应31、 过渡金属的电子结构32、 列举半导体的物理效应（至少三种）余辉效应、发光二极管、激光二极管、光伏特效应33、 Ge的导电性好，而且比Si易提纯，为什么Si是半导体基石？锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的

15、表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备MOS型三极管。34、 经典自由电子论的概念及缺点， 35、 量子自由电子论与经典自由电子论的主要区别经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。36、 经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论三种方法分析材料的主要特征从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。37、 画图表示余辉产生原理，影响因素，金属是否有余辉

16、效应如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余辉现象。 余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下：1）处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，2）或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，价带没有充

17、满电子，低能级的电子只会激发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。38、 光电池分类（4类）39、 1个原子到N个原子的2S轨道变迁当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的2s能级。 当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。 当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。 2s轨道的N个分立的能级组合在一起

18、，成为2s的能带。40、 超导体的两大基本特性、三个性能指标完全导电性、完全抗磁性；超导体的临界转变温度、临界磁感应强度、临界电流密度41、 能级分裂的原因，分析能带出现的原因；间接跃迁的类型；固体电子能带的形成过程能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果固体电子能带结构：原子间处于平衡间距时的能带结构当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也只能有2个电子占据相同的2s能级。 当两个原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子就会相互作用，以致不能再维持在相同的能级。 当固体中有N个原子，这N个原子的2s轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现N个不同的分立

19、能级来安排所有这些2s轨道的电子（这些电子共有2N个）。 2s轨道的N个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。间接跃迁分为四种类型。42、 如何控制材料的导电性本征半导体中，通过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时，所有的电子都处于价带，导带中的所有能级都是空的。当温度升高时，电子占据导带能级的可能性也增加，半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。非本征半导体的导电性主要取决于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范围内与温度关系不大。43、 画图区分能带结构中的价带、导带？在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量

20、低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。错误率比较高的题目1、 半导体的功函数2、 能带理论解释导体、半导体、绝缘体的区别3、 长余辉材料能够得到较长余辉时间的原因，余辉时间有关的因素通过设定陷阱能级，长余辉材料-夜光材料余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。4、 两种典型的金属与N型半导体的接触一类是整流接触，即制成肖特基势垒二极管，另一类是非整流接触，即欧姆接触。MS 1）反向：如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导

21、体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。2）正向：如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。M S时 此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导体与金属的接触状态称为欧姆接触 。5、 非本征半导体的种类及形成过程N型半导体：硅或锗中掺入五价元素，掺杂后自由电

22、子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。P型半导体：硅或锗中掺入三价元素，掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。6、 超导现象的概念7、 简述PN结单向导电性的原理；PN结的导电性（导通、截止）及原因，半导体PN结发光原理及伏安特性PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。（内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。） PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。（内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少

23、，形成很小的反向电流。）8、 解释N型半导体的形成9、 Si、C有未满带，但是导电性差的原因这些元素都是以共价键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生比较复杂的变化，即杂化现象。金刚石中的碳原子的2s和2p能级可以容纳8个电子，但实际上只有4个电子可用。当碳原子形成固体金刚石时，2s和2p能级相互作用，形成如图的2个杂化能带。每个杂化能带都能容纳4N个电子，但是由于一共只有4N个电子，所以较低的杂化能带（价带）充满了电子，而较高的杂化能带（导带）则没有一个电子。在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。

24、所以金刚石的电导率很低。10、 金属的能带结构特征11、 描述N型半导体及其能带结构12、 三种辐射方式，自发辐射的定义电子吸收外来光子能量，并从能级E1，跃迁到高能级E2，且，这个过程叫做光吸收。原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级 , 这种跃迁称为自发跃迁，由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.原子中处于高能级E2的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级E1跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.13、 简述光生伏特效应的概念、原理光生伏特效应：光照在半导体p-n结或金属半导体接触面上时，会在p-n结或金属半导体接触的两侧产生

25、光生电动势；光照时在PN结附近产生电子-空穴对；在内建电场的作用下，空穴向p区运动，而电子向n区运动，使p端电势升高，n端电势降低；所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF；由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光生电流Il14、 量子自由电子论的概念；量子自由电子轮的四个基本假设，解释导电现象金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理 。 当e0时，费米球的球心在原点，这时，任何一个量子态k，都有一个反方向的k态与之对应，处在这两种量子态的电子具有

26、大小相等、方向相反的速度，所以，系统的总电流为0。e e 0时，电子在电场的作用下沿电场的反方向作加速运动：这表明，在电场作用下，整个电子分布将在k空间沿e的反方向移动。所以，费米球的球心将偏离原点位置，从而使原来对称的分布偏向一边，这样就有一部分电子对电流的贡献不能被抵消，而产生宏观电流。15、 电子填充能带原则16、 如何实现粒子数反转通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数转激励又称泵浦，分为光激励、电激励、化学激励、热激励17、 费米能级定义；如何判断一个系统是否处于平衡状态18、 余辉效应的概念，画图表示余辉产生原理，余辉时间有关的因素，影

27、响因素，金属是否有余辉效应；使Si具有荧光效应的方法如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余辉现象。余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下：1）处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，2）或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。光致发光

28、现象不会在金属中产生。因为在金属中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。将硅制成纳米线19、 欧姆接触、整流接触20、 红宝石激光器是几能级系统；四能级系统比三能级系统容易实现粒子数反转的原因，四能级系统的工作原理四能级系统比三能级系统容易实现粒子数转21、 本征半导体的概念，与非本征半导体的区别，导电机理，能带特征，缺点本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体能带特征：价带全满、导带全空、禁带中无能级本征半导体的导电机理：当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分

29、电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流；(2)价电子递补空穴 空穴电流但是本征半导体对光、射线、温度的作用非常敏感，使半导体的载流子数量随之发生明显变化，因此可用来制作一些探测器。(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能较差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。本征半导体和非本征半导体的主要区别载流子数量：本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。载流子数量：本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不

30、相等的。多子与少子：非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。22、 超导材料的三个性能指标及两个超导态，高温超导体与常温超导体的区别。超导体完全抗磁性的原因性能指标：临界转变温度、临界磁感应强度、临界电流密度超导态特性：完全导电性、完全抗磁性常温超导体：无混合态；高温超导体：有混合态 23、 量子论解释金属的比热由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去，因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论推导出的比热可以解释实验结果。24、 金属材料是否具有光致发光效应？原因25、 非本征半导体的主要导电原因，与温度的关系图可分为的区域以施主掺杂为例，分三个温区：施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。温区1-非本征区：电导率随T增大而增大，