材料物理复习资料

第一章1.PN型半导体多数载流子是电子的半导体是N型半导体；多数载流子是空穴的半导体是P型半导体。2.浅杂质能级，深杂质能级掺杂杂质能级距导带或价带比较近，这类能级为浅杂质能级；杂质能级距离导带和价带比较远，这类能级为深杂质能级。3.半导体中费米能级的位置⑴对于本证半导体而言，绝对温度下的费米能级位于禁带中央，随着温度的升高，费米能级逐渐增加。⑵对于掺杂半导体而言，①n型半导体的Ef位于禁带的上半部，掺杂浓度越高，Ef便越高，导带中的电子越多；并且随温度的升高，Ef逐渐趋向于禁带的中间，在高温时达到本证，即Ef=Ei。②P型半导体的Ef位于禁带的下半部，掺杂浓度越高，Ef便越低，价带中的空穴越多；并且随温度的升高，Ef逐渐从价带方向趋向于禁带的中间，在高温时达到本证，即Ef=Ei。4.激子的概念如果光子的能量小于禁带宽度，价带上的电子吸收了光子能量以后不足以跃迁至导带，但是，这个离开价带上的带负电的电子可以同留在价带上的带正电的空穴形成一个较弱的束缚态，这个由电子-空穴对组成的束缚态称为激子。5.半导体的电阻率和温度的关系本征半导体：由于没有电离杂质的散射作用，载流子浓度仅由本征激发所决定。温度升高时，本征激发急剧增加，载流子浓度也迅速增加。因此，本征半导体的电阻率随温度的升高而单调下降。杂质半导体：AB段：杂质电离随温度升高而增加，散射较弱,，电阻率随温度升高而降低。BC段：杂质电离完成，本征激发较少，载流子浓度不随温度变化，散射随温度增加而增加，电阻率随温度升高而增加。C点后：本征激发强烈，载流子浓度随温度升高而增加，浓度成了控制电阻率的主要因素，随温度升高而降低。6.光吸收本征吸收、激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、声子吸收第二章1.光纤的性能参数及其作用①相对折射率差：表征光被约束在光纤中的难易程度。越大，越容易将传播光束约束在纤芯中。②受光角：把允许的最大入射角的2倍称为受光角。③数值孔径：相应于临界角的入射角反映了光纤集光能力的大小，通常被称为孔径角.数值孔径与孔径角的大小相关。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。④折射率分布函数：⑤归一化频率：与参数（△、n1、a有关）⑥截止波长：当V<2.405时，只有一种模式，即基模通过光纤芯传输，称单模光纤。当V>2.405时，假如光源波长减小得足够小时，单模光纤将变成多模光纤，高阶模也将在光纤中传输。因此光纤变成单模的截止波长c。2.光纤的损耗1.吸收损耗(1)本征吸收：本征吸收来自基质材料电子跃迁和分子振动产生的吸收。(2)杂质吸收：杂质吸收是由于材料不纯造成的。2.散射损耗：(1)光波导散射：原料中的杂质、光纤拉制过程中产生的气泡、粗细不均匀、纤芯与包层间界面不平滑等都会引起散射。(2)瑞利散射：瑞利散射是光纤材料在固化时局部密度起伏造成折射率不均匀而产生的。瑞利散射损耗和本征吸收损耗是光纤的固有损耗，决定着光纤损耗的最低理论极限。3.光纤的色散，如果设计避免色散多模色散：又称模式色散，只存在于多模光纤中。材料色散（DM）：由于光纤材料折射率随入射光频率不同而变化，产生色散波导色散（DW）：传输模的群速度对光的波长不是常数，同时光源又有一定色散现象。在略高于ZMD点的附近，可以找到某波长，该波长处材料色散同波导色散相抵消，总色散为零，称为光纤零色散点。第三章1.荧光和磷光根据余晖时间来判断荧光、磷光。2.液晶的分类，细分根据液晶形成的条件和组成，可以将液晶分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶的液晶相是由温度变化引起的；溶致液晶是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的体系，其液晶相与温度和组成有关。按液晶分子的形状分，棒状分子液晶、板状分子液晶、碗状分子液晶。热致液晶又可分为向列相、胆淄相、近晶相。3.PDP发光原理光致发光，其发光原理与荧光灯相同。由于放电效应，电子和水银处于等离子体状态。在两者碰撞时，水银被激发到高能量状态，当它从高能量状态恢复到低能量状态时，将发出紫外线。接着，紫外线激发管内壁上的荧光体，荧光体回到基态时可以发射出可见光。与荧光灯的不同：放电气体主要是Xe；发光面积小；放电电极间隔小；R\G\B空间分离；可以认为它是将RGB发光的许多微小荧光灯排列在平面制成的。4.液晶的参数相变温度：向列相液晶相变温度指晶体转变向列相温度和向列相转变各向同性液态温度粘度：与液晶响应速度关系密切，粘度大小与温度有关，温度降低，黏度增加很快。具有各向异性。介电常数：决定液晶分子在电场中的行为>0为正性(p型液晶)；<0为负性(n型液晶)取向的自由能Fe=-1/20(n·E)2折射率：向列液晶和层列液晶，ｎ>0；胆甾液晶，ｎ<0。弹性常数：在向列液晶情况下，分子沿着指向矢方向平衡，不产生形变恢复力。但破坏分子取向有序时，出现指向矢空间不均匀，使体系自由能增加，产生指向矢形变恢复能阈值电压：加电压后液晶显示器件的透光率达到10%时的电压5.扭曲相变液晶的工作原理原理：（扭曲向列型）液晶上、下两个玻璃基片内表面的摩擦方向相差90゜（正交），当自然光通过上偏振片后变成先行偏振光时，偏振光的振动方向与偏振片的偏振方向一致，同时也与玻璃基片内表面附近的液晶分子排列方向一致。当通过上偏振片的光进入液晶层后，由于液晶的双折射作用，使线性偏振光分解成o光和e光，其传播速度不同，但位相相同，因而在人一瞬间o光和e光合成的结果使偏振光的振动方向发生变化，光依次通过液晶层后，通过液晶层的光被逐渐扭曲了。由于扭曲向列型液晶显示器件边界条件的限制，当光线达到下偏振片而成为亮场。当加上电场后，节点各向异性为正的液晶分子在电场作用下取向（液晶分子长轴与电场方向一致），扭曲结构消失，通过上偏振片的线偏振光进入液晶层后不再旋转，因而不能通过下偏振片，形成暗场。6.发光二极管（LED）LED是辐射光的半导体二极管。施加正向电压时，通过P-N结分别把n区的电子注入到p区、p区空穴注入到n区，电子和空穴复合发光，把电能直接转换成光能。7.激活剂，敏化剂猝灭剂：损害发光性能使发光亮度降低的杂质，又称毒化剂，Fe、Go、Ni是典型代表。激活剂：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料发光，这类杂质叫该化合物的激活剂。共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质。敏化剂：有助于激活剂引起的发光，使发光亮度增加的杂质。惰性杂质：指对发光性能影响较小、对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质。第四章1.影响磁介质磁存储性能的参数，如何影响颗粒涂布式磁存储介质①磁粉参数：剩余磁感应强度、矫顽力、磁层厚度、磁层的表面光洁度和均匀性②颗粒尺寸：R0定义为临界半径，当R>R0时，颗粒为多畴结构；当R<R0时，颗粒为单畴结构。③磁粉高存储密度连续膜介质①磁存储薄膜基本的磁特性：磁各向异性、多层薄膜结构、常用的连续介质膜2.存储的分类（磁，光）磁存储光盘存储：只读存储光盘、一次写入存储光盘、可擦重写存储光盘、直接重写存储光盘全息存储：光学平面全息、体全息、光致折变全息3.存储密度与什么有关，如何提高存储密度？存储密度决定存储容量，记录密度等于位密度与道密度的乘积。位密度指单位长度的磁道所能记录的位数，道密度指沿半径方向的单位长度的磁道数。要提高存储的位密度,就要缩短激光波长和提高物镜的数值孔径.要增加存储的道密度，就要缩短道间距。第五章1.热探测器的特点热探测器是利用热效应制作的一种探测器。热探测器材料吸收红外辐射后产生温度变化，同时材料的物理性质发生变化，包括固体或液体的体积膨胀、电阻变化、在两种不同温差电动势材料结点上的电压变化或产生热释电效应，可以利用这些与温度有关材料特性的变化来测定红外辐射。2.本征光电导和杂质光电导的区别1)杂质的电离能通常比禁带宽度要小得多,杂质吸收和光电导的长波限比本征吸收和光电导长波限要大得多.2)杂质浓度比主晶格原子浓度要小几个数量级,杂质吸收和杂质光电导比本征吸收和本征光电导弱得多.3)从吸收跃迁结果看,本征光电导同时产生等量的自由电子和自由空穴,并且两者对光电导的产生做出贡献.而杂质光电导,只激发一种自由载流子.4)二者光激载流子产生率与激发光强度具有不同的函数关系3.量子阱和超晶格及其分类在量子力学中，能够对电子运动产生某种约束并使其能量量子化的势场称为量子阱。半导体超晶格结构由A、B两种材料以各自不变的厚度周期性地交替叠合在一起形成的，势垒层较薄，使得相邻势阱层中电子的波函数相互重叠。按组成材料的晶格匹配程度来分，可分为晶格匹配量子阱与超晶格和应变量子阱和超晶格。4.丹倍效应，及几个噪声光电效应：物质在光作用之下释放出电子的现象。光生伏特效应:如果在一定条件下受到光照作用的半导体中产生电动势,这种现象称为光生伏特效应。丹倍效应:由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电势差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应。达到动态平衡时建立起的电场称为丹倍电场，所产生的光电压称为光电扩散电压或丹倍电压。光磁电效应：磁场使得光生电子和空穴分开。有磁场存在下均匀半导体的光生伏特效应称为光磁电效应。噪声：光子噪声：不可避免。每一个单位时间间隔内射入的光子数目与由此在半导体中产生的光生载流子数目是不同的，所以光电流不是严格不变的恒定值，而是在其平均值附近起伏。光电流的这种起伏表现为光子噪声热激噪声：由载流子在光电导体中的不规则热运动所引起的。自由载流子热运动速度大小的起伏和运动方向的杂乱性使得每一个体积元中载流子浓度大小是变化的，这就造成噪声。降低温度可以减少热激噪声。这种噪声存在于任何电阻器中.产生-复合噪声：半导体中由于热激载流子产生和复合的不规则起伏所引起的噪声陷阱效应噪声：受到激发而产生的自由载流子在有陷阱的半导体中可以被陷阱俘获，之后又可以因热激发从陷阱释出而成为自由载流子。同产生-复合过程类似，载流子被俘获和释放的过程也是起伏的，而导致噪声1/ƒ噪声：其功率近似地与频率成反比，因而称为1/ƒ噪声，是低频范围主要的噪声。只在有电流通过时才存在。来源可能与表面情况、势垒、晶体位错缺陷以及接触不良等有关。可通过完善工艺来降低这种噪声5.表面对光电导的影响。光子能量小于禁带宽度时,本征吸收限以下的系数很低,表面吸收作用不大,样品的光电导主要由体积特性决定.在光子能量大于禁带宽度时,由于吸收系数很高,吸收深度很浅，近表面层对光的吸收作用很强，而体内吸收很弱，光电导主要决定于表面吸收、激发和复合。6.异质结太阳能电池的优点，特点1)结构:禁带较宽的材料+禁带较窄的材料2)光谱灵敏区:Eg1-Eg2带3)优点:可利用光谱范围宽,转换效率高4)为了避免结区对光的吸收过多而降低转换效率,同质结的结区需离受照表面尽可能近,而异质结由于宽带半导体的窗口效应,可以把结安排在离开表面比同质结远得多的地方。这样可以使得由于表面复合和表面薄层电阻引起的损耗大大降低,从而提高转换效率。说明：异质结太阳能电池是由一种禁带较宽（Eg1）的材料和一种禁带较窄（Eg2）的材料构成的。这样的结构使得光通过宽带半导体射入，这时光的短波部分（hv>Eg1）将全部在宽带半导体中被吸收，而长波部分（hv<Eg1）将通过宽带半导体而进入窄半导体中。能量范围在Eg1与Eg2之间的光子将被窄带材料吸收。在窄带材料部分的结区和离结区边缘距离小于扩散长度范围内，吸收了Eg1>hv>Eg2的光子所产生的自由载流子，以及在宽带材料部分的结区和离结区边缘小于扩散长度范围内，吸收了hv>Eg1的光子产生的载流子将被收集。但是吸收hv>Eg1的光子产生的载流子所占比例不大。这样，由于异质结中存在宽带材料的“窗口效应”，其光谱灵敏区是Eg1-Eg2带。这种情况使得人们有可能制造出转换效率较高并且利用光谱范围较宽的太阳能电池。第六章1.软硬性参杂软性掺杂：软性掺杂是指La3+、Bi3+、Nb5+、W6+等高价离子分别置换Pb2+或Zr4+、Ti4+等离子，在晶格中形成一定量的正离子缺位（主要是A位），由此导致晶粒内畴壁容易移动，结果使矫顽场降低，使陶瓷的极化变得容易，因而相应地提高了压电性能。另外，空位的存在增加了陶瓷内部的弹性波的衰减，引起机械品质因数Qm和电气品质因数Qe的降低，但其介电常数增大。硬性掺杂：硬性掺杂与高价离子软性掺杂的作用相反：离子置换后在晶格中形成一定量的负离子（氧位）缺位，因而导致晶胞收缩，抑制畴壁运动，降低离子扩散速度，矫顽电场增加，从而使极化变得很困难，压电性能降低，Qm和Qe变大，介电损耗减少。2.敏感性材料的工作原理敏感陶瓷材料是指当作用于这些材料制造的元件上的某一外界条件（如温度、压力、湿度、气氛、电场、磁场、光及射线等）改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这些元件上准确迅速地获得某种有用的信号。可分为热敏、压敏、湿敏、气敏、电敏和光敏等。3.几个极化，时间，机理位移极化①电子位移极化：外加电场时，离子或原子正负电荷中心分离，形成感应偶极矩，10-14~10-15s。②离子位移极化：外加电场时，正负离子相对运动，形成偶极矩，10-12~10-13s。松弛极化①电子松弛极化：外电场的作用下，弱束缚电子的运动具有方向性而呈现极化，10-2~10-9s。②离子松弛极化：在外电场作用下，弱联系的离子在电场方向和反电场方向迁移几率增大，10-2~10-9s。界面极化在外电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向正负极移动，引起陶瓷体内各点离子密度变化，出现电偶极矩，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时。谐振式极化当外加电场的频率接近电子、离子振动的固有频率时，将发生谐振，电子或离子吸收电场能，是振幅加大呈现极化现象，光频。自发极化晶胞中的正负电荷中心不重合，即每一个晶胞里存在有固有电矩。第七章1.光参量震荡，和材料结构的关系当一束频率为的强激光wp(称为泵浦光)射入非线性光学晶体时,若再在晶体中加入频率远低于wp的弱信号光(频率为ws),由于差频效应,晶体中将产生频率为wp-ws=wi(称为空载频率)的极化波,从而辐射出频率为wi的光波,当此光波在晶体中传播时,又与泵浦光混频,便产生频率为wp-wi=ws的极化波,进而辐射出频率为ws的光波。目的:使信号光波的功率得到放大2.光折变效应概念，建立过程，特点光折变效应指在光辐照下，某些电光材料的折射率随光强的空间分布而变化的现象。·3个基本过程形成：①光频电场作用于光折变晶体时，光激发电荷并使之转移和分离；②电荷在晶体内转移和分离，引起电荷分布改变，建立起空间电场，强度约10-+5V/m；③空间电荷场通过晶体的线性电光效应，致使晶体的折射率发生变化。特点：①在一定意义上说，光折变效应与光强无关；②非局域响应第八章1.什么材料可以作为激活剂？激活离子是发光中心，离子的电子组态中，未被填满壳层的电子处于不同轨道运动和自旋运动状态，形成一系列能级。①具有高的荧光量子效率.②光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产