材物学生第三章自出题-0615附答案

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：cm ⋅Ω<-410ρ；绝缘体：cm ⋅Ω>610ρ；半导体：cm ⋅Ω=-6410~10ρ 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V C g E E E -=4、反应材料导电性能好坏的2个参数电阻率ρ和电导率σσρ/1= 5、 杂质半导体中，多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（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：⑴提高激光的方向性。

沿轴向传播的光，可在腔内来回反射，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。

⑵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ⅡA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。