材料物理性能复习题

μυσρ22/1e n m **==材料物理性能复习题

一． 概念题

压电体：某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符

号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系这类物质

导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流的物体

半导体：能带结构的满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄，导电性能介于导体和半导体之间的物体 绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，难以导通电流的物体

热电效应：当材料存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流的这种现象

电光效应：铁电体的极化能随E 而改变，因而晶体的折射率也将随E 改变，这种由外电场引起晶体折射率的变化 一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变的这

种现象

选择吸收:

对于波长范围为3.5—5.0μm 的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化的这种现象 发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力 受激辐射：当一个能量满足hv =E 2-E 1的光子趋近高能级E 2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性

质完全相同的光子的过程

二、 简答题

(1) 电介质导电的概念、详细类别、来源。

概念：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流

类别：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导 来源（导电方式）：电子与空穴（电子电导）；移动额正负离子电导（离子电导）。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。

(2) 正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低(电阻升高)。

金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比。

(3) 为什么金属化合物的导电性要低于单一金属，请基于电离势能方面的差异进行简要说明。

（1）晶体点阵畸变；（2）杂质对理想晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异常高，原因它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目减少。原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。

(4) 简述本证硅的导电机理。

导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。

(5) 简述硅中掺杂硼的导电机理（要有示意图）

在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大

大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，

并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。

因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的

原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产

生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一

个空穴。

(6) 简述硅中掺杂砷的导电机理（要有示意图）

本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增

加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，

余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成

为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。

(7) 简述介质损耗的几种形式及造成这几种损耗的原因。

介质损耗形式：

1）电导（或漏导）损耗实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。

低场强下，存在离子电导（本征电导和杂质电导）；高场强下，电子电导。

2）极化损耗一方面：极化过程中离子要在E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。

另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E，即E达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E为0时，极化尚未完全消除，当外E反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。

3）电离损耗又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E大于气体电离所需的E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。

(8)剩余极化的形成过程。

铁电畴在外电场作用下，总是要趋于与外电场方向一致，这称为电畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫剩余极化。(9)铁电畴转向过程，包括在畴壁附近的作用过程。

在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。

１８０°畴：反向电场——（边沿，缺陷处即成核）新畴——尖劈状的新畴向前端发展（因１８０°畴前移速度快几个数量级）,１８０°畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。

９０°畴：对于９０°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过９０°畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。

(10)为什么铁电单晶剩余极化值比铁电陶瓷高。

实际的铁电体中，必然同时存在９０°畴和１８０°畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多

(11)压电体产生压电效应的机制是什么,请简要画出压电效应的机理示意图。

因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

三、综合题

PN结的发光机理是什么？

如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成P－N结。未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N 结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平。

这时，在P区和N区分别出现P型简并区和N型简并区，P区的价带顶充满了空穴，N区的导带底充满了电子。在结区造成了能带的弯曲。自建场的作用，形成了接触电位差V D叫做P－N 结的势垒高度。P区所有能级上的电子都有了附加位能，它等于势垒高度V D乘以电子电荷e（V D e）

当给P－N 结加以正向电压V时，如图（5-27）所示，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级E F+和E F-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。