电子材料复习题(广海)

1、3请解释肖特基节的形成和肖特基节的单向导电性（可作图辅助解释）。 半导体的逸出功一般比金属的小，故当金属与半导体（以N型为例）接触时,电子就从半导体流入金属，在半导体表面层内形成一个由带正电不可移动的杂质离子组成的空间电荷区 。在此区中存在一个由半导体指向金属的电场，犹如筑起了一座高墙，阻止半导体中的电子继续流入金属。 势垒高度随外加电压变化。当金属接正电压时,空间电荷区中的电场减小,势垒降低，载流子容易通过；反之势垒升高，载流子不易通过。因此肖特基结具有单向导电的整流特性。什么叫金属和半导体之间的欧姆接触，如何形成欧姆接触？请作图辅助说明。 欧姆接触是半导体设备上具有线性并且对称的电流-电压

2、特性曲线 (I-V curve) 的区域。接触金属和半导体具有不同的工函数，分别记为M和S。 当两种材料相接触时，电子将会从低工函(高Fermi level)一边流向另一边直到费米能级相平衡。从而，低工函(高Fermi level)的材料将带有少量正电荷而高工函(低Fermi level)材料则会变得具有少量电负性。 5何谓珀尔帖效应，解释利用珀尔帖效应制成的热电制冷器原理。 用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若将电源反接，则接点处的温度相反变化。这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。 接通电源后，上接点附近产生电子-空穴对,内能减小,温度降低

3、,向外界吸热,称为冷端。另一端因电子-空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。 9请解释雪崩击穿和齐纳击穿。 对于PN结(PN Junction) 随着方向电压的增大,阻挡层内部电场增加,阻挡层中的载流子的漂流速度相应加快,致使动能加大.当方向电压增大到一定数值时,载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来,产生自由电子-空穴对.新产生的载流子在电场作用下再去碰撞其他中性原子,又产生的自由电子空穴对.如此连锁反应使得阻挡层中的载流子的数量急剧增加,因而流过PN结的反向电流就急剧增大.因增长速度极快,象雪崩一样,所以这种碰撞电离称为雪崩击穿.在高掺杂的情况下，因耗尽层宽

4、度很小，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。 10解释增强型MOS场效应管的工作原理。 先看栅源短路的情况，VGS=0。当给D端加上相对于S的正向电压时，有电流从D流入S，该电流称为漏极电流ID。增大VDS会增加耗尽层的厚度，从而侵占更多的沟道，导致沟道越来越窄。随VDS进一步增大，耗尽层就约向沟道延伸，最终当VDS =VP（=5V）时，耗尽层在沟道D端附近连到一起。这是沟道被夹断，该电压称为夹断电压VP。此时电流达到饱和。14. 何谓极化？物质极化有哪几种机制，请分别解释。 在外电场的作用

5、下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩peel 离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。16举例说明电解电容器和薄膜电

6、容器的结构和工作原理，并说明这两种电容器的优缺点。电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成。容量大，容量误差大，泄漏电流大。 薄膜电容器以塑料薄膜为电介质。薄膜电容的容抗通常很高，频率响应范围广而且介质损耗很小。17磁性材料依据磁导率如何分类，请简要说明。 强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体） 18. 简要说明超导体的分类和特性。（第一类超导体和第二类超导体的磁化特性有何区

7、别？）第类：外加电场B小于临界场，处于迈斯纳态。第类：外加电场B小于下限临界场Bc1,处于迈斯纳态。特性：零电阻性，迈斯纳态效应，完全抗磁性，无限导电性。1.何谓超导现象？物体进入超导态的临界条件有哪些？超导态的基本特征有哪些？超导现象是物质呈现零电阻性并且出现迈斯纳效应的一种现象。临界温度 零电阻特性 完全抗磁性6.复介电常数有何物理意义？它与频率有何关系？实部表征了电介质的电荷存储能力其素不表征了由极化所引起的介质中的能量损耗，每单位体积内由电能转化为热能的损耗则可由虚部，通过公式E20r8.压电材料的机械品质因数代表什么？.机电耦合系数的意义是什么？机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时，为

8、了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数Qm的定义式是：=2 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反映。机电耦合系数的定义是： 或压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）；薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。12.LED发光有些什么特点？为什么

9、有的LED发光波长与温度有关？1）自发辐射光>LED谱线较宽 2）面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3）长波长光源谱宽比短光源宽温度对LED发光波长(光色)的影响 LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长。峰值波长即光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼所感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。 通常可将波长随结温的变化表示为式(2)：其中:表示结温时的波长(nm);表

10、示结温时的波长(nm);表示波长随温度变化的系数，一般在0.10.3nm/K之间;。15.物质按磁化率如何分类？是按磁化率的大小分内的。按磁化率的从小到大把物质分为 反磁体 顺磁体 铁磁体 反铁磁体 亚铁磁体16.什么是磁畴，铁磁物质的磁滞回线有那两种？磁畴是进体内的一个区域在该区域内所有自旋磁矩排列一致产生同一方向的磁矩。按照磁滞回线不同的形状，铁磁性物质大致可分为软磁材料和硬磁材料两类。软磁材料：磁滞回线狭长，剩磁及矫顽力都较小，磁滞现象不显著，磁性在没有外磁场时基本消失；磁滞回线的面积及磁滞损耗小，磁导率高。这类材有电工钢片（硅钢片）、铁镍合金、铸钢、铸铁、纯铁等，常用做电机、变压器铁芯

11、。硬磁材料：磁滞回线宽短（如图7.7所示），剩磁及矫顽力较大，适宜制作永久磁铁。常用的硬磁材料有铬、钨、钴、镍等的合金，如铬钢、钴钢、钨钢及铝镍硅等，以及一些磁滞回线近于矩形的材料如锰镁铁氧体和锂锰铁氧体，常用来制作高频开关元件的铁芯、存储器磁芯和磁鼓、磁带及磁盘等。17.什么是硬磁材料？什么是软磁材料？各有什么特点？列举几种典型的软磁和硬磁材料。 硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料常用的永磁材料主要具有4种磁特性： (1)高的最大磁能积。最大磁能积符号为(BH)m是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度； (2)高的矫顽(磁)力。

12、矫顽力符号为(H)c是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度； (3)高的剩余磁通密度(符号为Br)和高的剩余磁化强度(符号为Mr)。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度； (4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。(1)稀土永磁材料：这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料，为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。我国研制和生产的钕铁硼稀土合金永磁材料； (2)金属永磁材料：这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大

13、类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用； (3)铁氧体永磁材料：这是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广义)。其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波应用。如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等都有很多应用。 软磁：对于磁感应强度以及磁极化强度具有低矫顽性的磁性材料特点：软磁材料（soft magnetic ma

14、terial）具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等6.14输出波长的展宽与图6.47中的发射光子能量的展宽相关。发射光子能量和图6.47（c）中的半高强度点之间的光子能量展宽。证明在输出光谱中半高强度点之间的对应线宽是：。并计算300K条件下，在1550nm工作的光通信LED的光谱线宽是多少？解：首先考虑光子频率和波长之间的关系：这里h是光子能量，微分得到负号代表随着光子能量增加而波长减小。我们只对变化或者说展宽有兴趣，因此得到线宽这里，我们利用得出。带入和T=300K，计算15

15、50nm的LED线宽：= m 6.15考虑图6.54中的太阳能电池，所驱动的负载电阻为3。这个电池的面积是 3cm×3cm，辐照光强是700wm。计算电路中的电流和电压。计算电路传送给负载的功率，太阳能电池的效率以及太阳能电池的填充系数。 中负载的I_V特性就是式（6.69）中的负载线。即I=V/3。在途（6.54b）中划一条斜率1/3为的负载线。负载线与太阳能电池的I-V特性曲线的交点是I=157mA,V=0.475V，这正是图6.54（a）中光伏电路的电流和电压。因此交付给负载的功率是 太阳光的出入功率为效率为如果调节负载以太阳能电池提取最大功率，上述效率将会增加。但是，因为图6

16、.54（b）中的长方形面积IV已经十分接近最大值，因此效率的增加是有限的。既然图6.54(b中的P点已经接近最佳工作点，最大输出功率，长方形面积IV为最大，因此可以得到填充系数 6.16一个太阳能电池在500wm光照条件下的短路电流I是150mA，开路输出电压V是0.530V。当光照强度增大一倍时，短路电流和开路电压各是多少？假定=1.5，这是各种硅pn结的典型值。光照条件下太阳能电池的I-V特性由式（6.68）.开路条件下，令I=0； 假如    ，重新整理上面的公式可以得到： 光电流Iph依赖于光强 ，既=K，K是一个常数。因此在给定温度下

17、，的变化表示为短路电流即光电流，光强增加一倍，短路电流为假设，新的开路电压为：与光照和短路电流增加了100%相比，开路电压仅仅增加了5%7.3考虑纯Si晶体，=11.9A. 单个Si原子价电子的电子极化率是多少（如果我们可以将观察到的晶体极化分解到单个原子）？B. 假定Si晶体样品相对表面涂有电极并施加电压，则局域场比平均场大多少？C. 相应于的共振频率是多少？从Si晶体的密度，单位体积Si原子数N为5×m。a. 给点Si原子数，我们可以用克劳修斯莫索提方程算出：这大于具体有多电子的独立Ar原子的电子极化率。如果我们把Si原子的内层电子粗略看做Ne，我们可以认为总的电子极化率大致与N

18、e原子的相当，为b.局域场为但根据定义的P=将P代入:所以局域场关于施加场的比例为比例因子为4.63.7.6考虑表7.3中的三种电解质材料的介电常数和损耗因子tan。在给定电压时，哪种电介质在60Hz具有最低的单位电容功率消耗？1MHz是结果相同吗？在给定电压下，单位电容的功率损耗仅为tan决定，所以不需要考虑。计算tan或者2tan，得到的结果列在表中，60Hz时，聚碳酸酯最低，在1MHz硅橡胶最低。7.7计算交联聚乙烯，即XLPE（电缆线的典型绝缘材料）和氧化铝（薄膜、厚膜电子学的典型基底）由于介电损耗每立方厘米每秒钟产生的热量，频率为60Hz和1MHz，电场为100kV/cm。其性能列在

19、表7.4，你的结论是什么？解：单位体积功率损耗为可以分别代入电介质性能和给定频率计算，例如：XLPE在60Hz，转换到每立方厘米以类似的计算，可以得到到像表7.4所示的每立方厘米每秒钟产生的热量，在60Hz时发热最小。绝缘体及相连接的电极的热传导性可以消除热量而不会引起绝缘体温度的升高。在1MHz时，发热就不是轻微的。从1 cm3体积的XLPE须消除热量5.12W，从1cm3氧化铝必须移动走47.3W。XLPE的热导率0.33约为0.005W。cm-1.k-1,而氧化铝的热导率要高近100倍，为0.33 cm-1.k-1.聚乙烯很小的热导率意味着不能将5.12W热量有效抵消除，它将使绝缘体温度

20、升高直至发生电介质击穿，对氧化铝而言，47.3W的热量将使温度明显提高。介电损耗是微波炉加热食物的物理机制，高频下的节电加热在工业界也是用来加热塑料盒烘干木头。7.11考虑图7.29中的同轴电缆，a和b分别为内导体和外导体的半径。A. 采用高斯定律，找出同轴电缆的电容。B. 距线缆中心距离为r处的电场为多少？何处电场最强？C. 考虑两种介电绝缘材料：交联聚乙烯（XLPE)和硅橡胶，设内导体直径为5mm，绝缘层厚度为5mm，两种绝缘体上击穿电压是多少？D. 在内导体和绝缘体界面上的小气孔（可能在力和热的作用下形成）引发局部放电的典型电压是多少？假定常压0.1mm气隙的击穿电场是100kVcm。解：损耗峰在出现，所以现在我们可以计算在29kHz下实部和虚