材料物理性能复习资料

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1、材料物理性能复习资料一 电学1、 三种导电机理？经典自由电子理论、量子自由电子理论、能带理论（理论内容？答案 P129-P131）1、三种理论的主要特征连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动、不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动、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理论、量子自由电子理论和能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。2、材料四要素？组成、结构、工艺、性能2、 马基申定则及表达式？固溶体电阻率看成由金属基本电阻率 (T)和残余电阻率 残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导电规律称为马基申定律高温时金属的电阻率基本上取决于 (T)，而在

2、低温时取决于 残。 残为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻率。 残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常采用相对电阻率 (300K)/(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。 （晶体越纯、越完善，相对电阻率越大）1、化学缺陷物理缺陷？化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。2、材料产生电阻的本质？当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时 0，而 为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体

3、点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。3、三种散射机制？电子-电子、电子 -声子、电子 -杂质3、影响金属导电性（电阻）的因素1、温度对金属电阻的影响（用三种机制解释温度如何影响金属电阻？）：低温下“电子电子 ”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子声子” 散射。2、受力情况对金属电阻的影响：金属在压力的作用下，其原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，这必然会影响金属的导电性能。3、冷加工对金属电阻的影响：由于冷加工使晶体点

4、阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率。4、晶体缺陷对电阻的影响5、热处理(heat treatment)对金属电阻的影响6、几何尺寸对电阻的影响7、电阻率的各向异性8、试用三种机制解释温度对金属电阻的影响？4、 固溶体的分类？按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。1、固溶体的电阻与组元浓度的关系？在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低了 原因：纯组元间原子半径差所引起的晶体点阵畸变，增加了电子的散射，且原子半径差越大，固溶体的电阻也越大。这种合金化对电阻的影响还有

5、如下几方面： 一是杂质对理想晶体的局部破坏； 二是合金化对能带结构起了作用，移动费米面并改变了电子能态的密度和有效导电电子数； 三是合金化也影响弹性常数，因此点阵振动的声子谱要改变。2、四探针法测量原理？设有一均匀的半导体试样，其尺寸与探针间距相比可视为无限大，探针引入点电流源的电流强度为 I。因均匀导体内恒定电场的等位面为球面，故在半径为 r 处等位面的面积为2 r2，则电流密度为 j=I/2r2 。电场强度 E=j/ =j =I /2 r2,因此，距点电荷 r 处的电位为 V=I /2r 。公式为5、导体材料分类？晶体半导体、非晶半导体及有机半导体晶体半导体：又分为元素（单质）半导体、化合

6、物半导体、固溶体半导体；1、价电子共有化运动？在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用。在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子，而成为晶体中原子所共有2、四大量子数 每一量子数表示什么？主量子数 n、 它可以取非零的即 1，2，3 n。它决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，并且是决定电子能量高低的主要因素。角量子数 l（也称轨道角动量量子数）轨道角动量量子数决定原子轨道的形状。磁量子数 ml 磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向，但它与电子的能量无关。第四个量子数自旋角动量量子数用符号

7、 si 表示。它与 n、 l、 m 无关。电子本身还有自旋运动。自旋运动有两种相反方向3、半导体特点:电阻率( 在 10-3109m) 、禁带宽度 Eg 在 0.23.5eV,其电学性能总是介于金属导体(conductor)(109m ，Eg3.5eV)之间。具有负电阻温度系数。4、半导体中电子的能量状态能带：在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用。在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子，而成为晶体中原子所共有。5、本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。6、本征载流子的浓度：7、本征半导体的

8、导电机制？在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无电子，即无运动的电子，当温度升高或受光照射时，也就是半导体受到热激发时，共价键中的价电子由于从外界获得了能量，其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子。在能带图中，即一部分满带中的价电子获得了大于 Eg 的能量，跃迁到空带中去。这时空带中有了一部分能导电的电子，称为导带。而满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称价带。 （满带价带，空带导带，同时产生了自由电子和空穴）8、本征半导体的迁移率和电阻率？（定义）迁移率：但在外电场的作用下，电子将逆电场方向运动，空穴将顺电场方向运动，从而导电成为载流子。载流子定

9、向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度成正比。 这个比值即为迁移率。电阻率：单位电场下电流密度的倒数 1、本征半导体的电学特性？(1) 本征激发成对地产生自由电子和空穴,所以自由电子浓度和空穴浓度相等,都是等于本征载流子的浓度 ni。（2） ni 和 Eg 有近似反比关系，硅（1.11 eV)比锗(0.67eV)的 Eg 大，故硅比锗的 ni 小。（ 3） ni 与温度成近似正比，故温度升高时， ni 就增大。（4） ni 与原子密度相比时极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。8、N 型半导体（导电机制？能带结构图？）：由于自由电子的浓度大，故自由电子称为多数载流子（Majority

10、 carrier)，简称多子。9、P 型半导体（导电机制？能带结构图？）：受主杂质接受价电子产生空穴的作用，使空穴浓度大大提高，故空穴为多数载流子10、NP 型半导体的导电机制及能带示意图?N 型： 在本征半导体中掺入五价元素的杂质时，它的四个价电子与周围的四个硅（或锗）原子以共价键结合后，还余下一个价电子。这个价电子能级 ED( D: donor) 非常靠近导带底， （ECED）比 Eg 小得多。在常温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都具有大于（ECED）的能量，都可以进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子数比本征半导体显著地增多。把这种五价元素称为施主杂质（即能提供多余价电子）

11、，ED 为施主能级， （ECED）称为施主电离能。图 （书本 p82）P 型 ：在本征半导体中，掺入三价元素的杂质，就可以使晶体中空穴浓度大大增加。三价元素形成的允许价电子占有的能级 EA 非常靠近价带顶，即（E A-EV）远小于 Eg。在常温下，处于价带中的价电子都具有大于（EA-EV ）的能量，都可以进入 EA 能级。所以每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。这种三价元素称为受主杂质，EA 称为受主能级 ， （EA- EV）称为受主电离能。图 （书本 P83）6、N 型半导体和 P 型半导体统称为杂质半导体，与本征半导体相比，具有如下特征？（1（ 掺杂浓度与原子

12、密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。（2（ 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素（施主杂质）时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电1、PN 结阻挡层形成过程? （画示意图？）1、 载流子的浓度差引起载流子的扩散运动在 PN 结中，P 区中的空穴（多子）浓度远大于 N 区中的空穴（少子）浓度，同时，N 区中的自由电子（多子）浓度远大于 P 区中的自由电子（少子）浓度。即在 PN 结的两边，由于存在着载流子分布的浓度差，这就必然会引起载流子的扩散运动。P 区

13、中的空穴将向 N 区扩散，N 区中的电子将向 P 区扩散。2、 扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）在扩散运动进行之前，整个晶体中的任何一部分都是中性的，但随着多数载流子扩散运动的进行，在交界面附近的 P 区和 N 区的电中性状态被打破。由于 P区中的空穴扩散到了 N 区，故在交界面附近的 P 区中就只留下了带负电荷的受主杂质离子。同样，由于 N 区中的电子扩散到了 P 区，在交界面附近的 N 区就只留下了带正电荷的施主杂质离子。这些离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，于是在交界面处形成了一层很薄的空间电荷区。3、内电场使扩散与漂移达动态平衡PN 结特性 ： 单向导电性 加正向电压多子扩散 正向

14、电流较大 加反向电压 少子漂移 电流几乎不变化7、绝缘体主要的电性能：（电介质的四大基本常数）1、绝缘体的定义？对绝缘体的性能要求？电介质的四大性能和四大基本参数？指电阻率大于 109 用来限制电流使它按一定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料。 绝缘体的性能要求：（1）具有足够高的耐电强度，以经受住导体间的高电场。 （2）具有足够高的绝缘电阻，以防止跨越导体的漏泄电流。具有良好的耐电弧性，以防发生飞弧损坏。 （4）必须能在环境危害的条件下（度、湿度、辐射）保持其完整性。 （5）必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击。绝缘体主要的电性能：（电介质的四大基本常数）

15、 （1）介电常数； （电极化） （2）耐电强度； （击穿） （3）损耗因数； （介电损耗） （4）体积和表面的电阻率 （电导）2、电介质的定义及基本属性？电介质和金属导体对电场的影响有何不同？电介质的分类？电介质：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。基本属性：具有极化能力； 其中能够长期存在电场 金属以传导的方式来传递电的作用和影响。电介质以电极化方式来传递和记录电的影响。电介质按其分子中正负电荷的分布状况可分为：中性电介质：偶极电介质：离子型电介质 从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子和有极分子3、电介质极化的定义？简述介质极化的四种基本形式？四种极化形式极化时间

16、的大小关系？ 电介质极化：在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。介质极化的 4 种基本形式：电子位移极化在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。电子位移极化的形成过程很快，仅需 10-1410-16s 。它的极化是完全弹性的离子位移极化在离子晶体中，处于晶格结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化，又称离子位移极化。1、离子弹性位移极化：这种极化只存在于离子键构成的晶体中，且极化过程也很快，约 10-1210-13s 。2、离子松弛式位移极化：极化建立过程较长，约 10-210-5s 。固有电矩转向极化有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，而呈现