量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD分布。 ( )假定金属的逸出功φM大于半导体的逸出功φ S ,当形成MS结时,半导体中的电子会向金属中扩散,使金属表面带负电,半导体表面带正电,能带发生移动,形成新的费米能而达到平衡,不在有静电子的流动,形成了接触电位差,VMS = (φM - φ S)/e. 并在接触界面出现一个由半导体指向金属的内电场,阻碍载流子的继续扩散。也形成了耗尽层,能带向上弯曲,在金属与半导体两侧形成势垒高度稍有不同的肖特基势垒。这种MS结具有整流作用。当φM < φ S时,电子将有金属扩散流向半导体,在半导体一侧形成堆积层,这个是高导电区,成为反阻挡层(黑板图示)。能带向下弯曲,成为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要良好的欧姆接触。退磁的方法有哪些,同时请说明每一种方法退磁机制。磁滞回线的起点不是饱和点,而在饱和点以下时,H减小时,Mr和Hc减小,即磁滞回线变得短而窄,若施加的交变磁场幅值H趋于0时,则回线将成为趋于坐标原点的螺线,直至交变磁场的H =0,铁磁体将完全退磁。另外的方法:(1)加热法(2)敲击法(3)反向加磁场法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VD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VD 乘以电子电荷e(VDe)作用区-|||-P区 d-|||-N区 EF-|||-E。 EF E2-|||-hv1 eV-|||-o o o o EF-|||-EF E1-|||-图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构当给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EF+和EF-,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。作用区-|||-P区 d-|||-N区 EF-|||-E。 EF E2-|||-hv1 eV-|||-o o o o EF-|||-EF E1-|||-图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构作用区-|||-P区 d-|||-N区 EF-|||-E。 EF E2-|||-hv1 eV-|||-o o o o EF-|||-EF E1-|||-图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构如何控制下图栅压G的极性和数值,使 n沟道晶体管分别处于导通或者截止的状态,请详细说明控制的过程与原理。在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区,分别称为源区(S表示)和漏区(D表示)。通过控制栅压G的极性和数值,可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态:源、漏之间的电流将受到栅压的调制,这就是MOS晶体管工作原理的基础,利用这一性质做成的MOS集成电路是大规模集成电路中最重要的类型之一。画出基于光生伏特效应设计的太阳能电池吸收光能及产生电能的示意图,并阐明其运作过程。作用区-|||-P区 d-|||-N区 EF-|||-E。 EF E2-|||-hv1 eV-|||-o o o o EF-|||-EF E1-|||-图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构请阐述铁电体产生自发极化的物理机理。具有自发极化的晶体(极性)由于结构内正负电荷中心不相重合而存在固有电矩,当晶体温度变化时,发生热膨胀使晶体的自发极化的固有电矩发生改变,PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程(做出示意图辅助解释)(1)外加正向电压的情况(PN结正向注入) (2) 外加反向电压(PN结的反向抽取)介质极化的五个基本形式、概念及基本特点。1)电子式极化(电子位移极化):在E作用下,原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移,形成感应电矩而使介质极化的现象。 形成很快(10-14~10-16 s),是弹性可逆的,极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在,但只存在此种极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。2)离子式极化(离子位移极化):离子晶体中,除离子中的电子产生位移极化外,正负离子也在E作用下发生相对位移而引起的极化。又分为: a.离子弹性位移极化:在离子键构成的晶体中,离子间约束力很强,离子位移有限,极化过程很快( 10-12~10-13s),不消耗能量,可逆。3)偶极子极化(固有电矩的转向极化):有E时,偶极子有沿电场方向排列的趋势,而形成宏观电矩,形成的极化。所需时间较长(10-2~10-10s),不可逆,需消耗能量。4)空间电荷极化:有些电介质中,存在可移动的离子,在E作用下,正负离子分离所形成的极化。所需时间最长(10-2s)。阐述BaTiO3单晶在外电场作用下的极化反转过程。1)、一般在外电场作用下(人工极化),180°畴转向比较充分;同时由于“转向”时结构畸变小,内应力小,因而这种转向比较稳定。2)、而90°畴的转向时不充分的,对BaTiO3陶瓷, 90°畴只有13%;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90°畴电畴偏离极化方向,恢复原位。3)、大部分(主要是180°畴)则会停留在新转向的极化方向上(剩余极化)。金属Fe具有磁性的原因。顺磁体:原子内部存在永久磁矩,无外磁场,材料无规则的热运动使得材料没有磁性,当外磁场作用,每个原子的磁矩比较规则取向,物质显示弱磁场,这样的磁体称顺磁体。铁磁体:在较弱的磁场内,铁磁体也能够获得强的磁化强度,而且在外磁场移去,材料保留强的磁性。原因是强的内部交换作用,材料内部有强的内部交换场,原子的磁矩平行取向,在物质内部形成磁畴,这样的磁体称铁磁体。金属热膨胀:物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。内耗:对固体材料内在的能量损耗称为内耗。磁致伸缩效应:铁磁体在磁场中被磁化时,其形状和尺寸都会发生变化的现象。磁畴:指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。软磁材料:软铁被磁化后,磁性容易消失,称为软磁材料。亚铁磁体:磁体中存在大小不等反平行的自旋磁矩,磁矩大小部分抵消,因而磁体仍然可以自发磁化,类似于铁磁体。这种磁体称为亚铁磁体。磁畴结构:磁畴的形状、尺寸、磁壁的类型与厚度的总称。磁滞回线:当磁化磁场作周期的变化时,表示铁磁体中的磁感应强度与磁场强度关系的一条闭合曲线。对于一根具体的导线而言,影响它的导电因素有哪些?

答:对于一根具体的导线而言,导电过程分两部分,包括最外电子脱离正离子实和之后的在晶格中运行,所以,影响导电性包括这两部分的影响因素。

(1) 从导电定律关系式中可以看出一个电子的电荷是固定的数值,n有效决定于金属的晶体结构及能带结构,而电子自由运行时间或电子平均自由程则决定于在外电场作用下,电子运动过程中所受到的散射。

(2) 电子在金属中所受到的散射可用散射系数μ来表述。μ的来源有两方面,一是温度引起离子振动造成的μT,二是各种缺陷及杂质引起晶格畸变造成的μn。

μ=μT+μn

相应地电阻为:ρ=ρT+ρn

(3) 由温度造成的晶格动畸变和由缺陷造成的晶格静畸变,两者都会引起金属电阻率增大。

什么是西贝克(Seeback)效应?它是哪种材料的基础?

答:西贝克效应是由于温差产生的热电现象,即温差电动势效应——广义地,在半导体材料中,温度和电动势可以互相产生。实际上是材料的热和电之间转化,可以指导人们在热电之间建立相互联系,是热电材料的基础。

简述导温系数(又称热扩散系数)α的物理意义及其量纲?

答:物理意义:表示温度变化的速率。

量纲:m2/s。

技术磁化过程分为哪几个阶段?各个技术磁化阶段的特点是什么?

答:第一部分(OA)是可逆磁化过程:可逆是指磁场减少到零时,M沿原曲线减少到零,在可逆磁化阶段,磁化曲线是线性的,没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中,此阶段以可逆壁移为主。

第二部分(AB)是不可逆磁化阶段:此阶段内,M随磁化场急剧地增加,M与H曲线不再是线性。此阶段中,若把磁场减少到零,M不再沿原曲线减少到零,而出现剩磁,这种现象成为磁滞,巴克豪森指出,这一阶段由许多M的跳跃性变化组成,是畴壁的不可逆跳跃引起的。

第三部分(BC)是磁化矢量的转动过程:第二阶段结束后,畴壁消失,整个铁磁体成为一个单畴体,但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大,磁矩逐渐转动到与外磁场一致的方向,当磁化到S点时,磁体已磁化到技术饱和,这时的磁化强度称饱和磁化强度Ms。

第四部分自C点以后,M-H曲线已近似于水平线,而M-H曲线大体上成为直线,自C点继续增大外磁,Ms还稍有增加,这一过程称为顺磁磁化过程。

分子场的本质是什么?在铁磁体中起什么作用?

答:分子场的本质:分子场的性质不是磁场,量子力学告诉我们,分子场来源于相邻原子中电子间的交换作用,它导致了磁有序。从本质上讲,这是属于静电作用。

在铁磁体中的作用:铁磁物质内部存在很强的“分子场”,它使原子磁矩同向平行排列,即自发磁化到饱和;铁磁体的自发磁化分成若干磁畴,由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致,所以大块磁体对外不显示磁性。

简述经典自由电子气模型和量子自由电子气模型的特点?

答:经典自由电子气模型:金属(已结晶的)由原子点阵(晶格)构成,价电子(最外层电子)是完全自由的,可以在整个金属中自由运动,就像气体分子能在一个容器内自由运动一样,故可以把价电子看成“自由电子气”,这些自由电子在晶格中的运动就像气体在容器中的运动一样(但不能脱离“容器”,即晶格)。

自由电子的运动遵循经典力学的运动规律,遵循气体分子运动论。这些电子在一般情况下(没有外场的作用下)可沿所有方向运动,但在电场作用下由于静电相互作用,将逆着电场方向运动,从而使金属中产生电流(即:电子的定向运动)。

电子与带正电的离子(由于价电子脱离原来的原子)的碰撞(也叫散射)妨碍电子的被无限加速,从而形成电阻。

量子自由电子论:

量子自由电子论用量子力学观点来研究在金属的大量原子集合体中的价电子分布问题。

量子自由电子论的基本观点是:金属正离子(离子实)所形成的势场各处都是均价的;价电子是共有化的,他们不束缚于某个原子上,可以在整个金属内自由地运动,电子之间没有相互作用,电子运动服从量子力学原理。

量子自由电子论与经典自由电子论的主要区别在于电子运动服从量子力学原理。

简述非过渡族金属的电阻—温度关系,并说明原因。

答:理想晶体

温度对金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格热振动造成电子波的散射,而使电阻率随温度的升高而增加。在绝对零度下,纯净又无缺陷的金属(完整的晶格),其电阻率等于零。随温度的升高金属的电阻率也在增加。

有缺陷的晶体

实验表明,对于普遍非过渡金属θD一般不超过500K,当T>2/3θD时,线性关系已足够正确,即在室温和更高一些温度都可写成:ρT= ρ 0(1+αT),α为电阻温度系数。

在低温下决定于“电子-电子”散射的电阻可能占优势,这是由于在此低温下决定于声子散射的电阻大大减弱的缘故(低温下晶格振动大大减弱),这时的电阻与温度的平方成正比,即ρ电-电∝αT2,普通非过渡金属的电阻与温度的关系示于右图。

即:存在如下关系:

1-ρ电-声 ∝ T(T>>θD)

2-ρ电-声 ∝ T5(T<<θD)

3-ρ电-电 ∝ T2(T≈2K)

说明物质的抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性及亚铁磁性之间的异同点?

答:在五种磁性物质中,只有抗磁性物质没有永久性的离子(或原子)磁矩,其他四种都有永久性的离子(或原子)磁矩,但它们的磁性行为又不相同。除了磁化率不相同以外,最主要的是它们的磁结构各不相同:

(1) 顺磁性物质的原子磁矩混乱取向,处于磁无序状态;

(2) 铁磁性物质由于静电交换作用,在一定范围内相邻原子磁矩平行取向;

(3) 在反铁磁性物质内部,相邻原子磁矩反平行排列,反铁磁性物质仅在某一临界温度下存在,此临界温度称为奈耳温度TN,加热到TN以上,反铁磁性转变为顺磁性或其它磁性;

(4) 亚铁磁性仅在化合物或合金中存在,它由磁矩大小不同的两套方向相反的铁磁性交错排列组成,即μA≠μB,相同磁性的离子磁矩同向平行排列,而不同磁性的离子磁矩是另一个相反方向的平行排列。

分析物质的抗磁性、顺磁性、反铁磁性及亚铁磁性与温度之间的关系?

答:(1) 抗磁性是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的,与温度无关,或随温度变化很小。

(2) 根据顺磁磁化率与温度的关系,可以把顺磁体分为三类,一是正常顺磁体,其原子磁化率与温度成反比;二是磁化率与温度无关的顺磁体;三是存在反铁磁体转变的顺磁体,当温度高于一定的转变温度TN时,它们和正常顺磁体一样服从局里-外斯定律,当温度低于TN时,它们的原子磁化率随着温度下降而减小,当T→0K时,磁化率趋于常数。

(3) 反铁磁性物质的原子磁化率在温度很高时很小,随着温度逐渐降低,磁化率逐渐增大,温度降至某一温度TN时,磁化率升至最大值;再降低温度,磁化率又减小。

(4 ) 亚铁磁性物质的原子磁化率随温度的升高而逐渐降低。

简述热性能的物理本质和热稳定性。

答:热性能的物理本质:晶格的热震动即质点围绕平衡位置作微小震动。

热稳定性:材料在温度急剧变化而不被破坏的能力,也被称为抗热震性。

导电材料中的载流子有哪些?

答:电子;离子;空位。

有哪些缺陷均会使金属电阻率增加?

答:空位;位错;间隙原子以及它们的组合。

原子核外电子排布的规则是什么?

答:泡里不相容原理;能量最低原理;洪特规则。

磁畴形成的两个条件有哪些?

答:(1) 原子中必须有未填满电子的内层,因而存在未被抵消的自旋磁矩。

(2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3,即a/r>3。

影响金属材料热导率的因素?

答:温度,原子结构,合金的成分和晶体结构,气孔率。

影响金属材料的弹性模量的主要因素?

答:金属材料原子结构;金属的点阵结构。

引起金属内耗的因素?

答:

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