固體物理復(fù)習(xí)簡述題

1、固體物理基本概念和知識點(diǎn)第一章 基本概念和知識點(diǎn)1) 什么是晶體、非晶體和多晶？(H)* 晶面有規(guī)則、對稱配置的固體，具有長程有序特點(diǎn)的固體稱為晶體；在凝結(jié)過程中不經(jīng)過結(jié)晶(即有序化)的階段，原子的排列為長程無序的固體稱為非晶體。由許許多多個大小在微米量級的晶粒組成的固體，稱為多晶。2) 什么是原胞和晶胞？(H)* 原胞是一個晶格最小的周期性單元，在有些情況下不能反應(yīng)晶格的對稱性；為了反應(yīng)晶格的對稱性，選取的較大的周期單元，稱為晶胞。3) 晶體共有幾種晶系和布拉伐格子？(H)* 按結(jié)構(gòu)劃分，晶體可分為7大晶系, 共14布拉伐格子。4) 立方晶系有幾種布拉伐格子？畫出相應(yīng)的格子。(H)* 立方晶

2、系有簡單立方、體心立方和面心立方三種布拉伐格子。5) 什么是簡單晶格和復(fù)式格子？分別舉3個簡單晶格和復(fù)式晶格的例子。(H)* 簡單晶格中，一個原胞只包含一個原子，所有的原子在幾何位置和化學(xué)性質(zhì)上是完全等價的。堿金屬具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)；Au、Ag和Cu具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，它們均為簡單晶格復(fù)式格子則包含兩種或兩種以上的等價原子，不同等價原子各自構(gòu)成相同的簡單晶格，復(fù)式格子由它們的子晶格相套而成。一種是不同原子或離子構(gòu)成的晶體，如：NaCl、CsCl、ZnS等；一種是相同原子但幾何位置不等價的原子構(gòu)成的晶體，如：具有金剛石結(jié)構(gòu)的C、Si、Ge等6) 鈦酸鋇是由幾個何種簡單晶格穿套形成的？(H)*

3、 在立方體的項角上是鋇(Ba)，鈦(Ti)位于體心，面心上是三組氧(O)。三組氧(OI，OII，OIII)周圍的情況各不相同，整個晶格是由 Ba、 Ti和 OI、 OII、 OIII各自組成的簡立方結(jié)構(gòu)子晶格(共5個)套構(gòu)而成的。7) 為什么金剛石是復(fù)式格子？金剛石原胞中有幾個原子？晶胞中有幾個原子？(H)* 金剛石中有兩種等價的C原子，即立方體中的8個頂角和6個面的中心的原子等價，體對角線1/4處的C原子等價。金剛石結(jié)構(gòu)由兩套完全等價的面心立方格子穿套構(gòu)成。金剛石屬于面心立方格子，原胞中有2個C原子，單胞中有8個C原子。第二章 基本概念和知識點(diǎn)1) 簡述離子性和共價性晶體結(jié)合的特點(diǎn)。(H)*

4、 離子性結(jié)合：正、負(fù)離子之間靠庫侖吸引力作用而相互靠近，當(dāng)靠近到一定程度時，由于泡利不相容原理，兩個離子的閉合殼層的電子云的交迭會產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力。當(dāng)排斥力和吸引力相互平衡時，形成穩(wěn)定的離子晶體；基本特點(diǎn)是以離子為結(jié)合的單位，且要求正負(fù)離子相間排列。共價性結(jié)合：共價結(jié)合是靠兩個原子各貢獻(xiàn)一個電子，形成所謂的共價鍵；兩個基本特征是飽和性和方向性。2) 簡述金屬性和范德瓦耳斯結(jié)合的特點(diǎn)。(H)* 金屬性結(jié)合：基本特點(diǎn)是電子的“共有化”，即在結(jié)合成晶體時，原來屬于各原子的價電子不再被束縛在原子上，而轉(zhuǎn)變?yōu)樵谡麄€晶體內(nèi)運(yùn)動；電子云和原子實之間存在庫侖作用，體積越小電子云密度越高，庫侖相互作用的庫侖能愈

5、低，表現(xiàn)了把原子聚合起來的作用。范德瓦耳斯性結(jié)合：惰性元素最外層的電子為8個，具有球?qū)ΨQ的穩(wěn)定封閉結(jié)構(gòu)。某一瞬時由于正、負(fù)電中心不重合而使原子呈現(xiàn)出瞬時偶極矩，這就會使其它原子產(chǎn)生感應(yīng)極矩。非極性分子晶體就是依靠這瞬時的電偶極矩的感應(yīng)作用而結(jié)合的。第三章 基本概念和知識點(diǎn)1) 什么是聲子？長光學(xué)波聲子又可以分為極化聲子和電磁聲子，它們的意義是什么？(HH)聲子是晶格振動的能量量子。在晶體中存在不同頻率振動的模式，稱為晶格振動，晶格振動能量可以用聲子來描述，聲子可以被激發(fā)，也可以湮滅。1分晶體中的長光學(xué)波是極化波，長光學(xué)波聲子稱為極化聲子（LO），只有長光學(xué)縱波才伴隨有宏觀的極化電場，極化聲子主

6、要是指縱光學(xué)聲子。 2分 長光學(xué)橫波并不伴隨著宏觀的、無旋的極化電場。長光學(xué)橫波可能伴隨著有旋的宏觀電場，會引起有旋的磁場，有旋的電場感生出有旋的磁場。長光學(xué)橫波聲子稱為電磁聲子（TO），長光學(xué)橫波具有電磁性，可以和光場發(fā)生耦合。 2分2) 什么是固體比熱的德拜模型？根據(jù)計算結(jié)果，說明為什么在低溫下德拜近似越好？(HH)德拜提出以連續(xù)介質(zhì)的彈性波來代表格波，將布喇菲晶格看作是各向同性的連續(xù)介質(zhì)，有1個縱波和2個獨(dú)立的橫波。 2分 計算結(jié)果表明低溫極限下：  與溫度的3次方成正比  德拜模型是將彈性波代替固體中的格波

7、，色散關(guān)系為，溫度愈低，只有長聲學(xué)格波被激發(fā)，因此德拜近似愈好，與實驗結(jié)果更好的吻合。 3分3) 簡述固體比熱的愛因斯坦模型？說明計算結(jié)果的意義。(H)* 假設(shè)有N個原子構(gòu)成的晶體，晶體中所有的原子以相同的頻率振動。計算結(jié)果表明溫度較高時： 與杜隆珀替定律一致。溫度非常低時：熱容量按溫度的指數(shù)形式降低，與實驗結(jié)果不符。愛因斯坦模型忽略了各格波的頻率差別。4) 寫出一維雙原子鏈的聲學(xué)波和光學(xué)波在布里淵區(qū)中心和邊界的色散關(guān)系，并畫出兩種格波相應(yīng)的色散關(guān)系譜圖。(H)* 聲學(xué)波：光學(xué)波：5) 如果原胞中有個原子，那么在晶體中有多少支聲學(xué)波和光學(xué)波？在長波極限下，聲學(xué)波和光學(xué)波描述的原子怎樣

8、的運(yùn)動？(HH)第四章 基本概念和知識點(diǎn)1) 布洛赫函數(shù)的意義是什么？寫出三維電子的布洛赫函數(shù)。(H)* 布洛赫定理：晶體中的勢場具有晶格周期性時，電子的波函數(shù)滿足： 為一矢量其意義是當(dāng)平移晶格矢量時，電子的波函數(shù)只增加了相位因子。電子的波函數(shù)： 布洛赫函數(shù)2) 根據(jù)能帶理論簡述金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電性。(H)金屬：電子在能帶中的填充可以形成不滿帶，即導(dǎo)帶，因此它們一般是導(dǎo)體半導(dǎo)體：從能帶結(jié)構(gòu)來看與絕緣體的相似，但半導(dǎo)體禁帶寬度較絕緣體的窄，依靠熱激發(fā)即可以將滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，因而具有導(dǎo)電能力。絕緣體：價電子剛好填滿了許可的能帶，形成滿帶。導(dǎo)帶和價帶之間存在一個很寬的禁帶，所以在電

9、場的作用下沒有電流產(chǎn)生。3) 簡述近自由電子近似模型、方法和所得到的主要結(jié)論。(HH)（見 第一個老師給的習(xí)題答案）4) 通過分析X射線發(fā)射譜，如何確定哪些是金屬，哪些是非金屬，說明譜圖的意義。(HH)5) 簡述緊束縛近似模型的思想和主要結(jié)論。(H)* 緊束縛模型：電子在一個原子(格點(diǎn))附近時，主要受到該原子勢場的作用，而將其它原子(格點(diǎn))勢場的作用看作是微擾，將晶體中電子的波函數(shù)近似看成原子軌道波函數(shù)的線性組合，得到原子能級和晶體中能帶之間的關(guān)系。結(jié)論：一個原子能級對應(yīng)一個能帶，不同的原子能級對應(yīng)不同的能帶。當(dāng)原子形成固體后，形成了一系列的能帶。內(nèi)層電子的軌道較小，原子之間內(nèi)層電子的波函數(shù)相

10、互重疊較少，對應(yīng)的能帶較窄。能量較高的能級對應(yīng)外層電子，其軌道較大，原子之間外層電子的波函數(shù)相互重疊較多，對應(yīng)的能帶較寬。6) 說明如何從原子的價電子數(shù)目來分析元素晶體的導(dǎo)電性？ (HH)每個原胞中價電子數(shù)是奇數(shù)的物質(zhì)，必定是導(dǎo)體。是偶數(shù)的物質(zhì)一般是絕緣體或半導(dǎo)體，但少數(shù)價帶和導(dǎo)帶存在交迭的情況下，也可能是導(dǎo)體或半金屬材料。第五章 基本概念和知識點(diǎn)1) 什么是空穴？為什么要引入空穴？(H)* 一個空的狀態(tài)的近滿帶中所有電子運(yùn)動形成的電流和一個帶正電荷，以狀態(tài)電子速度運(yùn)動的粒子所產(chǎn)生的電流相同。這個空狀態(tài)稱為空穴。引入空穴用來近滿帶的導(dǎo)電性質(zhì)（對于狀態(tài)空著的近滿帶，其總電流就如同一個具有正電荷e

11、的粒子，以空狀態(tài)的電子速度所產(chǎn)生的，這個空的狀態(tài)稱為空穴，空穴具有正有效質(zhì)量，位于滿帶頂附近，空穴是準(zhǔn)粒子）2) 將電子看作經(jīng)典粒子，速度和運(yùn)動方程是什么？什么情況下可將電子看作是準(zhǔn)經(jīng)典粒子？(HH)電子狀態(tài)變化基本公式： 電子的速度：只有當(dāng)自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原胞線度的情況下,才可以把電子看作是一個準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動 的粒子。3) 簡述導(dǎo)帶中的電子在外場作用下產(chǎn)生電流。(H)* 導(dǎo)帶中只有部分狀態(tài)被電子填充，外場的作用會使布里淵區(qū)的狀態(tài)分布發(fā)生變化。所有的電子狀態(tài)以相同的速度沿著電場的反方向運(yùn)動，但由于能帶是不滿帶，逆電場方向上運(yùn)動的電子較多，因此產(chǎn)生電流。4) 說明滿帶中的電子在外場作用下不產(chǎn)生電流的原

12、因。(H)*有外場 E 時， 所有的電子狀態(tài)以相同的速度沿著電場的反方向運(yùn)動。 在滿帶的情形中， 電子的運(yùn)動不改變布里淵區(qū)中電子的分布。所以在有外場作用的情形時，滿帶中的電子不產(chǎn)生宏觀的電流。5) 說明在導(dǎo)帶底和價帶頂附近，電子的能量具有什么特點(diǎn)？(HH)6) 簡述固體中電子的有效質(zhì)量的意義。(HH)有效質(zhì)量的物理意義：把晶體周期性勢場的作用概括到電子的有效質(zhì)量中去，使得在引入有效質(zhì)量之后，把晶體中電子準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動的加速度與外力聯(lián)系起來，就可把運(yùn)動復(fù)雜的晶體電子看作為簡單的自由電子引入有效質(zhì)量的用處：使討論晶體電子運(yùn)動時，問題變得很簡單，否則幾乎不可能。第六章 基本概念和知識點(diǎn)1) 從電子熱容量

13、子理論簡述金屬中的電子對固體熱容的貢獻(xiàn)。在量子理論中， 大多數(shù)電子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于費(fèi)密能量 ，由于受到泡利原理的限制不能參與熱激發(fā)， 只有在 附近約范圍內(nèi)電子參與熱激發(fā)， 對金屬的熱容量有貢獻(xiàn)。 計算結(jié)果表明電子的熱容量與溫度一次方成正比。為什么溫度較高時可以不考慮電子對固體熱容量的貢獻(xiàn)？在量子理論中， 大多數(shù)電子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于費(fèi)密能量 ，由于受到泡利原理的限制不能參與熱激發(fā)， 只有在 附近約范圍內(nèi)電子參與熱激發(fā)， 對金屬的熱容量有貢獻(xiàn)。 在一般溫度下， 晶格振動的熱容量要比電子的熱容量大得多；在溫度較高下，熱容量基本是一個常數(shù)。溫度較低時必須考慮電子對熱容量的貢獻(xiàn)？(HH)在低溫范圍下， 晶格

14、振動的熱容量按溫度的 3 次方趨于零， 而電子的熱容量與溫度 1 次方成正比，隨溫度下降變化比較緩慢，此時電子的熱容量可以和晶格振動的熱容量相比較，不能忽略。2) 為什么絕對零度時，金屬中的電子仍具有較高能量？(H)* 溫度時：電子的平均能量(平均動能)：，電子仍具有相當(dāng)大的平均能量。因為電子必須滿足泡利不相容原理，每個能量狀態(tài)上只能容許兩個自旋相反的電子。因此所有的電子不可能都填充在最低的能量狀態(tài)。3) 簡述研究金屬熱容量的意義，并以過渡元素具有較高的熱容量為例加以說明。(HH)許多金屬的基本性質(zhì)取決于能量在 附近的電子，電子的熱容量 與 成正比，由電子的熱容量可以獲得費(fèi)米面附近能態(tài)密度的信

15、息。過渡元素 Mn、 Fe、 Co 和 Ni 具有較高的電子熱容量， 反映了它們在費(fèi)米面附近具有較大的能態(tài)密度。過渡元素的特征是 d 殼層電子填充不滿，從能帶理論來分析，有未被電子填充滿的 d 能帶。由于原子的 d 態(tài)是比較靠內(nèi)的軌道，在形成晶體時相互重疊較小，因而產(chǎn)生較窄的能帶，加上的軌道是 5重簡并的，所以形成的 5 個能帶發(fā)生一定的重疊，使得 d 能帶具有特別大的能態(tài)密度。過渡金屬只是部分填充 d 能帶，所以費(fèi)密能級位于 d 能帶內(nèi)。4) 簡述金屬接觸電勢差的形成？ 兩塊不同的金屬 A 和 B 相互接觸，由于兩塊金屬的費(fèi)米能級不同，當(dāng)相互接觸時可以發(fā)生電子交換，電子從費(fèi)米能級較高的金屬流

16、向費(fèi)米能級較低的金屬，使一塊金屬的接觸面帶正電（電子流出的金屬）， 使另一塊金屬的接觸面帶負(fù)電（電子流入的金屬），當(dāng)兩塊金屬達(dá)到平衡后，具有相同的費(fèi)米能級，電子不再流動交換。因此在兩塊金屬中產(chǎn)生了接觸電勢差。經(jīng)典和量子理論得出的功函數(shù)的含義分別是什么？(HH)5) 什么是金屬的費(fèi)米面？采用近自由電子近似，在接近布里淵區(qū)邊界時，費(fèi)米面如何變化？(H)* 固體中的電子填充的最高能量稱為費(fèi)米能量。在狀態(tài)空間形成一個等能面，稱為費(fèi)米面。一般情況下，由于能帶的交疊，費(fèi)米面分布在幾個布里淵區(qū)，由若干個等能面組成。自由電子的費(fèi)米面是球面。在近自由電子近似模型中，費(fèi)米面在接近布里淵區(qū)時向外凸出。第七章 基本概

17、念和知識點(diǎn)1) 簡述N溝道晶體管的工作原理。(H)* 柵極電壓很小時，源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開，即使在SD之間施加一定的電壓，但由于SP和DP區(qū)構(gòu)成兩個反向PN結(jié)，因此只有微弱的PN反向結(jié)電流。如果柵極電壓達(dá)到或超過一定的閾值，在P型半導(dǎo)體和氧化物表面處形成反型層電子的濃度大于體內(nèi)空穴的濃度，反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來，此時在SD施加一個電壓，則會有明顯的電流產(chǎn)生。通過控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調(diào)制集成電路應(yīng)用。2) 什么是本征光吸收躍遷和電子空穴復(fù)合發(fā)光？半導(dǎo)體本征邊吸收光的波長為多少？(H)* 本征光吸收：光照可

18、以將價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，形成電子空穴對，這一過程稱為本征光吸收。電子空穴對復(fù)合發(fā)光是本征光吸收的逆過程，即導(dǎo)帶底部的電子躍遷到價帶頂部的空能級，發(fā)出能量約為帶隙寬度的光子。 本征光吸收光子的能量滿足：，長波極限： 本征吸收邊3) 簡述半導(dǎo)體本征激發(fā)的特點(diǎn)。(H)* 在足夠高的溫度時，由滿帶到導(dǎo)帶的電子激發(fā)(本征激發(fā))將是主要的。本征激發(fā)的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個電子同時將產(chǎn)生一個空穴: 有：由 ，其中為帶隙寬度。因為：，因此本征激發(fā)隨溫度變化更為陡峭。在這個范圍里，測量和分析載流子隨溫度的變化關(guān)系，可以確定帶隙寬度。4) 什么是非平衡載流子？(H)* 熱平衡下，半導(dǎo)體中導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴

19、有一定的分布，滿足：在外界的影響作用下，電子和空穴濃度偏離原來的平衡值，例如光激發(fā)誘導(dǎo)本征光吸收，產(chǎn)生電子空穴對。有： 稱為非平衡載流子5) 以在P型材料形成的PN結(jié)為例，簡述光生伏特效應(yīng)? 利用擴(kuò)散摻雜的方法， 在 P 型半導(dǎo)體的表面形成一個薄的 N 型層， 在光的照射下， 在 PN 結(jié)及其附近產(chǎn)生大量的電子和空穴對，在 PN 結(jié)附近一個擴(kuò)散長度內(nèi)，電子空穴對還沒有復(fù)合就有可能通過擴(kuò)散達(dá)到 PN 結(jié)的強(qiáng)電場區(qū)域（PN 結(jié)自建電場）， 電子將運(yùn)動到 N 型區(qū)， 空穴將運(yùn)動到 P 型區(qū)，使 N 區(qū)帶負(fù)電、 P 區(qū)帶正電，在上下電極產(chǎn)生電壓 光生伏特效應(yīng)。為什么采用異質(zhì)結(jié)可以提高太陽能電池的效率？

20、(HH)光子能量小于寬帶隙的 N 型層， 即 h < (Eg ) N ， 可以透過 N 型層， 在帶隙較窄的 P 型層被吸收。用同質(zhì) PN 結(jié)制作光電池，入射光的大部分在表面一層被吸收，由于表面缺陷引起的表面復(fù)合和高摻雜層中載流子壽命低等因素，使得一些電子空穴對不能到達(dá)強(qiáng)電場以前，就發(fā)生了復(fù)合，降低了太陽能電池的效率。 利用異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)，可以有效地減小電子空穴的復(fù)合率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。6) 簡述P型和N型半導(dǎo)體載流子的形成。(H)* 根據(jù)摻雜元素對導(dǎo)電的不同影響，雜質(zhì)態(tài)可分為兩種類型。雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級，能級略低于導(dǎo)帶底的能量，和價帶中的電子相比較，很容易激

21、發(fā)到導(dǎo)帶中，稱為電子載流子。主要含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，主要依靠施主熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子導(dǎo)電 N型半導(dǎo)體。雜質(zhì)提供帶隙中空的能級，電子由價帶激發(fā)到受主能級要比激發(fā)到導(dǎo)帶容易的多。主要含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，因價帶中的一些電子被激發(fā)到施主能級，而在價帶中產(chǎn)生許多空穴，主要依靠這些空穴導(dǎo)電 P型半導(dǎo)體。7) 簡述半導(dǎo)體中淺能級和深能級摻雜對半導(dǎo)體的導(dǎo)電有何影響？(HH)深能級：1) 可以成為有效復(fù)合中心，大大降低載流子的壽命； 2) 可以成為非輻射復(fù)合中心，影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率； 3) 可以作為補(bǔ)償雜質(zhì)，大大提高半導(dǎo)體材料的電阻率。8) 以在Ge半導(dǎo)體摻入As為例，簡述為什么類氫雜質(zhì)能級的施主能級位于導(dǎo)

22、帶附近？(HH)一個第IV族元素Ge（4 價元素）被一個第V族元素As（5 價元素）所取代的情形， As原子和近鄰的Ge原子形成共價鍵后尚剩余一個電子。因為共價鍵是一種相當(dāng)強(qiáng)的化學(xué)鍵，束縛在共價鍵上的電子能量很低， 從能帶的角度來說， 就是處于價帶中的電子。 多余一個電子受到As+離子靜電吸引， 其束縛作用是相當(dāng)微弱的，在能帶圖中，它位于帶隙之中， 且非常接近導(dǎo)帶底。這個電子只要吸收很小的能量，就可以從帶隙躍遷到導(dǎo)帶中成為電子載流子。9) 什么是直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體？結(jié)合電子躍遷滿足的能量和準(zhǔn)動量守恒關(guān)系予以說明。(HH)10) 根據(jù)不同摻雜的鍺樣品導(dǎo)電率隨溫度變化的結(jié)果和霍耳效應(yīng)測得電子濃度溫度的變化曲線，簡述材料中載流子的變化情況。(HH)題目補(bǔ)充：簡述題：1、簡述基本術(shù)語基元、格點(diǎn)、布拉菲格子?；航M成晶體的最小基本單元，整個晶體可以看成是基元的周期性重復(fù)排列構(gòu)成。格點(diǎn)：將基元抽象成一個代表點(diǎn)，該代表點(diǎn)位于各基元中等價的位置。布拉菲格子：格點(diǎn)在