電子信息材料課后題

1、電子信息材料課后習(xí)題總結(jié)第一章1、簡述集成電路芯片的制造流程：答：原料的制備與提純；單晶硅錠及硅片的制造；光刻與圖形轉(zhuǎn)移；摻雜與擴散；薄層沉積;互聯(lián)與封裝。2、簡述動態(tài)隨機存取存儲器與靜態(tài)隨機存儲器的異同點：答：相同點:都屬于半導(dǎo)體存儲材料，二者都是可讀可寫的隨機存儲器；不同點：靜態(tài)隨機存儲器的存儲單元是由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成（由若干個MOS晶體管組成），在沒有外接觸發(fā)信號作用時觸發(fā)器狀態(tài)穩(wěn)定，只要不斷電即可長期保存所寫入的信息；動態(tài)隨機存儲器的存儲單元是利用MOS管的柵極電容對電荷的暫存作用來存儲信息的，為了保存好信息需要不斷地刷新操作，定期給柵極電容不充電荷。3、何為信息存儲材料，簡述其存儲機

2、理。答：信息存儲材料是指用于各種存儲器的一些能夠用來記錄和存儲信息的材料。存儲機理：這種材料在一定強度的外場的作用下會發(fā)生從某種狀態(tài)到另一種的突變，并能在變化后的狀態(tài)保持比較長的時間，而且材料的某些物理性質(zhì)在狀態(tài)變化前后有很大差別，因此，通過測量存儲材料狀態(tài)變化前后的這些物理性質(zhì)，數(shù)字存儲系統(tǒng)就能區(qū)別材料的這兩種狀態(tài)并用0和1 來表示它們，從而實現(xiàn)存儲。4：常用的襯底材料有哪些？比較其各自的優(yōu)缺點。答：(1)Si材料: 優(yōu)點：Si元素存儲量豐富，無毒，具有較寬的能帶間隙，制造成本低；缺點：硅單晶片的內(nèi)部及表面微缺陷不易消除；（2）GeSi材料：載流子遷移率高，能帶和禁帶寬度可調(diào)，且與硅的兼容性

3、好，利用這種材料可以運用能帶工程和異質(zhì)結(jié)合技術(shù)來提高半導(dǎo)體器件的功能。（3）SOI材料：優(yōu)點：高速、低壓、低功耗、耐高溫、短溝道效應(yīng)小，抗干擾和抗輻射能力強，徹底消除體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)。缺點：材料生長技術(shù)復(fù)雜，成本較高。（4）GaN材料：優(yōu)點：具有很高的電子飽和速度，擊穿場強大，禁帶寬度大，具有極高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。缺點：體單晶制備困難，而且不易找到性能好和價格低的襯底材料。第二章2、介電陶瓷的用途有哪些？目前最具活力的是什么？將來可能的研究熱點有哪些？答：（1）I類陶瓷介質(zhì)主要用于制造高頻電路中使用的陶瓷介質(zhì)電容器；類陶瓷介質(zhì)主要用于制造低頻電路中使用的陶瓷介質(zhì)電容器；類

4、陶瓷介質(zhì)主要用于制造汽車、電子計算機等電路中要求體積非常小的陶瓷介質(zhì)電容器。 （2）目前最具活力的是微波介電陶瓷。 （3）將來可能的研究熱點：厚膜混合集成電路技術(shù)、MCM多層基板、低溫共燒陶瓷技術(shù)、多層陶瓷電容器、微波陶瓷元器件的凝膠注模成型工藝、微波介質(zhì)陶瓷薄膜。3、現(xiàn)用TiO2來制備半導(dǎo)體電容器，設(shè)計0.5cm厚，直徑2cm的柱形電容器，其電容量大概有多少？如何不改變材料而進一步提高其電容量大??？答：假設(shè)TiO2為金紅石型，取其介電常數(shù)=180F/m，則其電容C=180×=2866.24C. 由公式C=得，不改變材料，即不變，要想提高電容C，則可以增大電容器直徑或減小厚度. 4、

5、BaTiO3室溫下是良好的絕緣體，v=1012.cm，在直流100V電壓下，用BaTiO3制造的1cm厚的元器件其介質(zhì)損耗為多少？ 答：單位體積內(nèi)的損耗功率p=/=/，帶入數(shù)據(jù)，求得p=w.第三章1、何為壓電效應(yīng)？那類晶體才可能具有壓電效應(yīng)？圖示說明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因（照片）答：某些電介質(zhì)晶體通過外加機械作用使晶體極化，導(dǎo)致介質(zhì)兩端面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度與外力成反比，由于機械力的作用而使晶體表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，反之，在晶體上施加電場，將產(chǎn)生與電場強度成正比的應(yīng)變或者機械應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，這兩種效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。不具有對稱中心的不導(dǎo)電（或者半導(dǎo)電）的離

6、子晶體或者由離子團組成的分子晶體可能具有壓電效應(yīng)。2、熱釋電效應(yīng)是什么？熱釋電晶體與壓電晶體有何異同？答：由于溫度的變化而使某些晶體的自發(fā)極化改變的現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)。 相同點：具有中心對稱的晶體不可能產(chǎn)生這兩種效應(yīng)；都是要求晶體不導(dǎo)電（介電體）。 不同點：壓電效應(yīng)不要求晶體有自發(fā)極化，而自發(fā)極化是熱釋電效應(yīng)的必要條件；發(fā)生這兩種效應(yīng)的晶體點群不同； 對于熱釋電晶體僅當(dāng)存在與其他軸都不相同的極軸時才發(fā)生，二壓電效應(yīng)只要是中心不對稱的晶體都有可能發(fā)生； 機械力可沿著某一方向作用而引起總電矩的變化，而晶體均勻受熱時在各個方向等量膨脹總電矩不會發(fā)生變化。3：什么是鐵電性？解釋電滯回線的形成過程。答：

7、在熱釋電晶體中，有些晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化強度可以因外場的反向而反向，這種性質(zhì)稱為鐵電性。4、壓電材料的機械品質(zhì)因數(shù)代表了什么？答：機械品質(zhì)因數(shù)是描述壓電材料機械振動時，內(nèi)部能量消耗程度的參數(shù)，這種能量消耗的原因主要在于內(nèi)耗；機械品質(zhì)因數(shù)越大，能量損失越小。5、壓電陶瓷與壓電晶體相比有何優(yōu)點？介紹其應(yīng)用情況。答：制造容易，可做成各種情況；可以任意選擇極化軸方向；易于調(diào)控陶瓷的組分而得到各種性能的材料；成本低，適于大量生產(chǎn)。 主要應(yīng)用于制造超聲、水聲、電聲換能器，陶瓷濾波器，陶瓷變壓器以及點火、引發(fā)裝置等。此外還可用壓電陶瓷制作表面波器件、電光器件和熱釋電探測器等。6

8、、PZT陶瓷的改性方法有哪些？并敘述不同改性方法的效果。答：PZT陶瓷的改性主要是通過離子置換形成固溶體或添加少量雜質(zhì)，以獲得所需要的性能。（1）以等價離子置換Pb2+或（Zr,Ti）4+以形成固溶體； 能一定程度上抑制鉛揮發(fā)，促進材料致密化。（2）添加不等價離子化合物（施主添加物“軟性”壓電陶瓷、受主添加物“硬性”壓電陶瓷、變價化合物PZT性能介于軟性和硬性之間）。（3）鋯酸鉛鋯鈦酸鉛ABO3多元系壓電陶瓷，獲得致密度高的均勻陶瓷體提高各項參數(shù)。第四章1、半導(dǎo)體氣敏傳感器有哪幾種類型？其各自特點是什么？答：（1）電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器1）燒結(jié)型：制作方法簡單，器件壽命長，但機械強度不高，電極

9、材料較貴重，電性能較差；2）薄膜型：制作方法簡單，氣敏性好，但這種薄膜為物理附著，器件間性能差異較大； 3）厚膜型：元件離散度小，機械強度高，適合大批量生產(chǎn)。（2）非電阻型氣敏器件：制造工藝成熟，便于器件集成化，性能穩(wěn)定且價格便宜。2、簡述氣敏元件的工作原理，為什么大多數(shù)氣敏器件都附有加熱器？答：以常用的半導(dǎo)體氣敏傳感器為例說明其工作原理：利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值發(fā)生變化從而檢測氣體類別，濃度和成分。 附有加熱器是用以將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高期間的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200-400攝氏度。3、如何提高半導(dǎo)

10、體氣敏傳感器對氣體的選擇性和氣體檢驗靈敏度？答：對氣敏材料選擇合適的制備方法；材料薄膜化；在氣敏材料中摻入合適的雜質(zhì)（貴金屬或者金屬氧化物）或者制成復(fù)合材料；選擇合適的燒結(jié)溫度和工作溫度以獲得最佳的氣敏性能；元件的林敏度隨著被測試氣體濃度的增加而增加，故適當(dāng)?shù)奶岣弑粶y氣體濃度；第五章1、簡述電池的工作原理，舉例比較幾種化學(xué)電池。答：工作原理：（1）組成電池的兩個電極進行氧化還原反應(yīng)“共軛”產(chǎn)生，并且分別在兩個分開的區(qū)域進行；（2）兩個電極的活性物質(zhì)進行氧化還原反應(yīng)時，所需的電子必須有外電路傳遞；（3）反應(yīng)自發(fā)進行；（4）兩電極間有電解質(zhì)提供電池內(nèi)部離子導(dǎo)電。 分類：（1）一次性電池：小型、攜帶

11、方便，放電電流不大 （2）二次性電池：充放電能反復(fù)多次循環(huán)使用 （3）儲備電池：使用前處于惰性狀態(tài)，使用時注入電解質(zhì)使電池激活 （4）燃料電池：電池本身是載體，連續(xù)注入活性物質(zhì)而長期不斷放電2、鎳氫電池電極材料選擇的依據(jù)及主要的應(yīng)用現(xiàn)狀。答：正極材料：采用Ni(OH)2,改善球形Ni(OH)2的形狀、化學(xué)組成、粒度分布、結(jié)構(gòu)缺陷和表面活性等，用以進一步提高材料的振實密度、放電容量及循環(huán)穩(wěn)定性等。負(fù)極材料：滿足以下條件：1）電化學(xué)儲氫容量高，在較寬的溫度范圍不發(fā)生太大的變化：2）在氫的陽極氧化電位范圍內(nèi)，儲氫合金具有較強的抗陽極氧化能力；3）在堿性電解質(zhì)溶液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定；4）反復(fù)

12、充放電過程中合金不易分化，制成的電極能保持形狀穩(wěn)定；5）合金應(yīng)有良好的電和熱的傳導(dǎo)性；6）原材料成本低廉。應(yīng)用現(xiàn)狀：已用于家用電器、通信衛(wèi)星和各種航天器上，如哈勃望遠鏡和載人空間站，商用NH-Ni電池用量最大領(lǐng)域仍是手機和筆記本電腦。3、對比分析鋰離子電池相比其他電池的主要優(yōu)缺點。答：優(yōu)點：1）工作電壓高2）能量密度高3）安全性能好，循環(huán)壽命長4）無記憶效應(yīng)5）自放電小6）工作環(huán)境溫度范圍寬7）對環(huán)境無污染缺點：1）成本高2）必須有特殊的保護電路，以防止過充3）工作電壓變化較大4、試分析燃料電池的電催化原理。 答：燃料電池的基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)，在電池的負(fù)極上進行的是燃料的氧化過程

13、，而正極上進行的是氧化劑的還原過程，燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能通過兩電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，在電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時就可向外供電。燃料電池的基本反應(yīng)是氫的氧化和氧的還原，由于氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)的過電位都較高，因此，不管是直接的或間接的燃料電池，都必須在電極上添加一定量的電催化劑，才能加速電極反應(yīng)。5、比較燃料電池不同體系的特點及應(yīng)用。答：（1）磷酸型燃料電池：在電池壽命、燃料和氧化劑中雜質(zhì)的可允許度、成本和可制造性等方面兼顧的最好，但熱電效率低，需要較昂貴的催化劑，不適于作移動動力源。主要應(yīng)用于不停電電源

14、系統(tǒng)，如計算機和醫(yī)院等。2）熔融碳酸鹽型燃料電池：發(fā)電效率高，燃料煤來源充分，投資低，空氣污染小，無熱污染，不需冷卻水，無噪聲，占地面積小；但碳酸鹽的高腐蝕性、鎳的蠕變、氣體泄漏等均會使電池壽命變短。主要應(yīng)用于電站。3）固體氧化物型燃料電池：燃料適應(yīng)性強、無漏液腐蝕、不需要貴金屬催化劑、規(guī)模和安裝地點靈活。主要應(yīng)用于發(fā)電、熱電聯(lián)供、交通、空間宇航。4）質(zhì)子交換膜型燃料電池：工藝結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)投入少，可在室溫下快速起動運行，安全可靠，系統(tǒng)規(guī)?？烧{(diào)，比功率高。主要用于可移動電源和電動車輛。5）堿性燃料電池：工作溫度低，需用高性能催化劑，制造成本高，主要用于少數(shù)特定場合如宇航、海洋等。第六章1、何謂

15、磁電阻效應(yīng)？磁電阻效應(yīng)包括哪些種類？答：在通有電流的金屬或半導(dǎo)體上施加磁場時，其電阻值將發(fā)生明顯的變化這種效應(yīng)稱為MR效應(yīng)。包括正常磁電阻和反常磁電阻效應(yīng)。2、何謂自旋霍爾效應(yīng)？自旋霍爾效應(yīng)與經(jīng)典霍爾效應(yīng)有何異同？答：在外加電場中，材料中自旋向上的電子和自旋向下的的電子由于各自形成的磁場方向相反，會各自向相反地兩邊堆積，這就是自旋霍爾效應(yīng)SHE；相同點：在外加場中，電子都偏離原來的運動軌跡；在樣品兩側(cè)產(chǎn)生電荷（自旋）積累； 不同點：經(jīng)典是在導(dǎo)體或者半導(dǎo)體中通有電流并在垂直于電流方向外加磁場；而自旋是外加電場，由于電子的自旋運動產(chǎn)生方向相反的磁場；經(jīng)典的本質(zhì)是運動的載流子在磁場中受到洛倫茲力的作

16、用而橫向運動，產(chǎn)生電壓；自旋是自旋磁矩的流動而產(chǎn)生自旋積累并沒有靜的電荷流動。3、何謂金屬超晶格巨磁電阻效應(yīng)？其實現(xiàn)條件及特點是什么？答：金屬超晶格巨磁電阻效應(yīng)是指在金屬多層膜中的超晶格薄膜的電阻率在有外磁場作用時較無外磁場時發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。條件：在鐵磁性導(dǎo)體/非磁性導(dǎo)體超晶格中，構(gòu)成反平行自旋（零磁場），體系磁狀態(tài)可以在外磁場作用下發(fā)生改變；金屬超晶格周期硬幣載流子的平均自由程短；自旋取向不同的兩種電子在磁性原子上的散射差別必須很大。特點：電阻變化率大；隨著磁場增強，電阻只是減小而不增加；電阻變化與磁化強度磁場間所形成的角度無關(guān)；GMR效應(yīng)對于非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度十分敏感；具有積層數(shù)效

17、應(yīng)。4、自旋閥的原理結(jié)構(gòu)、特點及結(jié)構(gòu)形式分別是什么？答：自旋閥的結(jié)構(gòu)形式有：頂自旋閥和底自旋閥，不同鐵磁層自旋閥，界面工程自旋閥，對稱性自旋閥，不同矯頑力自旋閥。原理結(jié)構(gòu)：1）釘扎型自旋閥：FM1/NM/FM2/AF，兩個鐵磁層FM1和FM2被叫后的非鐵磁層NM隔開，因而使FM1與FM2之間幾乎沒有交換耦合，F(xiàn)M1稱為自由層，F(xiàn)M2稱為被釘扎層，其磁矩被相鄰反鐵磁層AF的交換耦合引起的單向各向異性偏場所釘扎； 2）非軋頂型自旋閥：用非磁層將具有不同矯頑力的兩個鐵磁層分開。 特點：磁電阻率可對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場??；電阻隨磁場變化迅速，操作磁通小，靈敏度高；利用

18、層間轉(zhuǎn)動磁化過程能有效抑制Barkhausen 噪聲，信噪比高。5、顆粒膜巨磁電阻效應(yīng)機制及影響因素是什么？答：顆粒膜巨磁電阻效應(yīng)起源于自旋相關(guān)的雜質(zhì)離子的散射，主要是磁性顆粒膜與非磁性金屬介質(zhì)之間的的界面散射和磁性顆粒本身之間的相互散射； 影響因素：顆粒膜越不均勻，相分離越徹底，GMR效應(yīng)越明顯；一定成分，顆粒越小，GMR效應(yīng)越明顯，故影響顆粒分布、尺寸和形態(tài)的因素像：化學(xué)成分、退火方式、顆粒間相互作用、沉積條件、不同制備方法、薄膜厚度等都會影響合理的尺寸或顆粒間距進而影響電子運輸?shù)淖孕嚓P(guān)散射和GMR效應(yīng)。6、簡述隧道磁電效應(yīng)的理論解釋。答：Julliere理論：自旋磁化率是決定隧道結(jié)磁電

19、阻的基本量，得到隧道結(jié)磁電阻的最大值；Slonczewski理論：表達了磁電阻和磁化強度之間夾角的余弦變化關(guān)系，認(rèn)為方勢壘的高度將嚴(yán)重影響鐵磁金屬和絕緣層界面處電子的自旋方向以及鐵磁層的交換耦合，勢壘高度嚴(yán)重影響穿過FM-I界面的電子的極化率。7：簡述錳氧化合物龐磁電阻效應(yīng)物理機制。答：1）雙交換作用2）極化電子理論3）楊泰勒畸變（三種改變Mn-O鍵長的模式：呼吸模式；基平面模式；八面體伸縮模式）8：自旋注入有哪些？列舉常見的稀磁半導(dǎo)體并簡述其優(yōu)點。答：歐姆接觸自旋注入；隧道注入（彈道電子注入）；熱電子注入；自旋檢測（光學(xué)和電學(xué)兩種檢測方法）。 在半導(dǎo)體中摻入磁性離子來代替非磁性半導(dǎo)體中的離子

20、所形成的一類新型半導(dǎo)體材料。 DMS應(yīng)用于自旋電子器件的優(yōu)點：體積??；速度快；能耗低；非易失性（當(dāng)磁場去掉后自旋狀態(tài)不會改變）9：簡述自旋電子材料的典型應(yīng)用。答：磁電阻傳感器（利用AMR效應(yīng)）；磁電阻硬盤磁頭（MR磁頭）；磁電阻隨機存儲器第七章1：簡述激光的發(fā)光原理及其特點。答：原理：受激輻射（入射一個受記輻射的光子可使處于亞穩(wěn)態(tài)的原子發(fā)出與誘發(fā)光子完全相同的兩個光子，不僅頻率相同而且發(fā)射方向，偏振方向以及光波的相位都完全一樣，即受記輻射可以使光放大）在光學(xué)共振腔中發(fā)生而持續(xù)發(fā)出大量光子的過程中產(chǎn)生激光。特點：定向發(fā)光；亮度極高；顏色極純；能量密度大；2：簡述固體激光材料的基本類型和性能要求。

21、答：以電激勵為主半導(dǎo)體激光材料和通過分立發(fā)光中心吸收光泵能量后轉(zhuǎn)換成激光輸出的材料，具體包括：晶體激光材料（要求：熒光線寬適當(dāng)；熒光壽命合適；熒光量子效率、能太轉(zhuǎn)換效率、激發(fā)帶寬度、吸收系數(shù)均要盡量大；震蕩波長大；基質(zhì)內(nèi)部損耗小；良好的物理化學(xué)性能；能及結(jié)構(gòu)以四能級最佳；晶體長度足夠），玻璃激光材料（要求：激活離子的受激發(fā)射截面要大；高量子效率；非線性折射率低；熱光穩(wěn)定；光學(xué)透過性好，光照穩(wěn)定；具有良好的機械虎穴物理性能），陶瓷激光材料（要求：陶瓷要具有透明性）。3：簡述半導(dǎo)體發(fā)光二級管的工作原理及對材料的要求。答：工作原理：當(dāng)PN結(jié)耗盡層中的載流子電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光。 材料要求：

22、要有適量的帶隙寬度Eg；要獲得高電導(dǎo)率的P型和N型晶體，以制備優(yōu)良的PN結(jié)；要獲得完整性好的優(yōu)良晶體；復(fù)合發(fā)光幾率大。4：半導(dǎo)體激光二極管和半導(dǎo)體發(fā)光二級管的區(qū)別。答：1）工作原理和結(jié)構(gòu)不同；2）：半導(dǎo)體激光二極管為復(fù)合發(fā)光，發(fā)射的光子能量相當(dāng)于禁帶寬度，而半導(dǎo)體發(fā)光二級管為注入式發(fā)光，光子能量由帶隙決定；3）半導(dǎo)體激光材料中光的發(fā)射時受激輻射，故半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，而半導(dǎo)體發(fā)光二級管不一定是相干的 4）：半導(dǎo)體激光器使用電激勵方式，而半島以發(fā)光二級管則不是。5：太陽能電池材料有哪些類型。答：半導(dǎo)體材料：應(yīng)用最廣泛（硅材料：技術(shù)最成熟，光電轉(zhuǎn)換效率稍低，成本高；多元化物材料：成本低光電轉(zhuǎn)換效率高利于大規(guī)模生產(chǎn)，但原料有污染；有機材料；染料