《电子功能材料与元器件精品教学课件》吉林大学电子功能材料与元器件考点及答案docx.docx

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概念

1•超晶格部分1）超晶格2）组分超晶格3）掺杂超晶格2.压电效应3.逆压屯效应4正压电效应5.1）接触电势2）温差电势6•迈斯纳效应7.物理磁阻效应8•几何磁阻效应9.内光电效应10.外光电效应11.数值口径12相对湿度13.湿滞回差14.霍尔效应15.热电效应16.热湿电效应17.湿滞特性

第一章：

1.形状记忆合金为什么具有形状记忆的功能？

答：

马氏体相变过程如图。

将形状记忆合金从高温母相（a）冷却，在低于室温附近的某一温度时，母相（a）变为马氏体相（b）,这时的马氏体是由晶体结构相同，结晶方向不同的复数同系晶体构成，同母相相比，各同系晶体都发生了微小变形，但形成同系晶体时避免相互之间形变，从而保证在外形上没有改变。

马氏体相中的A面和B面在足够小的力下即能移位，所以马氏体相材料柔软，易变形，在外力作用下，马氏体向着外力择优的方向变形为变形马氏体相（c）。

此材料在加温时，又能返回母相（a）,从而恢复形状，马氏体相（b）在温度高于一定程度逆相变点Af吋也能返冋高温母相。

一般来说，高温母相只有温度冷却到马氏体相变温度Ms以下时，才开始向马氏体相转变，但在外力作用下，即使温度高于逆相变点（Af）,也能形成马氏体相，但此时仅能形成择优方向的变形马氏体，由于在温度高于（Af）时，马氏体相能量不稳定，除去电荷后立即能恢复到母相（a）o

综上可知，形状记忆合金具有形状记忆功能。

2.分析说明温度变化对高纯的Cu,Si及（Cu-AI-Ti-Ni）形状记忆合金电阻率（p）

的影响

1）Cu（金属）：

温度升高散射作用增大，电阻率（p）升高；温度下降散射作用减小，电阻率（p）下降；

2）Si（半导体）：

温度升高晶格散射加剧会使“减小，但激发产生的载流子增多，使p减小占优势，从而使宏观电阻率p减小，使Si呈现负温度特性。

3）（Cu・AI・Ti・Ni）形状记忆合金：

1母相立方晶体，晶格畸变小，散射作用弱，p小，马氏体相为斜方晶体，晶格畸变大，散射作用大，P大。

2相变过程中，混合相看哪相比例大。

3温度升高,散射作用大，p增大；温度下降，散射作用小，p减小；

4实线（降温过程）：

母相（高温）TMs:

T减小，p减小；MsTMf:

立方T斜方变化，T减小，p增大；MfT马氏体：

T减小，p减小。

虚线（升温过程）：

马氏体-»As:

T升高，p增大。

AsTAf:

斜方T立方变化，T升高，p减小；Af~>母相：

T升高,p升高

3•超导体处于超导态时应具备哪些特征？

如何理解超导体的“零电阻〃？

特征：

1）零屯阻效应（TvTc,RTO）

2）迈斯纳效应（TvTc,B=0）

3）临界磁场效应（TvTc,H>Hc超导态破坏）

4）临界电流效应（TvTc,卜lc超导态破坏）

"零电阻〃：

1）T

2）对直流而言

3）T

4•电介质中通常会产生那几种极化方式，简要说明。

第二章：

1•基础部分：

明确知道什么是缺陷，各种缺陷的表达

2•利用缺陷写化学方程式

3•缺陷受环境影响如何？

电子、空穴.缺陷如何变化？

4•掺入高价、低价掺杂后，缺陷平衡方程怎么写？

写出电子浓度，缺陷浓度与掺杂浓度的关系。

5•列出缺陷平衡的条件（各种例子，活学活用）

第三章：

1•热敏电阻分为正热敏电阻（PTC）,负热敏电阻（NTC）

2•正热敏电阻（p69）六个实验基础，明确六个实验事实，针对六个实验事实，用两个模型：

海望••焦克模型，丹尼尔斯模型进行解释，同时需要掌握这两种模型能解释哪类实验。

•PTC效应的实验基础：

（1）材料的电导率与施主杂质含量间呈倒u字形变化关系

（2）不掺杂BaTiO3陶瓷在述原气氛中烧结，不具有PTC效应

（3）只有在氧化气氛屮烧结才呈现PTC效应

（4）降温速率越慢，PTC效应越明显

（5）BaTiO3单晶不呈现PTC效应，只有多晶陶瓷才具有PTC效应

（6）PTC效应还与外加电压的大小及频率有明显的依赖关系

•海望焦克模型及其局限性P70p73

海望焦克模型基本观点：

（1）在N型多晶BaTiO3半导体陶瓷材料的晶粒边界存在一个由受主表面态引起

的势垒层，其厚度约为晶粒粒径的1/50o

（2）晶界势垒的高度与材料的相对介电系数成反比。

（3）铁电补偿是决定PTC效应的另一重要因素。

海望■焦克模型的局限性：

（1）PTC效应只出现在施主掺杂的N型BaTiO3材料中。

而用还原法制备的N型材料中无PTC效应。

（2）PTC效应的大小与降温过程密切相关。

（3）室温电导率与施主含量呈〃n〃形关系。

•丹尼尔斯模型要点及其解释的实验事实P73

丹尼尔斯模型的要点：

降温过程中在晶界处产生领空位VBa,不断向晶粒内扩散以致在晶粒表面由于重掺杂而产生高阻

利用丹尼尔斯模型解释BaTiO3半导体陶瓷PTC效应的有关现象

（1）还原法制备的N型BaTiO3半导体陶瓷不产牛PTC效应

（2）PTC效应强烈依赖于降温过程

（3）室温电导率与施主含量呈"n〃形关系。

3.NTC热敏电阻：

掌握导电结构；与正、负尖晶石之间关系；价键交换的定义,

次结构角度解释为何发生价键交换。

与正、负尖晶石之间关系：

在正尖晶石中，A间隙全部为A离子（通常为二价金属离子）所占据，B间隙全部为B离子（通常为三价金属离子）所占据，其通式可写成A2+B3+2O24

在反尖晶石中，A间隙全部为B离子所占据，B间隙由一半A离子和B离子所占据，其通式B3+（A2+B3+）024o

而半反尖晶石A间隙只有部分被B离子所占据，其通式为：

（A2£B3）（B笃一/2：

）0爲。

跳跃式导电：

电子从一个离子跳到另一个离子，离子间可发生电子交换，即价键交换

价键交换理论认为：

导致热皱半导体陶瓷产生高电导的载流子，來源于过渡金属的3d层电子。

这些金属离子处于能量等效的结晶学位置上，但具有不同的价键状态。

由于晶格能等效，当离子间距较小时，通过隧道效应，离子间可发生电子交换，即价键交换。

在电场作用下，这些电子交换引起载流子沿电场方向产生漂移运动，从而产生导电。

4•热电偶：

热电效应定义、接触电势定义（知道其基本表达式）；温差电势；复

杂推导不需要

第四章

1.本章重点4・3,表面电导型气敏元件工作原理：

掌握N,P型氧化物的气敏机理

（能带变化，电子变化等）

N型：

单晶

当A>Ws是，形成表面负电吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之下，将引起半导体导带电子向吸附气体转移，形成表面负电荷吸附。

导致半导体表面空穴增多，能带向上弯曲。

其结果为半导体电导升高，电阻下降。

当AvWs是，形成表面正电吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上，将引起吸附气体电子向半导体导带转移，形成表面正电荷吸附。

导致半导体表面空穴减少，能带向下弯曲。

其结果为半导体电导下降，电阻升高。

P型：

单晶

当A>Ws是，形成表面负电吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之下，将引起吸附气体空穴向半导体价带转移，形成表面负电荷吸附。

导致半导体表面空穴增多，能带向上弯曲。

其结果为半导体电导升高，电阻下降。

当AvWs是，形成表面正电吸附，引起半导体能带变化，由于吸附气体所形成的表面能级位于费米能级之上，将引起半导体价带空穴向吸附气体转移，形成表面正电荷吸附。

导致半导体表面空穴减少，能带向下弯曲。

其结果为半导体电导下降，电阻升高。

晶界

总电阻R二Rv+Rs,所以P型半导体接触还原性气体时，电导下降。

P型半导体接触氧化性气体时，电导上升。

2.SnO2为N型导电，要知道其出现高阻状态的原因及其检查氢气的原理，有三

点、,看书或ppt

高阻成因：

1）晶界势垒，降低势垒高度，导电能力增强

其中的反应:

出在N型Sn02晶粒表面形成正离子吸附，将电子给Sn02o

H2（g）=2Hads

孫面展辗面反

2）表面吸附氧形成的负离子吸（将N-半材导带电子束缚），将电子释放还给SnO2,使器件的RI,0t,且与也浓度成正比。

比+。

爲=比。

+2e，

3.P94:

解释三氧化二铁检测CO（或甲烷）的原理，说明结构变化。

（1）相变角度

当遇到CO气体时:

体内r-Fe203转变成FeQ,其过程为:

C0+l/202（r-Fe203中）一CO2+Vo（有利于生成FeQ）,这样就从高阻的r-Fe203转变为低阻的FeQ。

（2）晶界角度

C0+0ads2-=C02+2e',两方面都可以使材料的电阻变小，使其对CO气体敏感。

当

1

脱离CO气体时，在空气中，元件遇到氧气，则有：

2Fe3O4+-02->3X-Fe2O3,使元件重新恢复高阻态。

4.ZrO2作为氧传感器的工作原理（P108）;作为净化器的工作原理及工作过程

（P109-P110图4-28,4-29）

掺Y2O3的Zr02氧传感器的工作原理。

Po2（l）＞Po2

（2）

Pt（+）:

O2+4e^2O2_

Pt（-）:

2O2'^O2+4e

O2穿过多孔Pt电极，并在电极处形成0厶，在ZrO2中借助V。

空位扩散到Pt卜）,

并形成。

2。

输出E=—In-,已知2⑵可求呂⑴

4F吃⑵22

减少汽车尾气污染的工作原理及工作过程：

汽车尾气净化：

1）尾气排出前经三元催化剂净化的效果与尾气中P02有关，而P°2大小乂由燃烧室中燃料燃烧状态决定。

2）空燃比由空气过剩率入表示，（入=1）为理论空燃比（最好）。

3）X＜1,缺氧，CO、HC净化率低；入＞1,氧过剩，NOx净化差；只有21时效果最好，此吋氧传感器输出（E）正发生急剧变化。

ET1.0,入＜1,应增大空气量；ETO,X＞1,应减小空气量，从而保持入"，燃烧最充分，净化效果最好。

第五章

1•湿敏半导体陶瓷材料呈现高阻的原因

本征表面态、晶界势垒以及表面氧的吸附构成了通常湿敏半导体陶瓷材料呈现高阻状态的原因。

1本征表面态：

N型材料，表面附近的导带电子优先向表面受主态能级迁移，形成表面负空间电荷，能带上弯形成表面处电子耗尽层，晶体表面电导下降。

同样对于P型材料，能带下弯，形成表面空穴耗尽层，使表面态呈现高阻状

O

2晶界势垒：

对于多晶半导体湿敏陶瓷来说，晶粒间同样会形成晶界势垒。

对N型材料在晶界处将形成双肖特基势垒和电子耗尽层。

在P型材料的晶界处会形成空穴势垒和耗尽层。

这种势垒对载流子的迁移会产牛很大的阻碍作用,产生很大的晶粒接触电阻。

3表面气体或氧气的吸附：

当有气体吸附于半导体陶瓷表面时，依据吸附气体的种类不同，也将形成表面吸附能级，进而形成表面的正离子吸附或负离子吸附，从而也会对半导体陶瓷表面的屯导产生影响。

例如N型半导体表面常有02的化学吸附所引起的势垒，对于P型材料很难形成02的化学吸附。

2•电子导电型感湿机理

N型H2O（g）+Oads'T2OHad「+e

吸湿后，电阻下降，负感湿特性

P型H2O（g）TH2（/+e

吸湿后，电阻升高，正感湿特性

3•离子（质子）导电型感湿机理：

图5・5a-Fe2Q±水的吸附态模型

[物理吸附第2层

[物理吸附第1层

t化学吸附表面水酸基

4.

Fe3O4涂敷膜型器件感湿机理和结构图

Fe3O4感湿膜结构松散，微粒间的不紧密接触，产生很大的接触电阻。

但水分子吸附于微粒表面后，扩大了微粒间的接触面积，从而使接触电阻明显减小。

感湿机理:

晶界的离子导电起主要作用

5.比较四氧化三铁作为气敏器件和湿敏器件的不同6•试叙述聚苯乙烯磺酸锂湿敏元件的制作过程及相应的反应并说明其感湿机理。

P123、124页。

7•湿滞特性，湿滞回差

7•掌握限流ZrO2湿敏器件和气敏器件的敏感机理。

第六章

1・何谓自发辐射和受激辐射，二者有何异同。

1.自发发射

处于高能级量E?

的一个原子自发地向低能级Ei跃迁，并发射一个能量为/的光子.这种过程称为自发跃迁过程。

在单位体积内，在dt时间内，由高能级E2自发跃迁到低能级E「并发生光子的原子数dN2l.自发跃迁过程用自发跃迁几率A21描述。

dN21=A21N21dto

特点：

处于高能级的粒子的辐射过程都是自发、独立地进行，即使在相同的能级间跃迁，频率相同，发射方向、位相、偏振也不同

2.受激辐射

处于高能级直的原于在满足=E2-坊的辐射场作用下，跃迁至低能态Ei并辐射出一个能量为乃!

/=E2-E,,且与入射光子全同光子。

受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。

受激辐射跃迁速率为

dN；、=B21N2pv（v）dt

W2i=B2-p（v）

受激跃迁辐射速率p（v）是频率为u的入射光波的能量密度

特点：

光子全同光子，光子处于同一光子态，即频率、发射方向、位相、偏振。

2•半导体激光器产生激光的条件有哪些？

为什么？

条件：

（1）产牛粒子数反转分布

（2）产生激光的材料应具有直接跃迁型的能带结构，以及对光具有高效电

—光转换功能。

（3）要有合适的谐振腔（法布里•珀罗腔）

3•从能带结构分析说明GaAs/Gal-xAIxAs双异质结激光器的工作原理。

以GaAs作为发光区（活化区），其两侧是导电类型不同的Ga^AlxAs限制层。

从能级图中看到，与空穴相比，电子越过的势垒要小

异质结的特点之二：

超注入。

只要宽禁带的导带顶高于窄禁带的导带顶，就是使得P区的少子浓度高于N区的多子浓度，能够实现半导体中的粒子数反转,容易实现室温下的半导体激光器。

双异质结的作用：

对载流子和光的限制作用：

将两者有效地限制在有源层内。

4•若制备低阈值电流的GaAs/Gal-xAIxAs激光器对材料有何要求？

1.对AEg的要求

△Eg过小，难于保证粒子数反转分布

△Eg过人，引起人的晶格失配

Eg（x）=1.424+1.247x

0

Eg（x）=1.424+1.247x+1.147（x-0.45）2

0.45

2.对An的要求

△n太小，对光的限制作用差，过大也同样会降低发光效率，折射率差主要取决于限制层中的x值，一般x=0.3-0.4时，所产生的折射率差足以满足将光限制在发光区内的要求。

3.对发光层厚度的要求

发光层内积累的载流子浓度大致与发光区厚度成反比，与电流密度成正比,因此，阈值电流密度大致与发光厚度成反比。

通常发光层厚度应在0.1-0.3Pm较为合适。

4.对晶格常数的要求

双异质结激光器的PN结是有带隙和折射率不同的两种材料构成的，易于产牛晶格缺陷。

这些作为注入载流子的非发光中心而使发光效率下降，乂会使器件的寿命缩短。

因此作为双界质结激光器材料要求采用晶格常数相近的材料为宜。

在室温下,GaAs和AlAs的晶格常数分别为0.5653nm和0.5661nm,晶格失配度仅为0.14%,是目前最为理想的双异质结激光器材料。

5•讨论制作多晶材料PbS光敏器件，氧化过程对其灵敏度的影响。

氧化不足时，类似于通常的N型，具有较高的电导率；表而层较薄，空穴的浓度不是很大，势垒不是很高

氧化充分吋，足够高的界面势垒，材料电阻很高；

氧化过量时，类似于通常的P型，具有较高的电导率。

材料更多的被氧化,出现阳离子空位，形成P型材料

第七章：

1・概念：

数值孔径

2•重点会7・4（前三章需要明白，才能理解第四章）；要掌握：

光强调制的微弯位移传感器，相位调制型光纤传感器，偏振调制型光纤电流传感器，大致能画出示意图，说明工作原理。

•光强调制的微弯位移传感器

原理：

是利用被测对象对敬感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。

•相位调制型光纤传感器

原理：

由氮冠激光器发岀的激光束由分光器分别进入两根输出端合在一起的光纤中，则两束光产生干涉，出现干涉条纹。

当测量臂光纤受到温度场作用后,产生相位变化，引起干涉条纹位移。

干涉条纹移动的大小便反映出被测温度的变化情况。

当光纤受到温度场的作用，主要是引起光纤长度和折射率发牛变化，进而引起传输光的相位变化，其相位的相对变化率为：

坐二些+如

（pL

•偏振调制型光纤电流传感器

原理：

利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。

7-19光纤电流传感器

第八章：

1•绘图说明在Si的[001]方向施加压力时，对材料的能带结构及电导将产生的影响

（P174,8-1）o要学活。

1）[100]方向能谷升高，载流子数减少。

2）[010][001]方向能谷降低，填充载流子数增多。

3）蓝线•受力后，粉线•受力前，蓝线在内表能量升高，蓝线在外表示能量降低。

4）[100]方向电导减小，[001][010]方向电导增加。

3.压阻压力传感器基本结构（P176）

高压腔

金丝

力敏器件

低压腔

图&3压阻式压力传感器典型结构

4.压电晶体（P180）和压电陶瓷（P183〉产生压电效应的基本原理，注意两者区

别。

5.8-1推导恒流源或恒压源供电时电桥输出电压的表达式（Pagel754-看课件）第九章

1•磁阻效应大小与哪些因素有关？

说明原因

磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著;

元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。

原因：

P_=垃=0.273/ZF

P一一为磁感应强度；

p一一材料在磁感应强度为E时的电阻率；

Po一一材料在磁感应强度为0时的电阻率；

H——载流子的迁移率。

长、宽比愈小，Po越大。

2•磁敏二极管的结构和工作原理

1）无磁场时，匕•二匕++%+匕+,从电极注入的空穴，电子大都通过

i区形成电流。

2）有正向磁场作用时，注入的空穴，电子向高复合区偏转，产生较大的复合，流过i区的电流明显减小，且使电阻增加，则/亦随Z增大。

而在两端的甘区和M区上的电压降Vp和Vn减小，又引起从两端向i区注入的空穴和电子数减少，使i区电阻进一步增大，起到正反馈作用，直到达到某一稳定值。

3）有反向磁场时，注入的空穴，电子向光滑区偏转，产生的电子■空穴复合

很少，而通过i区的电流很大。

Update：

加了点东西，删了点东西。