固体物理简答题及答案.doc

简答题1、原子结合成晶体时，原子的价电子产生重新分布，从而产生不同的结合力，分析离子性、共价性、金属性和范德瓦耳斯性结合力的特点。答案： 离子性结合：正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近，当靠近到一定程度时，由于泡利不相容原理，两个离子的闭合壳层的电子云的交迭会产生强大的排斥力。当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体； 共价性结合：靠两个原子各贡献一个电子，形成所谓的共价键； 金属性结合：组成晶体时每个原子的最外层电子为所有原子所共有，因此在结合成金属晶体时，失去了最外层（价）电子的原子实“沉浸”在由价电子组成的“电子云”中。在这种情况下，电子云和原子实之间存在库仑作用，体积越小电子云密度越高，库仑相互作用的库仑能愈低，表现为原子聚合起来的作用。 范德瓦耳斯性结合：惰性元素最外层的电子为8个，具有球对称的稳定封闭结构。但在某一瞬时由于正、负电中心不重合而使原子呈现出瞬时偶极矩，这就会使其它原子产生感应极矩。非极性分子晶体就是依靠这瞬时偶极矩的互作用而结合的。2. 什么叫简正振动模式？简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是否是一回事？答案：为了使问题既简化又能抓住主要矛盾，在分析讨论晶格振动时，将原子间互作用力的泰勒级数中的非线形项忽略掉的近似称为简谐近似. 在简谐近似下, 由N个原子构成的晶体的晶格振动, 可等效成3N个独立的谐振子的振动. 每个谐振子的振动模式称为简正振动模式, 它对应着所有的原子都以该模式的频率做振动, 它是晶格振动模式中最简单最基本的振动方式. 原子的振动, 或者说格波振动通常是这3N个简正振动模式的线形迭加. 简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是一回事, 这个数目等于晶体中所有原子的自由度数之和, 即等于3N.3. 长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?答案：长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动, 振动频率较高, 它包含了晶格振动频率最高的振动模式. 长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移, 原胞做整体运动, 振动频率较低, 它包含了晶格振动频率最低的振动模式, 波速是一常数. 任何晶体都存在声学支格波, 但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.4. 长声学格波能否导致离子晶体的宏观极化?答案：长光学格波所以能导致离子晶体的宏观极化, 其根源是长光学格波使得原胞内不同的原子(正负离子)产生了相对位移. 长声学格波的特点是, 原胞内所有的原子没有相对位移. 因此, 长声学格波不能导致离子晶体的宏观极化.5. 何谓极化声子? 何谓电磁声子?答案：长光学纵波引起离子晶体中正负离子的相对位移, 离子的相对位移产生出宏观极化电场, 称长光学纵波声子为极化声子.由本教科书的(3.103)式可知, 长光学横波与电磁场相耦合, 使得它具有电磁性质, 人们称长光学横波声子为电磁声子.6、什么是声子？答案： 晶格振动的能量量子。在晶体中存在不同频率振动的模式，称为晶格振动，晶格振动能量可以用声子来描述，声子可以被激发，也可以湮灭。7、什么是固体比热的德拜模型？并简述计算结果的意义。 答案：德拜提出以连续介质的弹性波来代表格波，将布喇菲晶格看作是各向同性的连续介质，有1个纵波和2个独立的横波。 计算结果表明低温极限下：与温度的3次方成正比。 温度愈低，德拜近似愈好，说明在温度很低时，只有长波格波的激发是主要的。8、什么是固体比热的爱因斯坦模型？并简述计算结果的意义。答案： 对于有N个原子构成的晶体，晶体中所有的原子以相同的频率 0 振动。 计算结果表明温度较高时： 与杜隆珀替定律一致。温度非常低时：按温度的指数形式降低，与实验结果不符。爱因斯坦模型忽略了各格波的频率差别。9、 根据能带理论简述金属、半导体和绝缘体的导电性；答案：对于金属：电子在能带中的填充可以形成不满带，即导带，因此它们一般是导体。对于半导体：从能带结构来看与绝缘体的相似，但半导体禁带宽度较绝缘体的窄，依靠热激发即可以将满带中的电子激发到导带中，因而具有导电能力。 对于绝缘体：价电子刚好填满了许可的能带，形成满带。导带和价带之间存在一个很宽的禁带，所以在电场的作用下没有电流产生。10、简述近自由电子近似模型、方法和所得到的主要结论。 答案：考虑金属中电子受到粒子周期性势场的作用，假定周期性势场的起伏较小。作为零级近似，可以用势场的平均值代替离子产生的势场：。周期性势场的起伏量作为微扰来处理。当两个由相互自由的矩阵元状态 和的零级能量相等时，一级修正波函数和二级能量修正趋于无穷大。 即：，或者，在布里渊区的边界处，能量发出突变，形成一系列的能带。11、 简述紧束缚近似模型的思想和主要结论。 紧束缚近似方法的思想：电子在一个原子（格点）附近时，主要受到该原子势场的作用，而将其它原子（格点）势场的作用看作是微扰，将晶体中电子的波函数近似看成原子轨道波函数的线性组合，这样可以得到原子能级和晶体中能带之间的关系。 一个原子能级 i 对应一个能带，不同的原子能级对应不同的能带。当原子形成固体后，形成了一系列的能带。 能量较低的能级对应内层电子，其轨道较小，原子之间内层电子的波函数相互重叠较少，所以对应的能带较窄。 能量较高的能级对应外层电子，其轨道较大，原子之间外层电子的波函数相互重叠较多，所以对应的能带较宽。12、什么是空穴？ 答案：一个空的状态的近满带中所有电子运动形成的电流和一个带正电荷，以 状态电子速度运动的粒子所产生的电流相同。这个空状态称为空穴。 13、 将粒子看作是经典粒子时，它的速度和运动方程是什么？ 答案：电子状态变化基本公式：; 电子的速度：14 、简述导带中的电子在外场作用下产生电流的原因。 答案：导带中只有部分状态被电子填充，外场的作用会使布里渊区的状态分布发生变化。所有的电子状态以相同的速度沿着电场的反方向运动，但由于能带是不满带，逆电场方向上运动的电子较多，因此产生电流。 15、 简述满带中的电子在外场作用下不产生电流的原因。 答案：有外场E时，所有的电子状态以相同的速度沿着电场的反方向运动。在满带的情形中，电子的运动不改变布里渊区中电子的分布。所以在有外场作用的情形时，满带中的电子不产生宏观的电流。 16、从电子热容量子理论简述金属中的电子对固体热容的贡献。 答案：在量子理论中，大多数电子的能量远远低于费密能量 ，由于受到泡利原理的限制不能参与热激发，只有在 附近约范围内电子参与热激发，对金属的热容量有贡献。计算结果表明电子的热容量与温度一次方成正比。 0 F E 0 F E Tk B Q17、为什么温度较高时可以不考虑电子对固体热容量的贡献？ 答案：在量子理论中，大多数电子的能量远远低于费密能量 ，由于受到泡利原理的限制不能参与热激发，只有在 附近约范围内电子参与热激发，对金属的热容量有贡献。在一般温度下，晶格振动的热容量要比电子的热容量大得多；在温度较高下，热容量基本是一个常数。18、 为什么温度较低时可以必须考虑电子对固体热容量的贡献？答案： 在低温范围下，晶格振动的热容量按温度的3次方趋于零，而电子的热容量与温度1次方成正比，随温度下降变化比较缓慢，此时电子的热容量可以和晶格振动的热容量相比较，不能忽略。 19、为什么在绝对零度时，金属中的电子仍然具有较高的能量？答案： 温度时：电子的平均能量（平均动能）：，电子仍具有相当大的平均能量。因为电子必须满足泡利不相容原理，每个能量状态上只能容许两个自旋相反的电子。这样所有的电子不可能都填充在最低能量状态。 20、简述研究金属热容量的意义，并以过渡元素Mn、Fe、Co和Ni具有较高的电子热容量为例说明费密能级附近能态密度的情况。答案： 许多金属的基本性质取决于能量在附近的电子，电子的热容量与成正比，由电子的热容量可以获得费米面附近能态密度的信息。 )( 0 F EN 过渡元素Mn、Fe、Co和Ni具有较高的电子热容量，反映了它们在费米面附近具有较大的能态密度。 过渡元素的特征是d壳层电子填充不满，从能带理论来分析，有未被电子填充满的d能带。由于原子的d态是比较靠内的轨道，在形成晶体时相互重叠较小，因而产生较窄的能带，加上的轨道是5 重简并的，所以形成的5个能带发生一定的重叠，使得d能带具有特别大的能态密度。过渡金属只是部分填充d能带，所以费密能级位于d能带内。21、简述金属接触电势差的形成？答案： 两块不同的金属A和B相互接触，由于两块金属的费米能级不同，当相互接触时可以发生电子交换，电子从费米能级较高的金属流向费米能级较低的金属，使一块金属的接触面带正电（电子流出的金属），使另一块金属的接触面带负电（电子流入的金属），当两块金属达到平衡后，具有相同的费米能级，电子不再流动交换。因此在两块金属中产生了接触电势差。 22、 以对Si掺入As后形成的N型半导体为例，简述掺杂对半导体导电能力的影响。 答案：对纯的半导体材料掺入适当的杂质，也能提供载流子。在Si掺入As后形成的N型半导体，杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子相比较，很容易激发到导带中形成电子载流子。23、半导体本征边吸收光的波长为多少？ 答案：本征光吸收光子的能量满足： , 长波极限： 本征吸收边。24、 简述半导体本征激发的特点。答案： 在足够高的温度时，由满带到导带的电子激发（本征激发）将是主要的。本征激发的特点是每产生一个电子同时将产生一个空穴: 有： 由，其中 为带隙宽度。 因为：，因此本征激发随温度变化更为陡峭。在这个范围里，测量和分析载流子随温度的变化关系，可以确定带隙宽度。 25、 什么是非平衡载流子？ 答案：在热平衡下，半导体中的杂质电子，或价带中的电子通过吸收热能，激发到导带中（载流子的产生），同时电子又可以回落到价带中和空穴发生复合（载流子的复合），最后达到平衡时，载流子的产生率和复合率相等，电子和空穴的浓度有了一定的分布。电子和空穴的浓度满足： 在外界的影响作用下，电子和空穴浓度可能偏离平衡值。如本征光吸收将产生电子空穴对。 即有：称为非平衡载流子26、 以在P型材料形成的PN结为例，简述光生伏特效应?答案： 利用扩散掺杂的方法，在P型半导体的表面形成一个薄的N型层，在光的照射下，在PN结及其附近产生大量的电子和空穴对，在PN结附近一个扩散长度内，电子空穴对还没有复合就有可能通过扩散达到PN结的强电场区域（PN结自建电场），电子将运动到N型区，空穴将运动到P型区，使N区带负电、P区带正电，在上下电极产生电压 光生伏特效应。27、 什么是异质结的窗口效应？答案： 光子能量小于宽带隙的N型层，即，可以透过N型层，在带隙较窄的P型层被吸收。 用同质PN结制作光电池，入射光的大部分在表面一层被吸收，由于表面缺陷引起的表面复合和高掺杂层中载流子寿命低等因素，使得一些电子空穴对不能到达强电场以前，就发生了复合，降低了太阳能电池的效率。利用异质结的窗口效应，可以有效地减小电子空穴的复合率，提高太阳能电池的光电转换效率。28、 对于掺杂的N型半导体在热平衡下，为什么导带中电子的浓度越高，价带中空穴的浓度越低？ 答案：半导体中的电子和金属中的电子一样服从费密狄拉克统计。 导带中电子浓度：和价带中空穴浓度：，在N型半导体中，施主越多，激发到导带中的电子越多，电子跃迁与价带中空穴发生复合的几率越大，因此满带中的空穴越少。 29、 什么是本征光吸收跃迁和电子空穴复合发光？答案： 本征光吸收：光照可以将价带中的电子激发到导带中，形成电子空穴对，这一过程称为本征光吸收。电子空穴对复合发光是本征光吸收的逆过程，即导带底部的电子跃迁到价带顶部的空能级，发出能量约为带隙宽度的光子。30、为什么半导体掺杂可以提高其导电能力？答案： 理想的半导体材料是没有缺陷或没有杂质，半导体中的载流子只能是激发到导带中的电子和价带中的空穴。对纯的半导体材料掺入适当的杂质，也能提供载流子。因此实际的半导体中除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些电子可以为杂质或者缺陷原子所束缚，束缚电子具有确定的能级，杂质能级位于带隙中接近导带的位置，在一般温度下即可被激发到导带中，从而对半导体的导电能力产生大的影响。