無(wú)機(jī)材料物理性能知識(shí)總結(jié).doc

17第一章 物理基礎(chǔ)知識(shí)與理論物理性能本質(zhì)：外界因素（作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場(chǎng)磁場(chǎng)、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)材料的性能。晶體結(jié)構(gòu)：原子規(guī)則排列，主要體現(xiàn)是原子排列具有周期性，或者稱長(zhǎng)程有序。非晶體結(jié)構(gòu)：不具有長(zhǎng)程有序。點(diǎn)陣：晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)概括為是由一些相同點(diǎn)子在空間有規(guī)則作周期性無(wú)限分布，這些點(diǎn)子的總體稱為點(diǎn)陣。晶體由（基元）沿空間三個(gè)不同方向，各按一定的距離（周期性）地平移而構(gòu)成，（基元）每一平移距離稱為周期。晶格的共同特點(diǎn)是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）來(lái)描述。分別求立方晶胞、面心晶胞和體心晶胞的原胞基失和原胞體積？（1）立方晶胞：（2）面心晶胞（3）體心晶胞晶體格子（簡(jiǎn)稱晶格）：晶體中原子排列的具體形式。晶列的特點(diǎn)： （1）一族平行晶列把所有點(diǎn) 包括無(wú)遺。 （2）在一平面中，同族的相鄰晶列之間的距離相等。 （3）通過(guò)一格點(diǎn)可以有無(wú)限 多個(gè)晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列與之對(duì)應(yīng)。 （4 ）有無(wú)限多族平行晶列。晶面的特點(diǎn)：（1）通過(guò)任一格點(diǎn)，可以作全同的晶面與一晶面平行，構(gòu)成一族平行晶面.（2）所有的格點(diǎn)都在一族平行的晶面上而無(wú)遺漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格點(diǎn)分布情況相同；（4）晶格中有無(wú)限多族的平行晶面。格波：晶體中的原子在平衡位置附近的微振動(dòng)具有波的形式。色散關(guān)系：晶格振動(dòng)譜，即頻率和波矢的關(guān)系。聲子：晶格振動(dòng)的能量是量子化的，晶格振動(dòng)的量子單元稱作聲子，聲子具有能量w，與光子的區(qū)別是不具有真正的動(dòng)量，這是由格波的特性決定的。聲學(xué)波與光學(xué)波的區(qū)別：前者是相鄰原子的振動(dòng)方向相同，波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，格波為晶胞中心在振動(dòng)，可以看作連續(xù)介質(zhì)的彈性波；后者是相鄰原子的振動(dòng)方向相反，波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，晶胞中心不動(dòng)，晶胞中的原子作相對(duì)振動(dòng)。德布羅意假設(shè):一切微觀粒子都具有波粒二象性。第二章 無(wú)機(jī)材料的受力形變簡(jiǎn)述正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的定義? 正應(yīng)力是作用于單位面積上的力。剪切應(yīng)力是作用于平面內(nèi)的力。正應(yīng)力引起材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 塑性：使固體產(chǎn)生變形的力，在超過(guò)該固體的屈服應(yīng)力后，出現(xiàn)能使該固體長(zhǎng)期保持其變形后的形狀或尺寸，即非可逆性能。晶體塑性形變的機(jī)理是什么？原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對(duì)于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時(shí)，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒(méi)有變化，僅是形狀發(fā)生變化。影響塑性形變的因素有哪些？并對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。影響塑性形變的因素主要有晶體結(jié)構(gòu)和鍵型。（1）本征因素：晶粒內(nèi)部的滑移系統(tǒng)相互交截、晶界處的應(yīng)力集中、晶粒大小和分布；（2）外來(lái)因素：雜質(zhì)在晶界的彌散、晶界處的第二相、晶界處的氣孔。屈服應(yīng)力：當(dāng)外力超過(guò)物體彈性極限，達(dá)到某一點(diǎn)后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力。滑移：晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)。產(chǎn)生滑移的條件：（1）面間距大；（2）每個(gè)面上是同一種電荷的原子，相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反；（3）滑移矢量（柏格斯矢量）小?；葡到y(tǒng)包括（滑移方向）和（滑移面），即滑移按一定的晶面和方向進(jìn)行?；品较蚺c原子最密堆積的方向一致，滑移面是（原子最密堆積面）。蠕變機(jī)理分為兩大類：（1）（晶界機(jī)理）-多晶體的蠕變；（2）（晶格機(jī)理）-單晶蠕變，但也可能控制著多晶的蠕變過(guò)程。影響蠕變的因素：外界環(huán)境中的溫度和應(yīng)力、晶體的組成、顯微結(jié)構(gòu)中的氣孔、晶粒和玻璃相。鍵結(jié)合的材料中，哪一種材料的彈性模量大？為什么？共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的材料中，結(jié)合力很強(qiáng)，故彈性模量就較大。而分子鍵結(jié)合力弱，由此鍵和的材料彈性模量就很低。2-1. 一圓桿的直徑為2.5 mm、長(zhǎng)度為25cm并受到4500N的軸向拉力，若直徑拉細(xì)至2.4mm，且拉伸變形后圓桿的體積不變,求在此拉力下的真應(yīng)力、真應(yīng)變、名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，并比較討論這些計(jì)算結(jié)果。拉伸前后圓桿相關(guān)參數(shù)表體積V/mm3直徑d/mm圓面積S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸后1227.22.44.524解：根據(jù)題意可得下表由計(jì)算結(jié)果可知：真應(yīng)力大于名義應(yīng)力，真應(yīng)變小于名義應(yīng)變。1cm10cm40cmLoadLoad2-2. 一試樣長(zhǎng)40cm,寬10cm,厚1cm，受到應(yīng)力為1000N拉力，其楊氏模量為3.5109 N/m2，能伸長(zhǎng)多少厘米?解：第三章 無(wú)機(jī)材料的脆性斷裂強(qiáng)度：材料的強(qiáng)度是抵抗外加負(fù)荷的能力。屈服極限：在外力作用下，材料發(fā)生彈性形變；當(dāng)應(yīng)力足夠大，材料便開(kāi)始發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生塑性形變的最小應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力（屈服極限）。脆性斷裂：材料受力后，將在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力再分配；當(dāng)外加應(yīng)力的速度超過(guò)應(yīng)力再分配的速率時(shí)，發(fā)生斷裂。解決材料強(qiáng)度的理論：1. 位錯(cuò)理論：微觀上抓住位錯(cuò)缺陷，闡明塑性形變的微觀機(jī)理。2. 斷裂力學(xué)：宏觀上抓住微裂紋缺陷（脆性斷裂的主要根源）。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)對(duì)材料有哪兩方面的作用？引起塑性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂紋擴(kuò)展；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋成核。理論斷裂強(qiáng)度的推導(dǎo)過(guò)程？格里菲斯微裂紋理論：格里菲斯認(rèn)為實(shí)際材料中總存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就開(kāi)始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。影響強(qiáng)度的因素有哪些？?jī)?nèi)在因素：材料的物性，如：彈性模量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、斷裂能；顯微結(jié)構(gòu)：相組成、氣孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂紋（長(zhǎng)度、尖端的曲率大小）；外界因素：溫度、應(yīng)力、氣氛環(huán)境、式樣的形狀大小、表面；工藝因素：原料的純度、降溫速率。晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷：（a）位錯(cuò)組合；（b）晶界障礙；（c）位錯(cuò)交截。蠕變斷裂：多晶材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，由于形變不斷增加而導(dǎo)致斷裂。蠕變斷裂的理論：1. 黏性流動(dòng)理論：高溫下晶界發(fā)生粘性流動(dòng)，在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且使晶界交界處產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致斷裂。2. 空位聚積理論：在應(yīng)力及熱波動(dòng)作用下，晶界上空位濃度增加，空位大量聚積，形成裂紋，導(dǎo)致斷裂。裂紋有三種擴(kuò)展方式：(I)張開(kāi)型、(II)錯(cuò)開(kāi)型、(III)撕開(kāi)型。什么是亞臨界裂紋擴(kuò)展？在使用應(yīng)力的作用下，不是發(fā)生快速失穩(wěn)擴(kuò)展，而是隨著時(shí)間的推移緩慢擴(kuò)展。材料的脆性有哪些特點(diǎn)？脆性是無(wú)機(jī)材料的特征。它間接地反映材料較低的抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度和較差的抗溫度聚變性。脆性直接表現(xiàn)在:一旦受到臨界的外加負(fù)荷，材料的斷裂則具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。脆性的本質(zhì)是缺少五個(gè)獨(dú)立的滑移系統(tǒng)，在受力狀態(tài)下難于發(fā)生滑移使應(yīng)力松弛。顯微結(jié)構(gòu)的脆性根源是材料內(nèi)部存在裂紋，易于導(dǎo)致高度的應(yīng)力集中。維氏硬度：（公式及各個(gè)物理量的含義）？（自己總結(jié)）1、求融熔石英的理論結(jié)合強(qiáng)度，設(shè)估計(jì)的表面能力為1.75J/m2; Si-O的平衡原子間距為1.6*10-8cm;彈性模量從60到75Gpa ？=2、融熔石英玻璃的性能參數(shù)為：E=73 Gpa；=1.56 J/m2；理論強(qiáng)度th=28 Gpa。如材料中存在最大長(zhǎng)度為2m的內(nèi)裂，且此內(nèi)裂垂直于作用力方向，計(jì)算由此導(dǎo)致的臨界斷裂強(qiáng)度。2c=2m c=1*10-6m=3、有一構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa，有兩種鋼待選：甲鋼 ys=1.95GPa，KIC=45MPa m1/2乙鋼 ys=1.56GPa，KIC=75MPa m1/2待選鋼的幾何形狀因子Y=1.5，最大裂紋尺寸為1mm。試根據(jù)經(jīng)典強(qiáng)度理論(安全系數(shù)n=ys/)與斷裂強(qiáng)度理論KIC=YcC-1/2 進(jìn)行選擇，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。（書上例題自己總結(jié)）4、一陶瓷零件上有一垂直于拉應(yīng)力的邊裂，如邊裂長(zhǎng)度為：（1）2mm; (2)0.049mm; (3)2m, 分別求上述三種情況下的臨界應(yīng)力。設(shè)此材料的斷裂韌性為1.62MPa.m2。討論講結(jié)果。已知此情況下零件的幾何形狀因子為1.98。解：=(1) c=2mm, (2) c=0.049mm, (3) c=2m, 第四章 無(wú)機(jī)材料的熱性能如原子在高能級(jí)和低能級(jí)間滿足 輻射躍遷選擇 定則，則對(duì)于大量的這種原子來(lái)說(shuō)，將同時(shí)存在光的 自發(fā)輻射、受激吸收 和 受激輻射。熱振動(dòng)：實(shí)際上晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)（離子、原子）總是圍繞著各自的平衡位置附近作微小振動(dòng)。熱容：物體在溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱作該物體的熱容。杜隆-珀替定律：恒壓下元素的原子熱容等于25J/(Kmol)。杜隆-珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，但在低溫時(shí)，熱容的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)恒量，隨溫度降低而減小，在接近絕對(duì)零度時(shí)，熱容值按T3的規(guī)律趨于零。徳拜定律：表明當(dāng)溫度T趨于0K時(shí)，熱容CV與T3成比例地趨于零。在低溫下，德拜模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好。熱膨脹：物體的體積或長(zhǎng)度隨著溫度的升高而增大的現(xiàn)象。6、線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)有何關(guān)系？計(jì)算：假如是立方體；各項(xiàng)異性的晶體。略去線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)的高次項(xiàng)。（自己總結(jié)）固體材料熱膨脹機(jī)理：晶格振動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)間的作用力，是非線性的。即作用力并不簡(jiǎn)單的與位移成正比。溫度越高，平衡位置向右移動(dòng)越多，晶體膨脹。熱傳導(dǎo)：當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量就會(huì)從熱端自動(dòng)地傳向冷端的現(xiàn)象。固體的傳熱機(jī)理：固體中質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近做微振動(dòng)，固體的導(dǎo)熱主要是晶格振動(dòng)的格波和自由電子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。金屬主要靠自由電子來(lái)傳熱；非金屬材料，自由電子很少，主要靠晶格振動(dòng)來(lái)傳遞熱量。將聲頻波的量子稱為聲子；把格波的傳播看成是質(zhì)點(diǎn)-聲子的運(yùn)動(dòng)；格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射，則理解為聲子同晶體質(zhì)點(diǎn)的碰撞；理想晶體中的熱阻，則理解為聲子與聲子的碰撞。影響熱導(dǎo)率的因素：溫度、晶體機(jī)構(gòu)、氣孔。熱穩(wěn)定性（抗熱震性）：是指材料承受溫度的急劇變化而抵抗破壞的能力。包括抗熱震斷裂性和抗熱震損傷性兩種類型：材料在熱沖擊下發(fā)生瞬時(shí)斷裂，抵抗這類破壞的性能為抗熱震斷裂性；在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展，以致最終碎裂或變質(zhì)而損壞，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱震損傷性。試比較石英玻璃、石英多晶體和石英單晶熱導(dǎo)率的大小，解釋產(chǎn)生差異的原因？與單晶相比，多晶體中晶粒尺寸小，晶界多，晶界處雜質(zhì)多，聲子容易受到散射，其平均自由程小得多，故其熱導(dǎo)率比單晶的?。慌c晶體相比，玻璃中聲子平均自由程由于玻璃遠(yuǎn)程無(wú)序使之較小，因而，玻璃的熱導(dǎo)率比晶體的小。4-1、康寧1723玻璃（硅酸鋁玻璃）具有下列性能參數(shù)：=0.021J/(cm.s.); =4.6*10-6/; p=7.0Kg/mm2；E=6700Kg/mm2; =0.25.求第一及第二熱沖擊斷裂抵抗因子。第一沖擊斷裂抵抗因子： = =170第二沖擊斷裂抵抗因子： =170*0.021=3.57 J/(cm.s)4-2、一根1m長(zhǎng)的Al2O3 爐管從室溫 (25oC)加熱到1000oC時(shí)，假使在此過(guò)程中，材料的熱膨脹系數(shù)為8.810-6 mm/(mmoC) ，計(jì)算管的膨脹量是多少？解：根據(jù)公式，有：第五章 無(wú)機(jī)材料的光性能可見(jiàn)光是電磁輻射波譜的波長(zhǎng)在 400nm 到 700nm 范圍的一個(gè)波段。光從材料1傳入材料2時(shí)的折射定律？折射率的色散：材料的折射率n隨入射光頻率v的減?。ɑ虿ㄩL(zhǎng)的增加）而減小的性質(zhì)。玻璃、陶瓷、非均相高聚物等電介質(zhì)材料，對(duì)可見(jiàn)光具有良好的 透過(guò)性。其原因是它們的 價(jià)電子 所處的價(jià)帶是 填滿 的，除非電子吸收 光子 躍遷到導(dǎo)帶，否則不能自由運(yùn)動(dòng)。5、設(shè)有一塊厚度為 x 的平板材料 ( 如圖 ) ，入射光的強(qiáng)度為 I0 ，通過(guò)此材料后光強(qiáng)度為 I 。試分析其光的吸收規(guī)律？ 6、例：已知 NaCl 的 Eg 9.6eV ，試求其吸收峰波長(zhǎng)？7、光通過(guò)一個(gè)透明陶瓷片時(shí)，其發(fā)生在左側(cè)和右側(cè)界面時(shí)光強(qiáng)的變化？設(shè)反射系數(shù)為m、吸收系數(shù)為與散射系數(shù)為S。8、光通過(guò)一塊厚度為1mm 的透明Al2O3板后強(qiáng)度降低了15%，試計(jì)算其吸收和散射系數(shù)的總和。解: 9、一入射光以較小的入射角i和折射角r通過(guò)一透明明玻璃板,若玻璃對(duì)光的衰減可忽略不計(jì),試證明明透過(guò)后的光強(qiáng)為(1-m)2。解：W = W + W 其折射光又從玻璃與空氣的另一界面射入空氣則影響材料透光性的因素主要有：反射系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)。無(wú)機(jī)材料的顏色著色劑有：分子著色劑、膠態(tài)著色劑、著色化合物。配制陶瓷乳濁釉時(shí)，需要選擇乳濁劑，有PbO、TiO2和ZrSiO4三種氧化物可供選擇，它們的折射率n依次分別為2.61、2.50和1.94，你將選擇哪一種？為什么？選擇硅酸鋯作乳濁劑。因?yàn)檠趸U會(huì)熔解，氧化鈦因膨脹系數(shù)太大與陶瓷釉不適應(yīng)，故只能選硅酸鋯。第六章 無(wú)機(jī)材料的電導(dǎo)載流子 ：具有電荷的自由粒子，在電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生電流。金屬導(dǎo)體中的載流子是自由電子。 無(wú)機(jī)材料載流子可以是電子 ( 負(fù)電子、空穴 ) ，稱為電子電導(dǎo)；也可以是離子 ( 正、負(fù)離子、空位 ) ，稱為離子電導(dǎo)。離子電導(dǎo)分類和玻璃導(dǎo)電機(jī)理？離子電導(dǎo)可分為兩類：本征電導(dǎo)和雜質(zhì)電導(dǎo)。玻璃的離子電導(dǎo)是由于某些離子在結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)性所至?；魻栃?yīng)：電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。沿試樣x軸方向通入電流，Z軸方向加一磁場(chǎng)，那么在y軸方向?qū)a(chǎn)生一電場(chǎng)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可檢查材料是否存在電子電導(dǎo)。為什么利用霍爾效應(yīng)可以檢驗(yàn)材料是否是存在電子電導(dǎo)？霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于電子在磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生橫向移動(dòng)的結(jié)果，離子的質(zhì)量比電子大的多，磁場(chǎng)作用力不足以使離子產(chǎn)生橫向位移，因而純離子電導(dǎo)不呈霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。試述隨溫度的上升，玻璃電導(dǎo)率迅速增加的原因。答：（1）玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離子能夠穿過(guò)大于其原子大小的距離而遷移，同時(shí)克服一些勢(shì)壘。 （2）玻璃與晶體不同，玻璃中堿金屬離子的能阱不是單一的數(shù)值，通常有一些相鄰的低能位置，其間只有小的能壘，而大的勢(shì)壘則發(fā)生在偶然出現(xiàn)的相鄰位置之間，這與玻璃的結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性質(zhì)是一致的，故有高有低：這些位壘的體積平均值就是載流子的活化能。電解效應(yīng)：離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。離子的遷移伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象?？梢詸z驗(yàn)陶瓷材料是否存在離子電導(dǎo)，并且可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子。影響電導(dǎo)率的因素：（1）溫度；（2）晶體結(jié)構(gòu)；（3）晶體缺陷。固體電解質(zhì)：具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。電子電導(dǎo)的導(dǎo)電機(jī)制是：電子和空穴。本征電導(dǎo) ：導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在，載流子電子和空穴的濃度是相等的。它們是由半導(dǎo)體晶格本身提供，是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，其濃度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。本征半導(dǎo)體是具有本征電導(dǎo)特性的半導(dǎo)體。在Na2O-SiO2玻璃中，采取什么辦法降低其電導(dǎo)率？答：（1）通過(guò)添加另外堿金屬，并調(diào)節(jié)外加堿金屬和氧化鈉的比例（2）通過(guò)添加二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物 。摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體。解釋pn結(jié)中的空間電荷區(qū)的形成過(guò)程？當(dāng)p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體形成p-n結(jié)時(shí)，由于n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子為空穴，相反p型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子為電子，因此在p-n結(jié)處存在載流子空穴或電子的濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)、電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。對(duì)于p區(qū)：沒(méi)有電離的中性原子，空穴離開(kāi)后，留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主，沒(méi)有正電荷與之保持電中性，因此在p-n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)（負(fù)離子阻止n區(qū)電子靠近）。同理，由于n區(qū)電子走后，留下帶正電的電離施主，電離的正離子阻止p區(qū)空穴靠近，所以聚集p-n結(jié)近n區(qū)一側(cè)，在p-n結(jié)附近n區(qū)的一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)正電荷區(qū)，把在p-n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷。它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)和能帶中的能級(jí)的區(qū)別？在能帶中的能級(jí)可以容納自旋方向相反的兩個(gè)電子；而對(duì)于施主雜質(zhì)能級(jí)只能是被一個(gè)有任一自旋方向的電子所占據(jù)，或者不接受電子。載流子的散射：電子與晶體中的聲子、雜質(zhì)離子、缺陷等發(fā)生碰撞的過(guò)程。載流子發(fā)生散射的原因是周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞。在低摻雜半導(dǎo)體中，載流子遷移率隨溫度升高而大幅度下降的原因？由于晶格振動(dòng)引起的散射叫晶格散射，溫度越高，晶格振動(dòng)越強(qiáng)，對(duì)載流子的晶格散射也將增強(qiáng)。雙堿效應(yīng)：當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃組成2530%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率小，當(dāng)比例適當(dāng)時(shí)，電導(dǎo)率可降低很低。位錯(cuò)增殖是在剪應(yīng)力作用下，晶體中位錯(cuò)數(shù)量大量增加的現(xiàn)象。計(jì)算銅的電子遷移率，假定全部?jī)r(jià)電子都對(duì)電流有貢獻(xiàn)。提示：銅的點(diǎn)陣常數(shù)為3.61510-8cm，銅屬于面心立方晶體。解：銅的價(jià)數(shù)為1，因此價(jià)電子數(shù)等于材料中的銅原子數(shù)。銅的點(diǎn)陣常數(shù)為3.61510-8cm。由于銅屬于面心立方晶體，單位晶胞中有四個(gè)電子（切開(kāi)后單元體所包含的原子數(shù)）。 金屬載流子濃度：n=(4個(gè)電子/晶胞)（1個(gè)電子/原子）/(3.61510-8cm)3=8.4671022電子/cm3 q=1.610-19 cm =/nq=1/nq=1/(1.6710-6)(8.4671022)(1.610-19) =44.2cm2/c = 44.2cm2/VS 2、本征半導(dǎo)體中，從價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶產(chǎn)生的空穴參與電導(dǎo)。激發(fā)的電子數(shù)n可近似表示為：式中N為狀態(tài)密度，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。試回答以下問(wèn)題：（1）設(shè)N=1023cm-3, k=8.6*10-5eV.K-1時(shí), Si (Eg=1.1eV), TiO2 (Eg=3.0eV)在室溫（25）和500時(shí)所激發(fā)的電子數(shù)（cm-3）各是多少？（2）半導(dǎo)體的電導(dǎo)率（-1.cm-1）可表示為式中n為載流子濃度（cm-3），e為載流子電荷（電荷1.6*10-19C）,為遷移率（cm2.V-1.s-1）當(dāng)電子（e）和空穴（h）同時(shí)為載流子時(shí)，假定Si的遷移率e=1450（cm2.V-1.s-1），h=500（cm2.V-1.s-1），且不隨溫度變化。求Si在室溫（25）和500時(shí)的電導(dǎo)率？解：（1） Si 20 =1023*e-21.83=3.32*1013cm-3 500 =1023*e-8=2.55*1019 cm-3 TiO220 =1.4*10-3 cm-3500 =1.6*1013 cm-3(2) 20 =3.32*1013*1.6*10-19(1450+500) =1.03*10-2（-1.cm-1） 500 =2.55*1019*1.6*10-19(1450+500) =7956 （-1.cm-1）3、300K時(shí)，鍺的本征電阻率為47.cm，如電子和空穴的載流子遷移率分別為3900和1900.求本征鍺的載流子濃度？4、當(dāng)每1000000個(gè)硅原子中有一個(gè)原子為銻原子所置換時(shí)，試計(jì)算n-型半導(dǎo)體中每立方厘米所含的非本證電荷載流子數(shù)？金剛石立方晶型硅的點(diǎn)陣常數(shù)是5.430710-3解： nd=(1電子/Sb原子)(10-8Sb原子/Si原子)( Si原子/晶胞)/( 5.430710-8)3=5106電子/cm3 =nqe=(51016)(1.610-19)(1900) =15.2-1.cm-1 試述光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電流的過(guò)程？答：用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射p -n結(jié)；p、n區(qū)都產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生非平衡載流子，非平衡載流于破壞原來(lái)的熱平衡；非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，n區(qū)空穴向p區(qū)擴(kuò)散（同號(hào)相斥，異號(hào)相吸的原因），p區(qū)電子向n區(qū)擴(kuò)散；若p-n結(jié)開(kāi)路，在p-n結(jié)的兩邊積累電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生開(kāi)路電壓。 第七章 無(wú)機(jī)材料的介電性能何謂電介質(zhì)：凡是能在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化的物質(zhì)稱為電介質(zhì)，俗稱絕緣材料。 極化強(qiáng)度： 單位體積內(nèi)的電偶極矩總和稱為極化強(qiáng)度。極化類型包括：（1）電子位移極化、（2）離子式極化、（3）松弛極化、（4）轉(zhuǎn)向極化、（5）空間電荷極化、（6）自發(fā)極化。電子位移極化： 沒(méi)有受電場(chǎng)作用時(shí)，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負(fù)電荷中心重合，對(duì)外呈中性。受電場(chǎng)作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷中心分離的物理過(guò)程)，中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，從而產(chǎn)生了電子位移極化。離子式極化：離子晶體中，無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，離子處在正常結(jié)點(diǎn)位置并對(duì)外保持電中性，但在電場(chǎng)作用下，正、負(fù)離子產(chǎn)生相對(duì)位移，破壞了原先呈電中性分布的狀態(tài)，電荷重新分布，相當(dāng)于從中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子產(chǎn)生離子位移極化。離子位移極化與電子位移極化有何異同？共同點(diǎn)：它們都屬于彈性位移極化(無(wú)損耗)；不同點(diǎn)：（a）離子位移極化是整個(gè)離子的相對(duì)位移，極化結(jié)果使正負(fù)離子間平衡距離縮短；（b）電子位移極化是電子云變形，電子云偏離原子核，而原子核不動(dòng)；（c）離子位移極化中包含有電子位移極化，離子位移極化只產(chǎn)生在離子晶體中；而電子位移極化則存在于一切介質(zhì)中。介質(zhì)損耗：在電場(chǎng)的作用下，單位時(shí)間內(nèi)電介質(zhì)因發(fā)熱而損耗的電能稱為介質(zhì)損耗功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗產(chǎn)生的原因：主要來(lái)自二個(gè)方面電導(dǎo)和極化（慢極化）。擊穿：電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)中工作時(shí)，當(dāng)所承受的電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)而喪失絕緣性能（由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)）的現(xiàn)象。電擊穿理論（雪崩理論）：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，少數(shù)電子被加速?gòu)呢?fù)極向正極運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中電子不斷撞擊介質(zhì)中的離子或原子，同時(shí)將其部分能量傳給離子或原子，使之激發(fā)打出電子（次級(jí)電子）。這些次級(jí)電子也會(huì)從電場(chǎng)中獲取能量，而加速運(yùn)動(dòng)，撞擊其他原子或離子從而又激發(fā)第三級(jí)電子，如此下去產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。造成介質(zhì)中存在有大量自由電子，形成“電子潮”或“電子崩”，使介質(zhì)中瞬間通過(guò)的電流增大，使絕緣體成為導(dǎo)體。這種現(xiàn)象也叫“雪崩”。熱擊穿及其產(chǎn)生的原因：因介質(zhì)發(fā)熱而導(dǎo)致燒裂、熔融的現(xiàn)象。原因：由于電導(dǎo)和極化損耗，使部分電能轉(zhuǎn)換成熱能而使介質(zhì)本身的溫度升高。當(dāng)外電場(chǎng)很高而且在單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量大于散熱量時(shí)，介質(zhì)中有熱量的積蓄，使元器件的溫度不斷升高，最終使局部出現(xiàn)燒裂出現(xiàn)熔洞，導(dǎo)致破壞。鐵電體的概念：指在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且極化強(qiáng)度可因外電場(chǎng)反向而可逆轉(zhuǎn)向的晶體，或者說(shuō)存在電滯回線的晶體稱之為鐵電體。 自發(fā)極化：晶體在無(wú)外電場(chǎng)作用下，當(dāng)TTc即在某一臨界溫度以下，晶胞中自發(fā)產(chǎn)生正、負(fù)電荷中心不重合而存在偶極矩的現(xiàn)象。 電滯回線：它是鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度P隨外電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化軌跡（說(shuō)明極化強(qiáng)度滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度的變化）。電滯回線是鐵電性的宏觀反映，是鐵電體的一個(gè)特征（它反映了鐵電體中的電疇隨外電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向的特征）。電疇：晶體中自發(fā)極化方向相同的小區(qū)域。之所以有不同方向電疇的存在，是由于晶體中有不同的自發(fā)極化軸（極化方向），因而存在不同的電疇。疇壁：不同極化方向的相鄰電疇的交界處稱之疇壁。 壓電效應(yīng)：當(dāng)在某些各向異性的晶