固體物理簡(jiǎn)答題及答案

1、簡(jiǎn)答題1、原子結(jié)合成晶體時(shí)，原子的價(jià)電子產(chǎn)生重新分布，從而產(chǎn)生不同的結(jié)合力， 分析離子性、共價(jià)性、金屬性和范德瓦耳斯性結(jié)合力的特點(diǎn)。答案：離子性結(jié)合：正、負(fù)離子之間靠庫(kù)侖吸引力作用而相互靠近，當(dāng)靠近到 一定程度時(shí)，由于泡利不相容原理，兩個(gè)離子的閉合殼層的電子云的交迭會(huì)產(chǎn)生 強(qiáng)大的排斥力。當(dāng)排斥力和吸引力相互平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的離子晶體；共價(jià)性結(jié)合：靠?jī)蓚€(gè)原子各貢獻(xiàn)一個(gè)電子，形成所謂的共價(jià)鍵；金屬性結(jié)合：組成晶體時(shí)每個(gè)原子的最外層電子為所有原子所共有，因此在 結(jié)合成金屬晶體時(shí)，失去了最外層（價(jià)）電子的原子實(shí)沉浸”在由價(jià)電子組成的電子云”中。在這種情況下，電子云和原子實(shí)之間存在庫(kù)侖作用，體積越小電子

2、 云密度越高，庫(kù)侖相互作用的庫(kù)侖能愈低，表現(xiàn)為原子聚合起來(lái)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(gè)，具有球?qū)ΨQ的穩(wěn)定封閉 結(jié)構(gòu)。但在某一瞬時(shí)由于正、負(fù)電中心不重合而使原子呈現(xiàn)出瞬時(shí)偶極矩， 這就 會(huì)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(shí)偶極矩的互作用而 結(jié)合的。2什么叫簡(jiǎn)正振動(dòng)模式？簡(jiǎn)正振動(dòng)數(shù)目、格波數(shù)目或格波振動(dòng)模式數(shù)目是否是 一回事？答案：為了使問(wèn)題既簡(jiǎn)化又能抓住主要矛盾，在分析討論晶格振動(dòng)時(shí)，將原子間互作用力的泰勒級(jí)數(shù)中的非線形項(xiàng)忽略掉的近似稱為簡(jiǎn)諧近似在簡(jiǎn)諧近似下，由N個(gè)原子構(gòu)成的晶體的晶格振動(dòng)，可等效成3N個(gè)獨(dú)立的諧振子的振動(dòng). 每個(gè)諧振子的振動(dòng)模式稱為簡(jiǎn)

3、正振動(dòng)模式，它對(duì)應(yīng)著所有的原子都以該模式的 頻率做振動(dòng)，它是晶格振動(dòng)模式中最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)方式 原子的振動(dòng)，或者 說(shuō)格波振動(dòng)通常是這3N個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)模式的線形迭加.簡(jiǎn)正振動(dòng)數(shù)目、格波數(shù)目或格波振動(dòng)模式數(shù)目是一回事 ，這個(gè)數(shù)目等于晶體 中所有原子的自由度數(shù)之和，即等于3N.3. 長(zhǎng)光學(xué)支格波與長(zhǎng)聲學(xué)支格波本質(zhì)上有何差別 ？答案：長(zhǎng)光學(xué)支格波的特征是每個(gè)原胞內(nèi)的不同原子做相對(duì)振動(dòng)，振動(dòng)頻率較高，它包含了晶格振動(dòng)頻率最高的振動(dòng)模式長(zhǎng)聲學(xué)支格波的特征是原胞內(nèi)的 不同原子沒(méi)有相對(duì)位移，原胞做整體運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率較低，它包含了晶格振動(dòng)頻 率最低的振動(dòng)模式，波速是一常數(shù)任何晶體都存在聲學(xué)支格波，但簡(jiǎn)單晶格（非

4、 復(fù)式格子）晶體不存在光學(xué)支格波.4. 長(zhǎng)聲學(xué)格波能否導(dǎo)致離子晶體的宏觀極化 ？答案：長(zhǎng)光學(xué)格波所以能導(dǎo)致離子晶體的宏觀極化 ，其根源是長(zhǎng)光學(xué)格波使 得原胞內(nèi)不同的原子（正負(fù)離子）產(chǎn)生了相對(duì)位移.長(zhǎng)聲學(xué)格波的特點(diǎn)是，原胞內(nèi) 所有的原子沒(méi)有相對(duì)位移.因此，長(zhǎng)聲學(xué)格波不能導(dǎo)致離子晶體的宏觀極化. 5何謂極化聲子？何謂電磁聲子？答案：長(zhǎng)光學(xué)縱波引起離子晶體中正負(fù)離子的相對(duì)位移，離子的相對(duì)位移產(chǎn)生出宏觀極化電場(chǎng)，稱長(zhǎng)光學(xué)縱波聲子為極化聲子.由本教科書的（3.103）式可知，長(zhǎng)光學(xué)橫波與電磁場(chǎng)相耦合，使得它具有電磁 性質(zhì)，人們稱長(zhǎng)光學(xué)橫波聲子為電磁聲子.6、什么是聲子？答案：晶格振動(dòng)的能量量子。在晶體中

5、存在不同頻率振動(dòng)的模式，稱為晶格 振動(dòng)，晶格振動(dòng)能量可以用聲子來(lái)描述，聲子可以被激發(fā)，也可以湮滅。7、什么是固體比熱的德拜模型？并簡(jiǎn)述計(jì)算結(jié)果的意義。答案：德拜提出以連續(xù)介質(zhì)的彈性波來(lái)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(gè)縱波和2個(gè)獨(dú)立的橫波。 計(jì)算結(jié)果表明低溫極限下：15 札 與溫度的3次方成正比。 溫度愈低，德拜近似愈 好，說(shuō)明在溫度很低時(shí)，只有長(zhǎng)波格波的激發(fā)是主要的。8、什么是固體比熱的愛(ài)因斯坦模型？并簡(jiǎn)述計(jì)算結(jié)果的意義。答案：對(duì)于有N個(gè)原子構(gòu)成的晶體，晶體中所有的原子以相同的頻率 3 0振動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明溫度較高時(shí)：-與杜隆-珀替定律一致。溫度G - 3%（答）訂詒

6、非常低時(shí)：心/按溫度的指數(shù)形式降低，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果二川廠不符。愛(ài)因斯坦模型忽略了各格波的頻率差別。9、根據(jù)能帶理論簡(jiǎn)述金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電性；答案：對(duì)于金屬：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。對(duì)于半導(dǎo)體：從能帶結(jié)構(gòu)來(lái)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。對(duì)于絕緣體：價(jià)電子剛好填滿了許可的能帶，形成滿帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之 間存在一個(gè)很寬的禁帶，所以在電場(chǎng)的作用下沒(méi)有電流產(chǎn)生。10、簡(jiǎn)述近自由電子近似模型、方法和所得到的主要結(jié)論。答案：考慮金屬中電子受到粒子周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，假定周期性勢(shì)場(chǎng)的起伏

7、 較小。作為零級(jí)近似，可以用勢(shì)場(chǎng)的平均值代替離子產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)：.廠。周期性勢(shì)場(chǎng)的起伏量；“- 作為微擾來(lái)處理。當(dāng)兩個(gè)由相互自由的矩陣元狀態(tài)和的零級(jí)能量相等時(shí)，一級(jí)修正波函數(shù)和二級(jí)能量修正趨于無(wú)窮大。即：計(jì):，或者-，在布里淵區(qū)的邊界處，能量發(fā)出突變，形成一系列的能帶。11、簡(jiǎn)述緊束縛近似模型的思想和主要結(jié)論。緊束縛近似方法的思想：電子在一個(gè)原子（格點(diǎn)）附近時(shí)，主要受到該原 子勢(shì)場(chǎng)的作用，而將其它原子（格點(diǎn)）勢(shì)場(chǎng)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，這樣可以得到原子能級(jí)和晶體中能 帶之間的關(guān)系。 一個(gè)原子能級(jí)c i對(duì)應(yīng)一個(gè)能帶，不同的原子能級(jí)對(duì)應(yīng)不同的 能帶。當(dāng)

8、原子形成固體后，形成了一系列的能帶。能量較低的能級(jí)對(duì)應(yīng)內(nèi)層電子，其軌道較小，原子之間內(nèi)層電子的波函數(shù)相互重疊較少， 所以對(duì)應(yīng)的能帶較 窄。能量較高的能級(jí)對(duì)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，所以對(duì)應(yīng)的能帶較寬。12、什么是空穴？答案：一個(gè)空的狀態(tài)的近滿帶中所有電子運(yùn)動(dòng)形成的電流和一個(gè)帶正電荷 ，以“狀態(tài)電子速度“運(yùn)動(dòng)的粒子所產(chǎn)生的電流相同。這個(gè)空狀態(tài)稱為空 穴。13、將粒子看作是經(jīng)典粒子時(shí)，它的速度和運(yùn)動(dòng)方程是什么？訛_1二 Fv = V F答案：電子狀態(tài)變化基本公式：;電子的速度：14、簡(jiǎn)述導(dǎo)帶中的電子在外場(chǎng)作用下產(chǎn)生電流的原因。答案：導(dǎo)帶中只有部分狀態(tài)被電子填充

9、，外場(chǎng)的作用會(huì)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(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)，但由于能帶是不滿帶，逆電場(chǎng)方向上運(yùn)動(dòng)的電子較多，因此產(chǎn)生電流。15、簡(jiǎn)述滿帶中的電子在外場(chǎng)作用下不產(chǎn)生電流的原因。答案：有外場(chǎng)E時(shí)，所有的電子狀態(tài)以相同的速度沿著電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)。 在滿帶的情形中，電子的運(yùn)動(dòng)不改變布里淵區(qū)中電子的分布。 所以在有外場(chǎng)作用 的情形時(shí)，滿帶中的電子不產(chǎn)生宏觀的電流。16、從電子熱容量子理論簡(jiǎn)述金屬中的電子對(duì)固體熱容的貢獻(xiàn)。答案：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(duì)金屬的熱容量有貢獻(xiàn)。計(jì)

10、算結(jié)果表明電子的熱容量與溫度一次方成正比。0 F E 0 F E Tk B Q仃、為什么溫度較高時(shí)可以不考慮電子對(duì)固體熱容量的貢獻(xiàn)？答案：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(duì)金屬的熱容量有貢獻(xiàn)。在一般溫度下，晶格振動(dòng)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(gè)常數(shù)。18、為什么溫度較低時(shí)可以必須考慮電子對(duì)固體熱容量的貢獻(xiàn)？答案：在低溫范圍下，晶格振動(dòng)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(shí)電子的熱容量可 以和晶格振動(dòng)的熱容量相比

11、較，不能忽略。佃、為什么在絕對(duì)零度時(shí)，金屬中的電子仍然具有較高的能量？e =2r答案：溫度 時(shí)：電子的平均能量（平均動(dòng)能）：，電子仍具有相當(dāng)大的平均能量。因?yàn)殡娮颖仨殱M足泡利不相容原理， 每個(gè)能量狀態(tài)上只能 容許兩個(gè)自旋相反的電子。這樣所有的電子不可能都填充在最低能量狀態(tài)。20、簡(jiǎn)述研究金屬熱容量的意義，并以過(guò)渡元素 Mn、Fe、Co和Ni具有較高的 電子熱容量為例說(shuō)明費(fèi)密能級(jí)附近能態(tài)密度的情況。答案：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G丁 ME住異）耳與MF；）成正比，由電子的熱容量可以獲得費(fèi)米面附近能態(tài)密度的信息。）（0 F EN過(guò)渡元素Mn、Fe、Co和Ni具有較高

12、的電子熱容 量，反映了它們?cè)谫M(fèi)米面附近具有較大的能態(tài)密度。過(guò)渡元素的特征是d殼層電子填充不滿，從能帶理論來(lái)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?jī)?nèi)的軌道，在形成晶體時(shí)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(jiǎn)并的，所以形成的5個(gè)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(guò)渡金屬只是部分填充d能帶，所以費(fèi)密能級(jí)位于d能帶內(nèi)。21、簡(jiǎn)述金屬接觸電勢(shì)差的形成？答案：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(jí)不同， 當(dāng)相互接觸時(shí)可以發(fā)生電子交換，電子從費(fèi)米能級(jí)較高的金屬流向費(fèi)米能級(jí)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

13、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(jí)， 電子不再流動(dòng)交換。因此在兩塊金屬中產(chǎn)生了接觸電勢(shì)差。22、 以對(duì)Si摻入As后形成的N型半導(dǎo)體為例，簡(jiǎn)述摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的 影響。答案：對(duì)純的半導(dǎo)體材料摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，也能提供載流子。在Si摻入As后形成的N型半導(dǎo)體，雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級(jí)，能級(jí)略低于導(dǎo)帶底 的能量，和價(jià)帶中的電子相比較，很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中形成電子載流子。23、半導(dǎo)體本征邊吸收光的波長(zhǎng)為多少？答案：本征光吸收光子的能量滿足:方 LW 2 Eg ,長(zhǎng)波,2加E入=極限：一一本征吸收邊。24、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體本征激發(fā)的特點(diǎn)。答案：在足夠高的溫度時(shí)，

14、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(gè)電子同時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)空穴 ：有：. 由丄-卩工宀二，其中為帶隙寬度因?yàn)?EE，因此本征激發(fā)隨溫度變化更為陡峭。在這個(gè)范圍里，測(cè)量和分析載流 子隨溫度的變化關(guān)系，可以確定帶隙寬度。25、什么是非平衡載流子？答案：在熱平衡下，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)電子，或價(jià)帶中的電子通過(guò)吸收熱能， 激發(fā)到導(dǎo)帶中（載流子的產(chǎn)生），同時(shí)電子又可以回落到價(jià)帶中和空穴發(fā)生復(fù)合 （載流子的復(fù)合），最后達(dá)到平衡時(shí)，載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，電子和空穴的濃度有了一定的分布。電子和空穴的濃度滿足：-在外界 的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值。如本征光吸收將產(chǎn)

15、生電子一空穴對(duì)。即有：一 -稱為非平衡載流子26、以在P型材料形成的PN結(jié)為例，簡(jiǎn)述光生伏特效應(yīng)？答案：利用擴(kuò)散摻雜的方法，在P型半導(dǎo)體的表面形成一個(gè)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(duì)，在 PN結(jié)附近一個(gè) 擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)，電子-空穴對(duì)還沒(méi)有復(fù)合就有可能通過(guò)擴(kuò)散達(dá)到PN結(jié)的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域（PN結(jié)自建電場(chǎng)），電子將運(yùn)動(dòng)到N型區(qū)，空穴將運(yùn)動(dòng)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 一一光生伏特效應(yīng)。27、什么是異質(zhì)結(jié)的窗口效應(yīng)？答案：光子能量小于寬帶隙的N型層，即，可以透過(guò)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

16、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,使得一些電子一空穴對(duì)不能到達(dá)強(qiáng)電場(chǎng)以前，就發(fā)生了復(fù)合，降低了太陽(yáng)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一空穴的復(fù)合率， 提 高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。28、對(duì)于摻雜的N型半導(dǎo)體在熱平衡下，為什么導(dǎo)帶中電子的濃度越高，價(jià)帶 中空穴的濃度越低？答案：半導(dǎo)體中的電子和金屬中的電子一樣服從費(fèi)密 一一狄拉克統(tǒng)計(jì)。導(dǎo)帶中電子濃度：一 和價(jià)帶中空穴濃度：一-在N型半導(dǎo)體中，施主越多，激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子越多，電子躍遷與價(jià)帶中空穴發(fā)生復(fù)合的幾率越大，因此滿帶中的空穴越少。29、什么是本征光吸收躍遷和電子-空穴復(fù)合發(fā)光？答案：本征光吸收：光照可以將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中， 形成電子一空 穴對(duì)，這一過(guò)程稱為本征光吸收。電子-空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光是本征光吸收