現(xiàn)代功能材料復(fù)習(xí)合輯

一、原子的微觀結(jié)構(gòu)

1.主量子數(shù)

n(n=1、2、3、4……)

主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠近和能級的高低。

2.次量子數(shù)

l(l=0、1、2、3……)次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀。在由主量子數(shù)n確定的同一主殼層上的電子的能量有差異，可分成若干個能量水平不同的亞殼層，其數(shù)目隨主量子數(shù)而定，習(xí)慣上以s、p、d、f

表示。

3.磁量子數(shù)m(m=0、±1、±2、±3……)

磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。

4.自旋量子數(shù)ms

(ms

=+1/2、-1/2)

自旋量子數(shù)表示在每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電子。第一節(jié)原子的電子排列第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.1原子的電子排列

二、原子核外電子的分布三個基本原理：

泡利不相容原理

在一個原子中不可能存在四個量子數(shù)完全相同（即運動狀態(tài)完全相同）的兩個電子?；蛘?，在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同樣能量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個電子的自旋方向必定相反。最低能量原理電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則）

相同能量的軌道（也稱等價軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的軌道，而且自旋方向相同。作為洪特規(guī)則的特例，對于角量子數(shù)相同的軌道，當電子層結(jié)構(gòu)為全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即：全充滿:p6或d10或f14；半充滿:p3或d5或f7；

全空:p0或d0或f0。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.1原子的電子排列

第二節(jié)固體的能帶理論與導(dǎo)電性

一、能帶的形成基本原理：對于單個原子：單個原子的電子處在不同的分立能級或軌道上。

例如，一個原子有一個2s能級，3個2p能級，5個3d能級。不同能級之間的電子能量各不相同。電子的能量就是其所在能級的能量。單個原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級，在每個能級上可容許有兩個自旋方向相反的電子。

各能級之間存在著能隙。能隙是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性重要概念：滿帶：被電子填滿的能帶?？諑В簺]有被電子填充的能帶。價帶：被價電子占據(jù)的能量最高的能帶。導(dǎo)帶：價帶以上的空帶。金屬導(dǎo)電機理：價帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子，自由電子在電場作用下作定向運動形成電流。二、金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性金屬的能帶結(jié)構(gòu)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性各種金屬的能帶結(jié)構(gòu)3p02p63s22s21s2(b)堿土金屬Mg3s和3p能帶重疊，形成擴展能帶4s23d63p63s22p62s21s2(c)過渡金屬Fe4s和3d能帶重疊，形成擴展能帶3s12p62s21s2(a)堿金屬Na導(dǎo)帶價帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性

電荷載流子

定義：載帶電荷運動的粒子稱為電荷載流子。

基本類型：①電子和陰離子

負電荷載流子，也稱為負型載流子。②陽離子

正電荷載流子，也稱為正型載流子。如Pb2+。③空穴正電荷載流子。在半導(dǎo)體中尤為重要。電導(dǎo)率和載流子：載流子遷移率：在外加電場作用下，載流子在原子尺度的結(jié)構(gòu)中移動的難易程度，即：電導(dǎo)率：由載流子濃度n、每個載流子所帶電荷q、載流子遷移率

決定，即：

第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性

金屬的電阻率與溫度的關(guān)系一般而言，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系是線性的，且具有正的溫度系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。原理：由于晶體熱擾動的強度隨溫度的上升而成比例地增加，減少了晶體的規(guī)則性而使電子的平均自由程減小，從而減小了金屬中電子的遷移率，使電阻率增大。電阻溫度系數(shù)yT與溫度T和電阻率的關(guān)系：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性三、費米能級

費米分布函數(shù)f（E）f（E）的物理意義：代表在一定溫度下電子占有能量為E的狀態(tài)的幾率。Ef

：費米能

費米能的意義（1）Ef

以下基本上是被電子填滿的，Ef以上的能級基本上是空的。（2）由于熱運動，電子可具有大于Ef的能量而躍遷到導(dǎo)帶中，但只集中在導(dǎo)帶的底部。同樣理由，價帶中的空穴也多集中在價帶的頂部。（3）對于一般金屬，Ef處于價帶和導(dǎo)帶的分界處。對于半導(dǎo)體，Ef位于禁帶中央。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)（Ev代表價帶的最高能量，Ec代表導(dǎo)帶的最低能量，Ef是費米能）價帶導(dǎo)帶EgEfEcEv價帶導(dǎo)帶EcEv價帶導(dǎo)帶Ev半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體Eg第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.2固體的能帶理論與導(dǎo)電性第三節(jié)半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的兩個顯著的特點：

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對材料的純度的依賴性極為敏感。例如，百萬分之一的硼含量就能使純硅的電導(dǎo)率成萬倍增加。如果所含雜質(zhì)的類型不同，導(dǎo)電類型也不同（如電子電導(dǎo)或空穴電導(dǎo)）。

電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。溫度升高或受光照射時均可使電阻率迅速下降。一些特殊的半導(dǎo)體在電場或磁場的作用下，電阻率也會發(fā)生變化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的能隙與電子運動性材料能隙/eV電子運動速率孔運動速率/cm2·(V·s)-1/cm2·(V·s)-1C(金剛石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400兩個規(guī)律：①沿周期表下移，即依C(金剛石)、Si、Ge、Sn的順序，能隙依次減小；②在給定的半導(dǎo)體中，電子遷移率大于同一半導(dǎo)體中空穴的遷移率。第②點在討論與p型半導(dǎo)體相對照的n型半導(dǎo)體時尤其重要。

本征半導(dǎo)體的電荷遷移率第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系當溫度升高，價帶中電子熱運動加劇，使電子能夠獲得更高的能量，從而使躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導(dǎo)率增大。本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：結(jié)論：本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受溫度影響很大，隨溫度的升高呈指數(shù)增長。通過測定半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系可以求出其禁帶寬度Eg。

第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體

基本定義：當在純凈的硅(或鍺)中摻雜施主雜質(zhì)時，半導(dǎo)體則主要依靠施主提供的電子導(dǎo)電，此即n型半導(dǎo)體。特點：施主雜質(zhì)提供的額外電子不能位于價帶中，而只能位于靠近禁帶的頂部。額外電子與原子結(jié)合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能量就可以進入導(dǎo)帶。額外電子進入導(dǎo)帶需要克服的能壘為Ed

，通常稱為施主能級。它比較接近導(dǎo)帶底的能量?？刂苙型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是Ed

而非是Eg

。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體

載流子的濃度：式中：第一項為施主雜質(zhì)的電子濃度，第二項為無雜質(zhì)純半導(dǎo)體的電子和空穴濃度，n0d和n0均大致為常數(shù)。

施主耗盡(受主飽和)：在n型半導(dǎo)體中，當溫度升高時，有越來越多的施主雜質(zhì)電子能克服Ed進入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部進入導(dǎo)帶，即出現(xiàn)施主耗盡。施主耗盡出現(xiàn)時，n型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率將不再發(fā)生變化。n總＝ne（施主）＋ne（本征）＋nh（本征）n總＝

第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體

基本定義：當在純凈的硅(或鍺)中摻雜受主雜質(zhì)時，半導(dǎo)體則主要依靠受主提供的空穴導(dǎo)電，此即p型半導(dǎo)體。特點：受主雜質(zhì)提供的空穴不能位于價帶中，而只能是靠近禁帶底部。受主雜質(zhì)接受一個電子并產(chǎn)生空穴所需克服的勢壘只稍高于價帶，以受主能級Ea表示。

控制p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是Ea

而非是Eg。載流子的濃度：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.3半導(dǎo)體二、超導(dǎo)電性的基本特征零電阻效應(yīng)（R＝0）材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)（B＝0）處于超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)（超導(dǎo)球排斥磁通）第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.4材料的超導(dǎo)電性

三、超導(dǎo)體的臨界參數(shù)臨界溫度Tc

臨界溫度即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。當T>Tc時：超導(dǎo)體呈正常態(tài)；當T<Tc時，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。臨界磁場Hc

當溫度低于Tc時，強磁場也會破壞超導(dǎo)態(tài)，即有磁力線穿入超導(dǎo)體內(nèi)，材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。將可以破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場，稱為臨界磁場。臨界電流Ic（臨界電流密度Jc）通過超導(dǎo)體的電流也會破壞超導(dǎo)態(tài)，當電流超過某一臨界值時，超導(dǎo)體就出現(xiàn)電阻。將產(chǎn)生臨界磁場的電流，即超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流，稱為臨界電流。

第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.4材料的超導(dǎo)電性

超導(dǎo)部分正常導(dǎo)體部分磁通磁場電流超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)兩類超導(dǎo)體：第一類超導(dǎo)體：當H＜Hc時，呈超導(dǎo)性；當H＞Hc時，呈正常態(tài)。第二類超導(dǎo)體：有兩個臨界磁場：下臨界磁場和上臨界磁場（分別用Hc1和Hc2表示）。

T

<Tc時：當H<Hc1時，與第一類超導(dǎo)體相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；當Hc1<H<Hc2時，第二類超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)；當H＝Hc2時，超導(dǎo)部分消失，導(dǎo)體轉(zhuǎn)為正常態(tài)。通常，第二類超導(dǎo)體的Hc1較小，Hc2

則比Hc1高一個數(shù)量級，并且，大部分第二類超導(dǎo)體的Hc2比第一類超導(dǎo)體的Hc要高得多。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.4材料的超導(dǎo)電性

五、超導(dǎo)隧道效應(yīng)

（約瑟夫森效應(yīng)）

兩超導(dǎo)體中間的絕緣層能讓超導(dǎo)電流通過的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)。

延伸：①兩塊超導(dǎo)體中間夾一層金屬可形成約瑟夫森結(jié)；②超導(dǎo)體中間為真空，兩者靠得很近可行形成約瑟夫森結(jié)；③兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成點接觸可行形成約瑟夫森結(jié)；④兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成微橋接觸可行形成約瑟夫森結(jié)。S1S2nm級厚度的介電勢壘I約瑟夫森結(jié)示意圖

構(gòu)成約瑟夫森結(jié)的關(guān)鍵：兩塊超導(dǎo)體間呈弱連接。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.4材料的超導(dǎo)電性

非極性電介質(zhì)由非極性分子組成，在無外加電場時分子的正負電荷重心互相重合，不具有電偶極矩，只是在外加電場作用下正負電荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。極性電介質(zhì)由極性分子組成，即使在無外電場時每個分子的正負電荷重心也不互相重合，具有固有電偶極矩。電解質(zhì)的分類：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.5材料的介電性

H2O的比例模型H2O的球棍模型

極化機制電介質(zhì)極化的三種主要基本過程：電子極化由材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生。離子極化由材料的分子中正、負離子相對位移造成。又稱原子極化。轉(zhuǎn)向極化由材料分子的固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致。又稱分子極化、取向極化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.5材料的介電性

介電常數(shù)、真空介電常數(shù)0、相對介電常數(shù)r、介電極化率的關(guān)系真空介電常數(shù)0＝8.85×10-12F·m-1第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.5材料的介電性

第六節(jié)材料的磁性一、原子的磁矩

磁性的強弱是指物質(zhì)本身固有的磁矩大小，與原子磁矩有關(guān)。原子的磁矩由電子軌道磁矩和電子自旋磁矩兩部分組成。電子軌道磁矩B＝，稱為玻爾磁子，是計算磁矩的最小單位，其值為9.27×10-24A·m2；l為決定軌道角動量的量子數(shù)；h為普朗克常數(shù)；

“－”表示軌道角動量PL的方向與

L的方向相反。erlPL電子的軌道運動第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性兩種情況的分析：①內(nèi)層全部填滿電子，外層未填滿電子，即有外層價電子價電子雖有凈磁矩，但對多原子聚合體來說，各原子的凈磁矩將互相抵消，因此不顯示固有磁矩。②內(nèi)層和外層均未填滿電子各原子的凈磁矩將不能相互抵消，如過渡族元素——鐵、鈷、鎳，稀土元素——釓(Gd)，這些元素具有固有磁矩。特別提示：電子殼層未被電子填滿，只是物質(zhì)是否顯示磁性的必要條件，而非充分條件。舉例：銅、鉻、釩以及所有的鑭系元素都有未被填滿的電子層，但上述三個元素以及除釓和一些重稀土元素以外的所有鑭系元素，都不會顯示出磁性。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性二、磁化強度與磁化率

磁化強度

磁化強度是描述物質(zhì)磁性強弱和磁化狀態(tài)的物理量，它表示物質(zhì)固有磁矩的大小，其物理意義是物質(zhì)單位體積的原子磁矩的總和：磁化率物質(zhì)在磁場中磁化后，其磁化強度與磁場強度的關(guān)系是：

是磁化率，代表物質(zhì)磁化的難易程度。

(A·m-1)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性、

0、

r分別是材料的磁導(dǎo)率、真空磁導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率。相對磁導(dǎo)率取決于物質(zhì)的本性及磁場強度的大小，無量綱，

0＝4×10-7H·m-1。

磁化強度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

在磁場中，不同的物質(zhì)所引起的磁場的變化是由于它們的磁化強度不同而造成的。因此，的作用相當于在物質(zhì)中產(chǎn)生的一個附加磁場。磁化強度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系：地球的磁感應(yīng)強度為6×10-5T

典型棒狀磁體的磁感應(yīng)強度為1T。

(T)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性M，A/mH，A/m順磁體（>0）抗磁體（<0）抗磁質(zhì)和順磁質(zhì)的磁化曲線M，A/mB，A/mH，A/m鐵磁質(zhì)的磁化曲線M－HB－HHsBsMs第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性磁疇結(jié)構(gòu)

磁疇：海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁疇理論：①鐵磁性物質(zhì)由許多小磁疇組成的。磁疇尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁疇含109～1015原子。②在每一磁疇內(nèi)電子的自旋磁矩方向相同（即產(chǎn)生自發(fā)磁化），且通常沿著易磁化方向，從而使單個磁疇具有很高的磁飽和強度。由于晶體中易磁化方向有多個，如鐵的易磁化方向有6個，鎳有8個，所以，鐵磁性物質(zhì)在宏觀上并不呈現(xiàn)磁性。③磁化曲線可用磁疇移動給予解釋。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性磁疇結(jié)構(gòu)

磁疇：海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁疇理論：①鐵磁性物質(zhì)由許多小磁疇組成的。磁疇尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁疇含109～1015原子。②在每一磁疇內(nèi)電子的自旋磁矩方向相同（即產(chǎn)生自發(fā)磁化），且通常沿著易磁化方向，從而使單個磁疇具有很高的磁飽和強度。由于晶體中易磁化方向有多個，如鐵的易磁化方向有6個，鎳有8個，所以，鐵磁性物質(zhì)在宏觀上并不呈現(xiàn)磁性。③磁化曲線可用磁疇移動給予解釋。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.6材料的磁性被照射物質(zhì)的電子與光子的交互作用結(jié)果：

吸收電子從價帶被激發(fā)至導(dǎo)帶電子不能從價帶被激發(fā)至導(dǎo)帶不透明透射透明光的吸收與透射的物理本質(zhì)：價帶導(dǎo)帶EgEfEcEv價帶導(dǎo)帶EcEv價帶導(dǎo)帶Ev半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體Eg第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

二、材料的發(fā)光性能發(fā)光：

指材料在吸收外界能量后，其中部分能量以頻率在可見光范圍的光子向外發(fā)射的現(xiàn)象。發(fā)光的特征發(fā)光的第一個特征——顏色：材料發(fā)光光譜（又稱發(fā)射光譜）的三種類型：寬帶：半寬度——100nm，如CaWO4；窄帶：半寬度——50nm，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+；線譜：半寬度——0.1nm，如GdVO4:Eu3+。一種材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

發(fā)光的種類熒光：材料價帶中的電子受外界激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，并在那里停留很短的時間(10－8s左右)，然后自發(fā)地返回到價帶中，并相應(yīng)地放出光子，即為熒光，其波長由＝hc/Eg確定。當外界激發(fā)源去除，熒光這種發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失。磷光：由微量雜質(zhì)引入了施主能級后，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前，首先落入施主能級并被俘獲，停留一段較長的時間(大于10－8s)，然后才返回價帶，這時也相應(yīng)地放出光子，便稱為磷光，其波長由＝hc/(Eg－Ed)確定。磷光能持續(xù)一段較長的時間。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

輻射能量的兩種途徑：自發(fā)輻射：電子無規(guī)則地從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)。受激輻射：具有一定能量的光子與處于激發(fā)態(tài)的電子相互作用，使電子躍遷到基態(tài)，同時激發(fā)出第二個光子。E1E2自發(fā)輻射E1E2受激輻射h這種受激發(fā)射的光就是激光。hh第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

①激光產(chǎn)生的必要條件當外界光子與材料發(fā)生相互作用時，既有可能發(fā)生吸收過程，也有可能產(chǎn)生受激輻射。是否產(chǎn)生激光，要看處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)粒子的相對數(shù)目，如果激發(fā)態(tài)中的粒子數(shù)較多，則受激輻射占優(yōu)勢，就會產(chǎn)生激光；反之，則是吸收占優(yōu)勢。入射光子引發(fā)受激輻射或被吸收hhh引發(fā)受激輻射E2E1h吸收E2E1第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

三、材料的光電效應(yīng)物質(zhì)在受到光照后而引發(fā)的某些電性質(zhì)的變化的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)有光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電發(fā)射效應(yīng)三種。前兩種效應(yīng)發(fā)生在物體內(nèi)部，統(tǒng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)，它一般發(fā)生于半導(dǎo)體中；光電子發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生于物體表面，又稱外光電效應(yīng)，它主要發(fā)生于金屬中。

光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體在受到光照射時，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)的物理本質(zhì)：半導(dǎo)體受光照射，內(nèi)部將激發(fā)出新的載流子，稱為光生載流子或非平衡載流子，從而使電導(dǎo)率發(fā)生變化。

本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)：若光子的能量h大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，則價電子將被激發(fā)至導(dǎo)帶，出現(xiàn)附加的電子－空穴對，使電導(dǎo)率增大，此為本征光電導(dǎo)；若光照僅激發(fā)半導(dǎo)體禁帶中雜質(zhì)能級上的電子或空穴而改變其電導(dǎo)率，則為雜質(zhì)光電導(dǎo)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

光生伏特效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體的p-n結(jié)上時，在p-n結(jié)的兩端會出現(xiàn)電勢差，p區(qū)為正極，n區(qū)為負極。這一電勢差可以用高內(nèi)阻的電壓表測量出來，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。－＋自建電場

光生伏特效應(yīng)的原理：

p-n結(jié)兩側(cè)存在載流子濃度差，導(dǎo)致n區(qū)電子向p區(qū)擴散，p區(qū)空穴向n區(qū)擴散，結(jié)果在p-n結(jié)附近的p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了負電荷區(qū)，而n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了正電荷區(qū)，稱為空間電荷區(qū)。空間電荷的存在形成了一個自建電場，其方向由n區(qū)指向p區(qū)。自建電場一方面能阻止空穴和電子進一步移動，最終達到平衡狀態(tài)；另一方面能推動n區(qū)空穴和p區(qū)電子分別向?qū)Ψ竭\動。

pn第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

當光照射到p-n結(jié)上時，只要光子能量h>Eg，就可以在p區(qū)、n區(qū)和p-n結(jié)區(qū)激發(fā)出電子－空穴對，打破原有的平衡狀態(tài)。在p-n結(jié)附近區(qū)域產(chǎn)生的電子在自建電場作用下將穿過勢壘到達n區(qū)，并積累起來。同樣，p-n結(jié)附近區(qū)域產(chǎn)生的空穴也以這樣的方式到達p區(qū)，也積累起來。這樣，在n區(qū)就積累了較多的負電荷，在p區(qū)就積累了較多的正電荷，這相當于在p-n結(jié)上加上了正向電壓，即由于光照而在p-n結(jié)的兩端出現(xiàn)了電動勢（稱為光生電動勢）。hpn－＋自建電場I第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

pnp耗盡層n----------++++++++++空穴電子動平衡時p

型與n

型接觸區(qū)域的電勢變化p-n結(jié)的內(nèi)建電場電勢電子勢能無光照P型N型P型N型EfpEfnEf能級彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費米能級p-n結(jié)的能帶圖有光照

光電發(fā)射效應(yīng)當金屬或半導(dǎo)體受到光照射時，其表面和體內(nèi)的電子因吸收光子能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，即產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)。光電發(fā)射的三個過程：光吸收、電子向界面運動和克服表面勢壘向外逸出。光電發(fā)射遵守的規(guī)律：

式中，W為材料的逸出功；h為光子能量；umax為光電子逸出材料后具有的最大速率。只有h≥W，才能產(chǎn)生光電發(fā)射，即入射光頻率有一下限值(波長有一上限值)，稱為紅限頻率，相應(yīng)的波長稱為紅限波長。一個光子與其所能引致的發(fā)射光電子數(shù)之比，稱為量子效率，一般為0.1～0.2。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能－§1.7材料的光學(xué)性質(zhì)

導(dǎo)電材料可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。三大類電子導(dǎo)電材料：①導(dǎo)體：電導(dǎo)率

≥105S·m-1（或-1·m-1）；②半導(dǎo)體：電導(dǎo)率在10-8～104S·m-1之間；③超導(dǎo)體：電導(dǎo)率趨于無限大（T＜Tc）。第二章電性材料第一節(jié)導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料純金屬合金銅鋁其他(銀、金、鎳、鉑等)銅合金鋁合金其他(銀合金、金合金、鎳合金等)導(dǎo)電材料的性能要求：高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能和加工性能。一、導(dǎo)電材料的種類及應(yīng)用純金屬電導(dǎo)率

在107～108S·m-1之間。

1、銅純銅，又稱紫銅，外觀呈淡紫紅色。優(yōu)點：良好的導(dǎo)電性（僅次于銀）、耐腐蝕性、塑性加工性。缺點：硬度低、耐磨性差、易與硫生成硫化銅而致使導(dǎo)電性能降低。因此，用銅制造的導(dǎo)線不能與硫化過的橡膠直接接觸，使用時必須在銅導(dǎo)線外面預(yù)先鍍好一層錫。影響銅導(dǎo)電性能的因素：雜質(zhì)(如氧)、冷加工等將降低銅的電導(dǎo)率。改善措施：在保護氣氛下可以重熔出無氧銅，具有塑性高，電導(dǎo)率高的特點。冷加工制成的純銅經(jīng)400～600C退火處理，可使其導(dǎo)電性能有所恢復(fù)。第二章電性材料

2、鋁鋁的電導(dǎo)率約為銅的61%，密度為銅的30%，機械強度為銅的1/2，比強度比銅高約30%。優(yōu)點：良好的導(dǎo)電性，資源豐富，價格便宜。缺點：強度低，熱穩(wěn)定性較差，不易焊接，與其他電極電位較大的金屬(如銅)接觸時耐腐蝕能力降低。例如，在環(huán)境潮濕中，易形成電動勢相當高的局部電池而遭受嚴重的腐蝕破壞。因此，在選用鋁材時，應(yīng)避免高電極電位雜質(zhì)的存在，而對鋁線與銅線的接合處，則要增加保護措施。影響鋁的性能的因素：雜質(zhì)使鋁的電導(dǎo)率下降（其中鉻、鋰、錳、釩、鈦等影響較大，須嚴格控制）。冷加工對鋁的電導(dǎo)率影響不大（例如經(jīng)90%以上冷變形，鋁的抗拉強度可提高5～6倍，電導(dǎo)率降低約1.5%）。第二章電性材料

3、其他純金屬（1）銀特點：具有最高的電導(dǎo)率，極好的加工性，但價格較高。在貴金屬中，銀又是價格最低的。應(yīng)用：接點材料、云母與陶瓷電容器的被覆與燒滲銀電極、銀基焊料、導(dǎo)線電鍍材料、制造高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電相材料等。（2）金特點：電導(dǎo)率與鋁相近，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但價格昂貴。應(yīng)用：接點與電鍍材料，引線和連接材料等。（3）鎳特點：熔點較高，便于焊接。應(yīng)用：電真空器件(如支架、柵板、極板、隔離罩等)。（4）鉑特點：良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的加工性。應(yīng)用：觸點材料、高溫?zé)犭娕疾牧?、厚膜?dǎo)體及電極材料等。第二章電性材料室溫下一些純金屬的電導(dǎo)率材料類別

/S·m－1材料類別

/S·m－1銀（Ag）6.3×107鐵（Fe）1.03×107銅（Cu）5.85×107鉑（Pt）0.94×107金（Au）4.25×107鈀（Pd）0.92×107鋁（Al）3.45×107錫（Sn）0.91×107鎂（Mg）2.2×107鉭（Ta）0.8×107鋅（Zn）1.7×107鉻（Cr）0.78×107鈷（Co）1.6×107鉛（Pb）0.48×107鎳（Ni）1.46×107鋯（Zr）0.25×107第二章電性材料

（2）硅和鍺單晶的制備

首先獲得超高純度的硅或鍺的多晶材料，然后制備硅或鍺單晶。第二章電性材料石英管高頻加熱器惰性氣體(N2)拉伸裝置石墨制螺桿容器氣體出口半導(dǎo)體材料區(qū)熔提純法示意圖區(qū)熔提純原理：利用溶質(zhì)在凝固時的重新分布來獲得提純效果。將原料裝入螺桿狀容器內(nèi)，采用感應(yīng)加熱使一部分原料熔化，然后緩慢移動熔化部分，雜質(zhì)（溶質(zhì)）則陸續(xù)淀積于螺桿容器的終端，經(jīng)過多次循環(huán)作用，即可獲得到超高純度的半導(dǎo)體多晶材料，有害雜質(zhì)的含量小于0.01×10-6。石英坩堝石墨托石墨加熱器保溫筒電極硅單晶籽晶現(xiàn)代直拉爐示意圖第二章電性材料直拉單晶原理：首先將區(qū)域熔煉法得到的高純度硅或鍺多晶材料裝入坩堝中使之熔化，然后加熱到比材料熔點稍高的溫度后保持爐溫。將籽晶夾在籽晶桿上，隨后讓籽晶桿下降，使籽晶與液面接觸，接著緩慢降低溫度，同時使籽晶桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上提拉，這樣晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大，最終成長為單晶硅錠或單晶鍺錠。第二章電性材料

4、晶體管最簡單的晶體管：在一塊半導(dǎo)體單晶片上，采取一定的工藝措施，在三個區(qū)域分別摻雜，形成串聯(lián)的p-n結(jié)，即一個最簡單的晶體管。晶體管的特性：信號放大。多余的空穴多余的電子nnp一個npn雙極結(jié)晶體管npn發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)外部負載IexVbcVeb基區(qū)-集電區(qū)結(jié)上承受較大的反向偏壓（Vbc），回路中的電流很小。發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)上受到較小的正向偏壓的作用（Veb），在發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)界面附近區(qū)域中，發(fā)生空穴和電子的復(fù)合。這種復(fù)合并不能都準確地發(fā)生于結(jié)界面上。來自發(fā)射區(qū)的一些電子，在復(fù)合前已穿過發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)進入基區(qū)。若基區(qū)足夠薄，則來自發(fā)射區(qū)的未復(fù)合電子將跨過基區(qū)-集電區(qū)結(jié)。電子一旦跨過基區(qū)-集電區(qū)結(jié)，將快速被吸引到集電區(qū)右側(cè)高電位處，如果未復(fù)合電子足夠多，就會有一個較大的電流流過外部負載。第二章電性材料晶體管的工作原理：第二章電性材料

（1）鑭鍶銅氧化物（La-Sr-Cu-O）超導(dǎo)體

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4摻雜得到，具有K2NiF4結(jié)構(gòu)。特點：具有準二維結(jié)構(gòu)特征，屬四方晶系。純La2CuO4沒有超導(dǎo)電性，有過量氧的La2CuO4+

才是超導(dǎo)體。當部分La3+離子被二價Ba2+和Sr2+替代時才顯示出超導(dǎo)性質(zhì)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在20～40K之間。（2）釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7-

）超導(dǎo)體

YBa2Cu3O7-

由三個類鈣鈦礦單元堆垛而成的。特點：隨氧含量的降低，結(jié)構(gòu)由正交相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵琓c逐漸降低。

三個典型YBa2Cu3O7-

超導(dǎo)相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。第二章電性材料

（1）鑭鍶銅氧化物（La-Sr-Cu-O）超導(dǎo)體

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4摻雜得到，具有K2NiF4結(jié)構(gòu)。特點：具有準二維結(jié)構(gòu)特征，屬四方晶系。純La2CuO4沒有超導(dǎo)電性，有過量氧的La2CuO4+

才是超導(dǎo)體。當部分La3+離子被二價Ba2+和Sr2+替代時才顯示出超導(dǎo)性質(zhì)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在20～40K之間。（2）釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7-

）超導(dǎo)體

YBa2Cu3O7-

由三個類鈣鈦礦單元堆垛而成的。特點：隨氧含量的降低，結(jié)構(gòu)由正交相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，Tc逐漸降低。

三個典型YBa2Cu3O7-

超導(dǎo)相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。第二章電性材料

（1）鑭鍶銅氧化物（La-Sr-Cu-O）超導(dǎo)體

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4摻雜得到，具有K2NiF4結(jié)構(gòu)。特點：具有準二維結(jié)構(gòu)特征，屬四方晶系。純La2CuO4沒有超導(dǎo)電性，有過量氧的La2CuO4+

才是超導(dǎo)體。當部分La3+離子被二價Ba2+和Sr2+替代時才顯示出超導(dǎo)性質(zhì)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在20～40K之間。（2）釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7-

）超導(dǎo)體

YBa2Cu3O7-

由三個類鈣鈦礦單元堆垛而成的。特點：隨氧含量的降低，結(jié)構(gòu)由正交相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，Tc逐漸降低。

三個典型YBa2Cu3O7-

超導(dǎo)相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。磁致伸縮效應(yīng)及其表征磁致伸縮效應(yīng) 在磁場中磁化狀態(tài)改變時，鐵磁和亞鐵磁材料引起尺寸或體積微小的變化，稱為磁致伸縮。焦耳發(fā)現(xiàn)磁致伸縮效應(yīng)Villari發(fā)現(xiàn)逆磁致伸縮效應(yīng)

因為磁致伸縮量極小，可由應(yīng)變張量S的分量表示 如i表示三個互相垂直方向的線磁致伸縮，則 由于一般金屬及合金的體積磁致伸縮系數(shù)很小，所以現(xiàn)在大量研究和應(yīng)用的是線磁致伸縮系數(shù)，亦被稱為磁致伸縮系數(shù)。

沿不同方向測量出的不同。一般情況下，是指沿磁場方向的測量值。通常有縱向磁致伸縮系數(shù)（用∥表示）和橫向磁致伸縮系數(shù)（用⊥表示）。

∥=(dl/l)∥ (沿磁場方向測量值) ⊥=(dl/l)⊥ (垂直磁場方向測量值)

是磁場和溫度的函數(shù)。在一定溫度下，││隨磁場強度增加而增大，達到飽和磁化時，達到一穩(wěn)定的飽和值，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，以s表示，可正、可負。s正：鐵磁化時，隨磁化強度M的增加至飽和磁化強度Ms，沿磁化方向發(fā)生伸長。s負：鎳磁化時，隨磁化強度M的增加至飽和磁化強度Ms，沿磁化方向發(fā)生縮短。

一般資料中的值即是指s。對單晶體而言，s是一個各向異性的物理量。不同晶向的s值用100、110、111等表示。材料的磁致伸縮系數(shù)不僅與化學(xué)成分有關(guān)，而且與材料的熱處理狀態(tài)有密切關(guān)系。這主要是因為磁疇分布、磁化過程與熱處理有密切關(guān)系。某些多晶體的-H曲線關(guān)系與M-H曲線關(guān)系類似。鐵的情況較復(fù)雜，在某磁場強度值時會發(fā)生變號，也是磁致伸縮的各向異性所致。鐵在弱及中等強度的磁場中時，[100]晶向的起主要作用，而在強磁場中，[111]晶向的起主要作用。

磁致伸縮也有磁滯現(xiàn)象。當磁場由正到負循環(huán)變化一周時，可得到一條磁致伸縮系數(shù)回線。幾種鐵磁體磁致伸縮系數(shù)隨磁場的變化軟磁材料磁性材料磁記錄材料硬磁材料磁性材料是應(yīng)用物質(zhì)的磁性和各種磁效應(yīng)，以滿足電工設(shè)備、電子儀器、電子計算機等各方面技術(shù)要求的金屬、合金及鐵氧體化合物材料。磁性材料的基本參量：起始磁導(dǎo)率i、最大磁導(dǎo)率m、矯頑力Hc、剩余磁感應(yīng)強度Br、最大磁能積(BH

)m等。磁性材料的類別：第三章磁性材料｝特性比較第一節(jié)軟磁材料軟磁材料是電力和電子工業(yè)中的重要磁性材料。

一、軟磁材料的特性矯頑力低一般為Hc<0.8kA/m。易磁化在磁場中容易顯示磁性，即使磁場強度較小。易退磁施加外磁場即顯示磁性，去掉外磁場，則獲得的磁性便會全部或大部分喪失。第三章磁性材料－§3.1軟磁材料軟磁材料的磁滯回線BrO-HcHc-BrBHBs-Bs二、軟磁材料的基本性能要求貯能高：要求單位體積貯存的磁能量高。磁性參量的要求：高的Bs或Br。靈敏度高：要求在弱磁場中對信號有高靈敏性。磁性參量的要求：高的i和m。效率高：要求在磁場中工作時具有低的磁滯損耗和渦流損耗。磁性參量的要求：低的Hc，高的?；鼐€矩形比高：保證噪音小，信號不失真等。磁性參量的要求：高的Br/Bs比值。穩(wěn)定性好：要求磁性不隨外界條件變化而改變，其變化率越小則穩(wěn)定性越好。第三章磁性材料－§3.1軟磁材料HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲線第二節(jié)硬磁材料硬磁材料是在磁場中被磁化后能夠顯示磁性，磁場撤除之后仍然保持較強磁性的一類鐵磁物質(zhì)，又稱永磁材料、恒磁材料。一、硬磁材料的基本性能要求最大磁能積(BH

)m大可在給定的空間產(chǎn)生足夠大的磁場H。

決定(BH

)m大小的兩個因素：①Hc和Br：Hc和Br越大，(BH)m則越大。②退磁曲線的形狀：退磁曲線的凸起越顯著，(BH)m則越大。磁穩(wěn)定性好要求磁鐵產(chǎn)生的磁場不隨時間、應(yīng)力、溫度、振動、輻射及電磁場的變化而變化，或變化很小。

第三章磁性材料－§3.2硬磁材料一、磁記錄技術(shù)與原理磁記錄模式三種記錄模式：

1、縱向（水平）記錄利用磁頭位于磁記錄介質(zhì)面內(nèi)的磁場縱向(水平)矢量來寫入信息。

2、垂直記錄利用磁場的垂直分量在具有各向異性的記錄介質(zhì)上寫入信息。

3、磁光記錄利用光頭，靠激光束加磁場來寫入信息，利用磁光效應(yīng)讀出信息。磁記錄材料磁頭材料磁記錄介質(zhì)材料磁記錄材料的類別：第三章磁性材料－§3.3硬記錄材料磁記錄系統(tǒng)四個基本單元：

1、存儲介質(zhì)即磁記錄材料，如磁帶、磁盤等。

2、換能器即磁頭。

3、傳送介質(zhì)裝置即磁記錄介質(zhì)傳送機構(gòu)。

4、電子線路與上述單元相匹配的電路。第三章磁性材料－§3.3硬記錄材料縱向磁記錄過程

磁記錄過程以縱向記錄模式為例：

1、信號的記錄磁頭線圈中的信號電流在縫隙產(chǎn)生磁場溢出，使磁介質(zhì)(磁帶)磁化，產(chǎn)生的剩磁對應(yīng)著信號電流。電流信號→磁信號

2、信號的讀出已磁化的介質(zhì)重新接近磁頭時，通過拾波線圈感生出磁通，磁通大小與磁介質(zhì)中的磁化強度成比例。磁信號→電流信號第三章磁性材料－§3.3硬記錄材料第一節(jié)激光材料一、激光的特性和激光器的基本結(jié)構(gòu)激光的特性

①定向性或準直性好一般光線是發(fā)散開來的。②波長單一，即單色性好一般光通常是由幾種不同頻率的光組成的。③具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增強，而一般光是非相干的。④強度大，亮度高。激光的上述四個特性都很重要，每一個特性都能開發(fā)出許多重要的應(yīng)用。第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料二、固體激光器材料

固體激光器材料應(yīng)具備的條件①應(yīng)具有合適的光譜特性②激發(fā)態(tài)吸收要?、劬哂辛己玫墓鈱W(xué)均勻性和穩(wěn)定性④應(yīng)具有良好的物化性能固體激光工作物質(zhì)

固體激光工作物質(zhì)由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分構(gòu)成。

1、激活離子（1）激活離子的作用實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

激活離子在固體中提供亞穩(wěn)態(tài)能級，由光泵作用激發(fā)振蕩出一定波長的激光，即實現(xiàn)將低能級上的粒子“抽運”到高能級上去。激活離子是激光晶體的發(fā)光中心，激光的波長即由激活離子的種類決定。第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料（2）激活離子的種類

①過渡金屬離子

Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶體中，其光譜特性有很大差異。②三價稀土離子鑭系稀土元素Nd3+(釹)、Pr3+(鐠)、Sm3+(釤)、Eu3+(銪)、Dy3+(鏑)、

Ho3+(鈥)、Er3+(鉺)、Tm3+(銩)和Yb3+(鐿)等，以Nd3+最常見。對一般光泵的吸收效率較低，因此應(yīng)采用敏化技術(shù)或提高摻雜濃度等措施來提高效率。③二價稀土離子

Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不穩(wěn)定。④錒系離子主要是U3+。由于有放射性，不易制備，使用不方便，實用較困難。第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料三能級系統(tǒng)能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵抽運W21E1E2E3E0E3E1壽命短,E2是亞穩(wěn)態(tài).因此能容易實現(xiàn)E2與E1四能級體系效率高四能級系統(tǒng)能更容易地實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵抽運E1E2E3W21E3與E1構(gòu)成一個寬吸收帶E3上的原子無輻射躍遷到E2E2與E1構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn).三能級體系效率不高.能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn).激活離子YAG:Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOPO4）CLBO（CsLiB6O12）

2、基質(zhì)晶體。（1）基質(zhì)晶體的要求基質(zhì)晶體一般是單晶體，應(yīng)有良好的機械強度、良好的導(dǎo)熱性和較小的光彈性，對產(chǎn)生激光的吸收應(yīng)接近零，且光學(xué)性能均勻?；|(zhì)晶體都是“寶石”。一些常見的激光晶體第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料三、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

+++++-----反射鏡面（晶體劈開面）激光束激光束電極空穴流電子流活性區(qū)p區(qū)n區(qū)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的條件

（1）利用電流注入的少數(shù)載流子復(fù)合時放出的能量須高效率變換為光。一般必須是直接帶隙半導(dǎo)體。

（2）在引起反轉(zhuǎn)分布時要注入足夠濃度的載流子。載流子濃度低于某一閾值，僅引起注入發(fā)光，但不會發(fā)生激光。

（3）具備諧振器。利用垂直于結(jié)面而且平行的二極管兩個側(cè)面作為反射鏡即可。

第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體的p-n結(jié)提供價帶的空穴和導(dǎo)帶的電子，利用它們越過帶隙的復(fù)合而釋放出光，這時，如進行泵浦和光學(xué)諧振，便可以實現(xiàn)受激輻射。

圖a：電子與空穴自發(fā)復(fù)合，并放出一個光子圖b：電子與空穴受激復(fù)合，放出兩個光子圖c：能量、相位相同的兩個光子射向右邊并被反射回來

圖d：光子來回運動時，激發(fā)出越來越多的光子圖e：形成相干的光束圖f：一部分激光束就被引導(dǎo)出來半導(dǎo)體激光發(fā)射原理第四章光學(xué)材料－§4.1激光材料

第四章光學(xué)材料－§4.2光纖材料光的傳輸模式具有一定頻率、一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱為光的一種波型。傳輸模式是光纖最基本的傳輸特性之一。兩種模式的光纖：單模光纖：直徑僅3～10m，與光波的波長相近，只允許傳輸一個模式的光波。多模光纖：直徑為幾十至上百微米，允許同時傳輸多個模式的光波。第四章光學(xué)材料－§4.2光纖材料

由光學(xué)損耗引起的光脈沖振幅衰減由光學(xué)色散引起的光脈沖失真

第四章光學(xué)材料－§4.2光纖材料

由光學(xué)損耗引起的光脈沖振幅衰減由光學(xué)色散引起的光脈沖失真

（dB/km）第四章光學(xué)材料－§4.2光纖材料光纖的傳輸特性傳輸損耗吸收損耗本征吸收電子躍遷引起的紫外吸收分子振動引起的紅外吸收雜質(zhì)吸收金屬離子的吸收OH－離子引起的吸收散射損耗本征散射玻璃的密度不均勻引起折射率不均勻摻雜不均勻引起的散射波導(dǎo)散射光纖結(jié)構(gòu)的不完整（纖芯的直徑起伏，界面粗糙等）光學(xué)散射材料色散不同波長的光在介質(zhì)中的折射率不一樣模式色散不同模式的光脈沖在光纖中傳播速度不同會產(chǎn)生傳輸時間差波導(dǎo)色散光纖結(jié)構(gòu)引起的光傳播速度的變化發(fā)光現(xiàn)象經(jīng)歷的物理過程為了解釋發(fā)光物質(zhì)的定義，下圖給出了光致發(fā)光物質(zhì)的晶體。它包括基質(zhì)、發(fā)光中心（通常稱為激活劑）。例如，典型的發(fā)光物質(zhì)Al2O3:Cr3+和Y2O3:Eu3+，它們的基質(zhì)分別是Al2O3和Y2O3，激活劑分別是Cr3+和Eu3+。第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料AEXCEMHEATSEXCEMHEATAHEATETEXC-激發(fā)，EM-發(fā)射（輻射回基態(tài)），HEAT-非輻射回基態(tài)，ET-能量傳遞。Al2O3:Cr3+經(jīng)紫外光或可見光激發(fā)，會發(fā)出深紅色的光。紅寶石對紫外光或可見光區(qū)的吸收應(yīng)歸因于Cr3+，基質(zhì)Al2O3完全不參與光的吸收和發(fā)射。Ca5(PO4)3F:Sb3+,Mn2+其中，Sb3+吸收紫外輻射，Mn2+不吸收紫外輻射。在紫外光照射下，發(fā)出的光包括Sb3+發(fā)出的藍色光和Mn2+發(fā)出的黃色光。由于Mn2+不被直接激發(fā)，因此激發(fā)能力應(yīng)由Sb3+轉(zhuǎn)移到Mn2+能量吸收：Sb3+＋hν→(Sb3+)*能量轉(zhuǎn)移：(Sb3+)*＋Mn2+→Sb3+＋(Mn2+)*發(fā)射過程：(Mn2+)*→Mn2+＋hν若在Sb3+附近沒有Mn2+，那么只能藍色光發(fā)出。發(fā)光物質(zhì)中激活劑和敏化劑離子的含量一般為百分之幾（摩爾分數(shù)），而且一般情況下它們在基質(zhì)中的分布是極為均勻的。發(fā)光現(xiàn)象經(jīng)歷的物理過程不過有的時候，激活劑的含量可以達到100%。高含量發(fā)光物質(zhì)CaWO4就是一個典型的例子，其中W是發(fā)光中心，它的基質(zhì)是有Ca2+和WO42-組合而成的。有時也可以不必激發(fā)低含量的激活劑和敏化劑，而是激活基質(zhì)。在一些情況下，基質(zhì)將能量轉(zhuǎn)移給激活劑，這樣基質(zhì)就扮演了敏化劑的角色。例如在YVO4:Eu3+中，作為基質(zhì)晶格的VO43-被紫外光激發(fā)，所發(fā)的光中卻包含Eu3+發(fā)的光。這表明基質(zhì)可以將激發(fā)能量轉(zhuǎn)移給Eu3+。又如ZnS:Ag+是一種用于顯像管發(fā)藍光的陰極射線粉。紫外線、電子束、X射線激發(fā)硫化物基質(zhì)，然后硫化物迅速將能量轉(zhuǎn)移給激活劑Ag+。盡管還有一些基礎(chǔ)性的背景知識沒有介紹，但是到此為止，我們應(yīng)該已經(jīng)了解到了一下在發(fā)光物質(zhì)中發(fā)揮重要作用的物理過程：通過激活劑、敏化劑、或基質(zhì)吸收能量的過程，即激發(fā)過程；激活劑發(fā)光非輻射回到基態(tài)（此過程降低物質(zhì)的發(fā)光效率）發(fā)光中心之間的能量轉(zhuǎn)移第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：2.復(fù)合發(fā)光

源于固體本征態(tài)的輻射躍遷

如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光1.分立中心發(fā)光3.特殊的復(fù)合發(fā)光BaF2型

固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類發(fā)光的物理機制一、分立中心發(fā)光

—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光

其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個基團。選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。發(fā)光中心分布在晶體點陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進而影響材料的發(fā)光性能。根據(jù)發(fā)光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質(zhì)點陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。稀土離子發(fā)光：“4f4f”電子組態(tài)間的躍遷

如Tb3+,Eu3+,Gd3++,Pr3+…線譜，禁戒部分解除）“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷

如Ce3+帶譜，允許躍遷

特點：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。

缺陷發(fā)光—F心，PWO的綠光、紅光中心，

ZnO的綠光，ZrO2的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，負離子缺位（電子陷阱）+eF心1.固體“導(dǎo)帶電子—價帶空穴”間的復(fù)合2.“導(dǎo)帶電子—受主A（空穴）”或“價帶空穴—施主D（電子）”或“D—A”復(fù)合3.激子（“e—h”）或束縛激子的復(fù)合二、復(fù)合發(fā)光固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結(jié)合能，略<Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）—（5）與雜質(zhì)、缺陷有關(guān)的輻射復(fù)合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程復(fù)合發(fā)光效率：帶間躍遷直接—高（僅有光子參與的電子躍遷）間接—低（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）帶間躍遷中要保持能量守衡和動量守衡某些較重要的燈用熒光粉基質(zhì)分子式激活劑發(fā)光顏色硅酸鋅Zn2SiO4錳綠硅酸鈣CaSiO3鉛、錳粉紅鹵磷酸鈣Ca(PO4)3(F·Cl)銻、錳藍到粉紅磷酸鍶鎂(SrMg)3(PO4)2錫淡紅白磷酸鋇鈦Ba4Ti(PO4)4－藍白鎢酸鈣CaWO4－深藍鎢酸鎂MgWO4－淡藍鎵酸鎂MgGa2O4錳藍綠氟鍺酸鎂Mg4GeO6MgF2錳深紅氟砷酸鎂Mg6As2O11MgF2錳深紅氧化釔Y2O3銪紅釩酸釔YVO4銪紅鋁酸鎂RMgAl11O19(R=鈰、鋱)銪綠鋁酸鋇鎂BaMg2Al16O27銪藍第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光：發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下，發(fā)射可見光，這種現(xiàn)象稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光，這種發(fā)光體稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的三種情況：

①原子能級中存在一個中間能級，處于基態(tài)的電子在光激發(fā)下躍遷至該中間能態(tài)，并停留足夠長的時間，以致它還能吸收另一個光子而躍遷到更高的能級。電子從這個更高的能態(tài)向基態(tài)躍遷時，就發(fā)射出波長比激發(fā)光的波長更短的光。②原子能級中雖沒有中間能級，但發(fā)光體可以連續(xù)吸收兩個光子，使基態(tài)電子直接躍遷到比激發(fā)光光子的能量大得更多的能級，從而發(fā)出波長更短的光。③材料中有兩個敏化中心被激發(fā)，它們把激發(fā)能按先后順序或同時傳遞給發(fā)光中心，使其中處于基態(tài)的電子躍遷到比激發(fā)光光子能量更高的能級，然后弛豫下來，從而發(fā)出波長短得多的光。第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料三、射線致發(fā)光材料兩類射線致發(fā)光材料：陰極射線致發(fā)光材料和放射線致發(fā)光材料。陰級射線致發(fā)光材料

1、陰極射線發(fā)光的三個基本過程①電離過程

當高能電子束激發(fā)發(fā)光物質(zhì)時，晶體吸收激發(fā)能，由于基質(zhì)大大多于激活劑，引起基質(zhì)價帶或滿帶電子的激發(fā)。②電子和空穴的運動過程

滿帶中的電子被電離后進入導(dǎo)帶，在滿帶中產(chǎn)生了空穴，電子和空穴分別在導(dǎo)帶和滿帶中擴散。③電子－空穴對復(fù)合發(fā)光過程由電子束轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象，又稱為電子束激發(fā)發(fā)光。

由高能、射線，或X射線轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象。第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料四、等離子發(fā)光材料等離子的特征及發(fā)光機理

1、等離子體的特征宏觀物質(zhì)在一定的壓力下隨溫度升高由固態(tài)變成液態(tài)，再變?yōu)闅鈶B(tài)（有的直接變成氣態(tài)）。當溫度繼續(xù)升高，氣態(tài)分子熱運動加劇。當溫度足夠高時，分子中的原子由于獲得了足夠大的動能，便開始彼此分離。分子受熱時分裂成原子狀態(tài)的過程稱為離解。若進一步提高溫度，原子的外層電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子變成帶正電的離子，這個過程稱電離。除了加熱能使原子電離（熱電離）外，還可通過吸收光子能量發(fā)生電離（光電離），或者使帶電粒子在電場中加速獲得能量與氣體原子碰撞發(fā)生能量交換，從而使氣體電離（碰撞電離）。第四章光學(xué)材料－§4.3發(fā)光材料第一節(jié)壓電材料

1880年，P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)：當對石英晶體在某些特定方向上加力時，在垂直于作用力的平面上出現(xiàn)正、負束縛電荷，即發(fā)生電極化。由此發(fā)現(xiàn)材料的壓電性。一、壓電效應(yīng)

1、正壓電效應(yīng)當外加應(yīng)力T作用于某些單晶或多晶介電體并使它們發(fā)生應(yīng)變S時，介電體內(nèi)的正負電荷中心會產(chǎn)生相對位移，并在某兩個相對的表面產(chǎn)生異號束縛電荷。這種由應(yīng)力作用使材料發(fā)生電極化(即帶電)或電極化的變化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

2、逆壓電效應(yīng)

與正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程相反，當對這類介電體施加外電場并使其中的正負電荷中心產(chǎn)生位移時，該介電體要隨之發(fā)生變形。這種由電場作用使材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料三、壓電材料

1.壓電晶體

（1）石英(SiO2)

晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。特點：①壓電效應(yīng)出現(xiàn)在X、Y軸上，在Z軸上無壓電效應(yīng)。

②壓電性能穩(wěn)定，內(nèi)耗小，但K值不是很大。

應(yīng)用：頻率穩(wěn)定器、擴音器、電話、鐘表等。

（2）含氫鐵電晶體晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。特點：應(yīng)變Sx與極化強度Px2呈直線關(guān)系。

典型材料：磷酸二氫銨(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氫鉀(KH2PO4，KDP)、磷酸氫鉛(PbHPO4，LHP)、磷酸氘鉛(PbDPO4，LDP)。

（3）含氧金屬酸化物

典型材料：鈦酸鋇(BaTiO3，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鉭酸鋰(LiTaO3，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鈮酸鋰(LiNbO3，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鈮酸鍶鋇(BaxSr1-xNbO6，SBN，鎢青銅型結(jié)構(gòu))。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第二節(jié)熱釋電材料一、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是晶體因溫度變化而引起電極化的變化，即晶體表面產(chǎn)生等量異號電荷的現(xiàn)象。

熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系：⊿Ps＝p⊿T

式中，Ps—自發(fā)極化強度；p—熱釋電系數(shù)；T—溫度。熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的前提條件晶體具有自發(fā)極化現(xiàn)象，即在晶體結(jié)構(gòu)的某些方向存在固有電矩。熱釋電材料與壓電材料的比較壓電晶體不一定有熱釋電效應(yīng)，但熱釋電晶體一定有壓電效應(yīng)。鐵電體都具有熱釋電效應(yīng)鐵電體：一類具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化可以在外電場作用下改變方向的電介質(zhì)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料鐵電材料的極化特性曲線電介質(zhì)壓電體熱釋電體鐵電體電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的關(guān)系第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第三節(jié)光電材料一、光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料是指具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料，又稱內(nèi)光電效應(yīng)材料、光敏材料。光電導(dǎo)材料是制造光電導(dǎo)探測器（光敏電阻）的重要材料。光電導(dǎo)材料的主要特性

1.積分靈敏度S

光電導(dǎo)材料的積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，單位光入射通量產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化的大小：—電導(dǎo)率；—光入射通量。

積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件是目前所有紅外探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器件，尤其是對于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測更為重要。

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。碲鎘汞(HgCdTe)系列光敏電阻Hg1-xCdxTex是Cd含量組分，變化范圍0.18～0.4，長波限為3～30μmx=0.2，光譜響應(yīng)8～14μmx=0.28，光譜響應(yīng)3～5μmx=0.39，光譜響應(yīng)1～3μm二、光電動勢材料光電動勢材料是能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的材料，主要指光電池材料。光電池的主要特性

1.開路電壓V0

開路電壓V0表示的是光電池在開路時的電壓，也就是光電池的最大輸出電壓。

2.短路電流I0

短路電流I0表示的是光電池在外電路短路時的電流，也就是光電池的最大電流。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料

太陽電池所利用的太陽能來源于太陽輻射。太陽中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)，連續(xù)不斷地釋放出巨大能量，主要以光輻射形式從太陽表面的發(fā)光層向太空輻射。表面發(fā)光層溫度約6000K，其輻射光譜與6000K絕對黑體的連續(xù)輻射光譜類似(見圖)。

太陽輻射光譜AM0和AMl.5太陽輻射經(jīng)過日-地平均距離(約1.5×108公里)，傳播到地球大氣層外面，其輻射能面密度已大大降低。在這個距離上，垂直于太陽輻射方向單位面積上的輻射功率基本上是個常數(shù)，稱為太陽常數(shù)。其數(shù)值是1.353kW·m-2。這是許多國家使用高空氣球、高空飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對太陽輻射進行大量測試、綜合而得到的公認數(shù)據(jù)。目前世界上許多國家把太陽常數(shù)作為計算太空用太陽電池的入射光功率密度的依據(jù)，又稱AM0光譜條件。在此條件下測試太空用太陽電池效率時，光源應(yīng)滿足圖AM0的光譜分布，總能量為135.3mW·cm-2，電池測試溫度為25℃。AM0光譜的太陽輻射經(jīng)過大氣層中臭氧、氧氣、水汽、二氧化碳及懸浮固體微粒(煙塵、粉等)的吸收、散射和反射，到達地面時，光譜分布上出現(xiàn)了許多吸收谷，而且總輻射能至少衰減掉30％(如圖所示)。在晴朗天氣的理想條件下，決定投射于地面的太陽輻射功率的最重要參數(shù)是光穿過大氣層通路的長度。當太陽位于天頂，該長度最短。任一實際光通路長度與此最短長度之比稱為大氣質(zhì)量，符號記為AM(AirMass的縮寫)。上圖還給出AM1.5的光譜分布，其積分能量為83.5mW·cm-2。作為地面太陽電池測試依據(jù)的AM1.5光譜條件，其光源應(yīng)滿足上圖中AM1.5光譜分布。太陽在天頂時，地面上太陽輻射叫大氣質(zhì)量為1的輻射，記為AMl。當太陽偏離天頂θ角時，大氣質(zhì)量由下式給出；大氣質(zhì)量=1/cosθ

太陽電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實際效率比上述的理論極限效率低。下面以pn結(jié)硅太陽電池為例,來闡述各種能量損失之機理，作為改進太陽電池的設(shè)計及工藝，提高其效率的基礎(chǔ)。影響太陽電池效率的一些因素太陽電池效率損失中，有三種是屬于“光學(xué)損失”，其主要影響是降低了光生電流值。（1）反射損失R(λ)：從空氣(或真空)垂直入射到媒質(zhì)(如半導(dǎo)體材料)的單色光的反射率：

1．光生電流的光學(xué)損失式中n為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射率N之實部，即普通折射率，k是其虛部，稱為消光系數(shù)。

每種材料的n和k都與入射光之波長有關(guān)。對硅來說，其關(guān)系曲線如圖所示。把n、k的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的實部n與虛部k與光子能量的關(guān)系(3)透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。(2)柵指電極遮光損失c，定義為柵指電極遮光面積在太陽電池總面積中所占的百分比。對一般電池來說，c約為4%～15%。Pn結(jié)硅太陽電池的截面圖

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

第四節(jié)電光材料一、電光效應(yīng)

電光效應(yīng)是指在外加電場的作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電光效應(yīng)的類型

介質(zhì)的折射率與外加電場E之間的關(guān)系：

n＝n0+aE+bE2+…式中，n0—介質(zhì)在E＝0時的折射率；a，b——常數(shù)。

1.一級電光效應(yīng)（泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)）

泡克耳斯效應(yīng)是指由一次項aE引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折射率的變化與外電場強度成正比：n＝n－n0＝aE2.二級電光效應(yīng)（克爾(Kerr)效應(yīng)）克爾效應(yīng)是指由二次項bE2引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折射率的變化與外電場強度的二次方成正比：n＝n－n0