电子信息材料课后题.doc

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电子信息材料课后习题总结

第一章

1、简述集成电路芯片的制造流程：

答：

原料的制备与提纯；单晶硅锭及硅片的制造；光刻与图形转移；掺杂与扩散；薄层沉积;互联与封装。

2、简述动态随机存取存储器与静态随机存储器的异同点：

答：

相同点:

都属于半导体存储材料，二者都是可读可写的随机存储器；不同点：

静态随机存储器的存储单元是由双稳态触发器组成（由若干个MOS晶体管组成），在没有外接触发信号作用时触发器状态稳定，只要不断电即可长期保存所写入的信息；动态随机存储器的存储单元是利用MOS管的栅极电容对电荷的暂存作用来存储信息的，为了保存好信息需要不断地刷新操作，定期给栅极电容不充电荷。

3、何为信息存储材料，简述其存储机理。

答：

信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录和存储信息的材料。

存储机理：

这种材料在一定强度的外场的作用下会发生从某种状态到另一种的突变，并能在变化后的状态保持比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状态变化前后有很大差别，因此，通过测量存储材料状态变化前后的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种状态并用0和1来表示它们，从而实现存储。

4：

常用的衬底材料有哪些？

比较其各自的优缺点。

答：

（1）Si材料:

优点：

Si元素存储量丰富，无毒，具有较宽的能带间隙，制造成本低；缺点：

硅单晶片的内部及表面微缺陷不易消除；

（2）GeSi材料：

载流子迁移率高，能带和禁带宽度可调，且与硅的兼容性好，利用这种材料可以运用能带工程和异质结合技术来提高半导体器件的功能。

（3）SOI材料：

优点：

高速、低压、低功耗、耐高温、短沟道效应小，抗干扰和抗辐射能力强，彻底消除体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应。

缺点：

材料生长技术复杂，成本较高。

（4）GaN材料：

优点：

具有很高的电子饱和速度，击穿场强大，禁带宽度大，具有极高的热稳定性和化学稳定性。

缺点：

体单晶制备困难，而且不易找到性能好和价格低的衬底材料。

第二章

2、介电陶瓷的用途有哪些？

目前最具活力的是什么？

将来可能的研究热点有哪些？

答：

（1）I类陶瓷介质主要用于制造高频电路中使用的陶瓷介质电容器；Ⅱ类陶瓷介质主要用于制造低频电路中使用的陶瓷介质电容器；Ⅲ类陶瓷介质主要用于制造汽车、电子计算机等电路中要求体积非常小的陶瓷介质电容器。

（2）目前最具活力的是微波介电陶瓷。

（3）将来可能的研究热点：

厚膜混合集成电路技术、MCM多层基板、低温共烧陶瓷技术、多层陶瓷电容器、微波陶瓷元器件的凝胶注模成型工艺、微波介质陶瓷薄膜。

3、现用TiO2来制备半导体电容器，设计0.5cm厚，直径2cm的柱形电容器，其电容量大

概有多少？

如何不改变材料而进一步提高其电容量大小？

答：

假设TiO2为金红石型，取其介电常数ε=180F/m，则其电容C=ε=180×=2866.24C.由公式C=ε得，不改变材料，即ε不变，要想提高电容C，则可以增大电容器直径或减小厚度.

4、BaTiO3室温下是良好的绝缘体，ρv=1012Ω.cm，在直流100V电压下，用BaTiO3制造的1cm厚的元器件其介质损耗为多少？

答：

单位体积内的损耗功率p=/ρ=/ρ，带入数据，求得p=w.

第三章

1、何为压电效应？

那类晶体才可能具有压电效应？

图示说明产生压电效应的原因（照片）

答：

某些电介质晶体通过外加机械作用使晶体极化，导致介质两端面出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成反比，由于机械力的作用而使晶体表面产生束缚电荷的现象称为正压电效应，反之，在晶体上施加电场，将产生与电场强度成正比的应变或者机械应力，这种现象称为逆压电效应，这两种效应统称为压电效应。

不具有对称中心的不导电（或者半导电）的离子晶体或者由离子团组成的分子晶体可能具有压电效应。

2、热释电效应是什么？

热释电晶体与压电晶体有何异同？

答：

由于温度的变化而使某些晶体的自发极化改变的现象就是热释电效应。

相同点：

具有中心对称的晶体不可能产生这两种效应；都是要求晶体不导电（介电体）。

不同点：

压电效应不要求晶体有自发极化，而自发极化是热释电效应的必要条件；发生这两种效应的晶体点群不同；对于热释电晶体仅当存在与其他轴都不相同的极轴时才发生，二压电效应只要是中心不对称的晶体都有可能发生；机械力可沿着某一方向作用而引起总电矩的变化，而晶体均匀受热时在各个方向等量膨胀总电矩不会发生变化。

3：

什么是铁电性？

解释电滞回线的形成过程。

答：

在热释电晶体中，有些晶体不但在某温度范围内具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外场的反向而反向，这种性质称为铁电性。

4、压电材料的机械品质因数代表了什么？

答：

机械品质因数是描述压电材料机械振动时，内部能量消耗程度的参数，这种能量消耗的原因主要在于内耗；机械品质因数越大，能量损失越小。

5、压电陶瓷与压电晶体相比有何优点？

介绍其应用情况。

答：

制造容易，可做成各种情况；可以任意选择极化轴方向；易于调控陶瓷的组分而得到各种性能的材料；成本低，适于大量生产。

主要应用于制造超声、水声、电声换能器，陶瓷滤波器，陶瓷变压器以及点火、引发装置等。

此外还可用压电陶瓷制作表面波器件、电光器件和热释电探测器等。

6、PZT陶瓷的改性方法有哪些？

并叙述不同改性方法的效果。

答：

PZT陶瓷的改性主要是通过离子置换形成固溶体或添加少量杂质，以获得所需要的性能。

（1）以等价离子置换Pb2+或（Zr,Ti）4+以形成固溶体；能一定程度上抑制铅挥发，促进材料致密化。

（2）添加不等价离子化合物（施主添加物——“软性”压电陶瓷、受主添加物——“硬性”压电陶瓷、变价化合物——PZT性能介于软性和硬性之间）。

（3）锆酸铅——锆钛酸铅——ABO3多元系压电陶瓷，获得致密度高的均匀陶瓷体提高各项参数。

第四章

1、半导体气敏传感器有哪几种类型？

其各自特点是什么？

答：

（1）电阻型半导体气敏传感器

1）烧结型：

制作方法简单，器件寿命长，但机械强度不高，电极材料较贵重，电性能较差；2）薄膜型：

制作方法简单，气敏性好，但这种薄膜为物理附着，器件间性能差异较大；3）厚膜型：

元件离散度小，机械强度高，适合大批量生产。

（2）非电阻型气敏器件：

制造工艺成熟，便于器件集成化，性能稳定且价格便宜。

2、简述气敏元件的工作原理，为什么大多数气敏器件都附有加热器？

答：

以常用的半导体气敏传感器为例说明其工作原理：

利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值发生变化从而检测气体类别，浓度和成分。

附有加热器是用以将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高期间的灵敏度和响应速度。

加热器的温度一般控制在200-400摄氏度。

3、如何提高半导体气敏传感器对气体的选择性和气体检验灵敏度？

答：

对气敏材料选择合适的制备方法；材料薄膜化；在气敏材料中掺入合适的杂质（贵金属或者金属氧化物）或者制成复合材料；选择合适的烧结温度和工作温度以获得最佳的气敏性能；元件的林敏度随着被测试气体浓度的增加而增加，故适当的提高被测气体浓度；

第五章

1、简述电池的工作原理，举例比较几种化学电池。

答：

工作原理：

（1）组成电池的两个电极进行氧化还原反应“共轭”产生，并且分别在两个分开的区域进行；

（2）两个电极的活性物质进行氧化还原反应时，所需的电子必须有外电路传递；（3）反应自发进行；（4）两电极间有电解质提供电池内部离子导电。

分类：

（1）一次性电池：

小型、携带方便，放电电流不大

（2）二次性电池：

充放电能反复多次循环使用

（3）储备电池：

使用前处于惰性状态，使用时注入电解质使电池激活

（4）燃料电池：

电池本身是载体，连续注入活性物质而长期不断放电

2、镍氢电池电极材料选择的依据及主要的应用现状。

答：

正极材料：

采用Ni（OH）2,改善球形Ni（OH）2的形状、化学组成、粒度分布、结构缺陷和表面活性等，用以进一步提高材料的振实密度、放电容量及循环稳定性等。

负极材料：

满足以下条件：

1）电化学储氢容量高，在较宽的温度范围不发生太大的变化：

2）在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化能力；3）在碱性电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；4）反复充放电过程中合金不易分化，制成的电极能保持形状稳定；5）合金应有良好的电和热的传导性；6）原材料成本低廉。

应用现状：

已用于家用电器、通信卫星和各种航天器上，如哈勃望远镜和载人空间站，商用NH-Ni电池用量最大领域仍是手机和笔记本电脑。

3、对比分析锂离子电池相比其他电池的主要优缺点。

答：

优点：

1）工作电压高2）能量密度高3）安全性能好，循环寿命长4）无记忆效应5）自放电小6）工作环境温度范围宽7）对环境无污染

缺点：

1）成本高2）必须有特殊的保护电路，以防止过充3）工作电压变化较大

4、试分析燃料电池的电催化原理。

答：

燃料电池的基本原理相当于电解反应的逆向反应，在电池的负极上进行的是燃料的氧化过程，而正极上进行的是氧化剂的还原过程，燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能通过两电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压，在电极同外部负载构成回路时就可向外供电。

燃料电池的基本反应是氢的氧化和氧的还原，由于氢的氧化反应和氧的还原反应的过电位都较高，因此，不管是直接的或间接的燃料电池，都必须在电极上添加一定量的电催化剂，才能加速电极反应。

5、比较燃料电池不同体系的特点及应用。

答：

（1）磷酸型燃料电池：

在电池寿命、燃料和氧化剂中杂质的可允许度、成本和可制造性等方面兼顾的最好，但热电效率低，需要较昂贵的催化剂，不适于作移动动力源。

主要应用于不停电电源系统，如计算机和医院等。

2）熔融碳酸盐型燃料电池：

发电效率高，燃料煤来源充分，投资低，空气污染小，无热污染，不需冷却水，无噪声，占地面积小；但碳酸盐的高腐蚀性、鎳的蠕变、气体泄漏等均会使电池寿命变短。

主要应用于电站。

3）固体氧化物型燃料电池：

燃料适应性强、无漏液腐蚀、不需要贵金属催化剂、规模和安装地点灵活。

主要应用于发电、热电联供、交通、空间宇航。

4）质子交换膜型燃料电池：

工艺结构简单，开发投入少，可在室温下快速起动运行，安全可靠，系统规模可调，比功率高。

主要用于可移动电源和电动车辆。

5）碱性燃料电池：

工作温度低，需用高性能催化剂，制造成本高，主要用于少数特定场合如宇航、海洋等。

第六章

1、何谓磁电阻效应？

磁电阻效应包括哪些种类？

答：

在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显的变化这种效应称为MR效应。

包括正常磁电阻和反常磁电阻效应。

2、何谓自旋霍尔效应？

自旋霍尔效应与经典霍尔效应有何异同？

答：

在外加电场中，材料中自旋向上的电子和自旋向下的的电子由于各自形成的磁场方向相反，会各自向相反地两边堆积，这就是自旋霍尔效应SHE；

相同点：

在外加场中，电子都偏离原来的运动轨迹；在样品两侧产生电荷（自旋）积累；不同点：

经典是在导体或者半导体中通有电流并在垂直于电流方向外加磁场；而自旋是外加电场，由于电子的自旋运动产生方向相反的磁场；经典的本质是运动的载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而横向运动，产生电压；自旋是自旋磁矩的流动而产生自旋积累并没有静的电荷流动。

3、何谓金属超晶格巨磁电阻效应？

其实现条件及特点是什么？

答：

金属超晶格巨磁电阻效应是指在金属多层膜中的超晶格薄膜的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场时发生显著变化的现象。

条件：

在铁磁性导体/非磁性导体超晶格中，构成反平行自旋（零磁场），体系磁状态可以在外磁场作用下发生改变；金属超晶格周期硬币载流子的平均自由程短；自旋取向不同的两种电子在磁性原子上的散射差别必须很大。

特点：

电阻变化率大；随着磁场增强，电阻只是减小而不增加；电阻变化与磁化强度——磁场间所形成的角度无关；GMR效应对于非磁性导体隔离层的厚度十分敏感；具有积层数效应。

4、自旋阀的原理结构、特点及结构形式分别是什么？

答：

自旋阀的结构形式有：

顶自旋阀和底自旋阀，不同铁磁层自旋阀，界面工程自旋阀，对称性自旋阀，不同矫顽力自旋阀。

原理结构：

1）钉扎型自旋阀：

FM1/NM/FM2/AF，两个铁磁层FM1和FM2被叫后的非铁磁层NM隔开，因而使FM1与FM2之间几乎没有交换耦合，FM1称为自由层，FM2称为被钉扎层，其磁矩被相邻反铁磁层AF的交换耦合引起的单向各向异性偏场所钉扎；2）非轧顶型自旋阀：

用非磁层将具有不同矫顽力的两个铁磁层分开。

特点：

磁电阻率可对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；低饱和场，工作磁场小；电阻随磁场变化迅速，操作磁通小，灵敏度高；利用层间转动磁化过程能有效抑制Barkhausen噪声，信噪比高。

5、颗粒膜巨磁电阻效应机制及影响因素是什么？

答：

颗粒膜巨磁电阻效应起源于自旋相关的杂质离子的散射，主要是磁性颗粒膜与非磁性金属介质之间的的界面散射和磁性颗粒本身之间的相互散射；影响因素：

颗粒膜越不均匀，相分离越彻底，GMR效应越明显；一定成分，颗粒越小，GMR效应越明显，故影响颗粒分布、尺寸和形态的因素像：

化学成分、退火方式、颗粒间相互作用、沉积条件、不同制备方法、薄膜厚度等都会影响合理的尺寸或颗粒间距进而影响电子运输的自旋相关散射和GMR效应。

6、简述隧道磁电效应的理论解释。

答：

Julliere理论：

自旋磁化率是决定隧道结磁电阻的基本量，得到隧道结磁电阻的最大值；

Slonczewski理论：

表达了磁电阻和磁化强度之间夹角的余弦变化关系，认为方势垒的高度将严重影响铁磁金属和绝缘层界面处电子的自旋方向以及铁磁层的交换耦合，势垒高度严重影响穿过FM-I界面的电子的极化率。

7：

简述锰氧化合物庞磁电阻效应物理机制。

答：

1）双交换作用2）极化电子理论3）杨—泰勒畸变（三种改变Mn-O键长的模式：

呼吸模式；基平面模式；八面体伸缩模式）

8：

自旋注入有哪些？

列举常见的稀磁半导体并简述其优点。

答：

欧姆接触自旋注入；隧道注入（弹道电子注入）；热电子注入；自旋检测（光学和电学两种检测方法）。

在半导体中掺入磁性离子来代替非磁性半导体中的离子所形成的一类新型半导体材料。

DMS应用于自旋电子器件的优点：

体积小；速度快；能耗低；非易失性（当磁场去掉后自旋状态不会改变）

9：

简述自旋电子材料的典型应用。

答：

磁电阻传感器（利用AMR效应）；磁电阻硬盘磁头（MR磁头）；磁电阻随机存储器

第七章

1：

简述激光的发光原理及其特点。

答：

原理：

受激辐射（入射一个受记辐射的光子可使处于亚稳态的原子发出与诱发光子完全相同的两个光子，不仅频率相同而且发射方向，偏振方向以及光波的相位都完全一样，即受记辐射可以使光放大）在光学共振腔中发生而持续发出大量光子的过程中产生激光。

特点：

定向发光；亮度极高；颜色极纯；能量密度大；

2：

简述固体激光材料的基本类型和性能要求。

答：

以电激励为主半导体激光材料和通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的材料，具体包括：

晶体激光材料（要求：

荧光线宽适当；荧光寿命合适；荧光量子效率、能太转换效率、激发带宽度、吸收系数均要尽量大；震荡波长大；基质内部损耗小；良好的物理化学性能；能及结构以四能级最佳；晶体长度足够），玻璃激光材料（要求：

激活离子的受激发射截面要大；高量子效率；非线性折射率低；热光稳定；光学透过性好，光照稳定；具有良好的机械虎穴物理性能），陶瓷激光材料（要求：

陶瓷要具有透明性）。

3：

简述半导体发光二级管的工作原理及对材料的要求。

答：

工作原理：

当PN结耗尽层中的载流子——电子与空穴复合时能辐射出可见光。

材料要求：

要有适量的带隙宽度Eg；要获得高电导率的P型和N型晶体，以制备优良的PN结；要获得完整性好的优良晶体；复合发光几率大。

4：

半导体激光二极管和半导体发光二级管的区别。

答：

1）工作原理和结构不同；2）：

半导体激光二极管为复合发光，发射的光子能量相当于禁带宽度，而半导体发光二级管为注入式发光，光子能量由带隙决定；3）半导体激光材料中光的发射时受激辐射，故半导体激光器是一种相干辐射光源，而半导体发光二级管不一定是相干的4）：

半导体激光器使用电激励方式，而半岛以发光二级管则不是。

5：

太阳能电池材料有哪些类型。

答：

半导体材料：

应用最广泛（硅材料：

技术最成熟，光电转换效率稍低，成本高；多元化物材料：

成本低光电转换效率高利于大规模生产，但原料有污染；有机材料；染料敏化材料；有机太阳能半导体材料）；保护涂层（降低光反射提高光电转换效率）；电极材料（通透电极）

第八章

1、简述复合型导电高分子材料两种导电机制的异同。

答：

两种导电机制：

（1）渗流理论（导电通路机理）

（2）隧道导电理论

（1）渗流理论：

材料导电是由于导电填料互相接触构成导电通路所致。

导电能力与导电填料的电阻率、相面间接触电阻、导电网络的结构等相关。

只有当导电填料的浓度达到一定数值后材料才具有导体性质。

（2）隧道导电理论：

导电分散相的浓度不足以形成通路网络时一些材料也可以导电。

导电颗粒不相互接触时，颗粒间存在聚合物隔离层，形成势垒，当隔离层厚度小到一定值时，电子很容易穿过，使导电颗粒间绝缘层变为导电层。

导电能力与隔离层的厚度以及势垒与电子能量差有关。

2、结构型导电高分子材料需具备哪些结构特征才能实现导电？

答：

（1）共轭聚合物

（2）电荷转移络合物（3）金属有机聚合物（4）高分子电解质

3、简述聚乙烯咔唑（PVK）光电导高分子材料的光电导机制和特征。

答：

机制：

PVK链上相邻的咔唑上的π电子沿同一主链相互重叠，利于载流子的迁移，当PVK成薄膜时，相邻的苯环互相靠近生成电荷转移络合物，通过光激发，电子能够自由地迁移，从而导电。

特征：

光响应在紫外区，光导性较弱，通过增感处理，可在可见光区具有相当高的灵敏度，并可以通过部分硝化处理增加光导电性。

4、复合高分子压电材料比合成高分子压电材料的性能好吗？

答：

把具有高极化强度的铁电粉末（如BaTiO3、PZT）和高分子压电材料混合极化处理后，可得到具有较强压电性的可挠性复合高分子压电材料。

其可克服合成高分子压电材料压电常数小的局限性，又具有高分子压电材料的可挠性，兼具有压电陶瓷和合成高分子压电材料的优点，故实用价值较高。