第三章 材料的电学
1.说明量子自由导电理论与经典导电理论的异同。

经典导电理论：金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动自由电子的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体分子运动论。

这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。

在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而在金属中产生电流。

电子与原子的碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。

量子自由导电理论：金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。

电子运动服从量子力学原理 。

2. 一块n 型硅半导体，其施主浓度N D ＝1015／cm 3，本征费米能级Ei 在禁带正中，费米能级E F 在Ei 之上0.29eV 处，设施主电离能∆E D ＝0.05eV ，试计算在T ＝300K 时，施主能级上的电子浓度
对于硅半导，其禁带E=E C -E V =1.12ev
又由题可知：E F -Ei=0.29ev ，∆E D = E C -E D = 0.05eV
所以 E D -E F =0.5E-∆E D -（E F -Ei ）=0.22ev
将 N D ＝1015／cm 3，E D -E F = 0.22ev ，T=300K ，k=1.38 x 10-23带入下式
因此施主能级上的电子浓度n D =4.06 x 1011／cm 3
3.为什么金属的电阻随温度的上升而增加，半导体却降低？
半导体是靠载流子(空穴或电子)导电的，温度升高，载流子增多，导电性增强；金属晶体里边，温度升高原子核振动加剧，碰撞电子使之减速的概率增加，电阻率上升
4.在实际工程中往往需要金属既有良好的导电性又有高的强度，假如足够高的强度既可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化得到，从导电率的要求看，你建议采用哪种强化方法？为什么？
采用冷加工的方法，固溶强化会使金属的电导率大大降低，主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵()11exp()2D
D D D D F N n N f
E E E kT
==-+
时，将不受到散射而无阻碍地传播，这时电阻率为0，而电导率应为无穷大。

只有在晶体点阵的完整性遭到破坏的地方电子波才受到散射，因而产生电阻。

冷加工会产生大量的缺陷，降低了晶体的完整性，从而增大电阻率即降低了电导率。

5.比较金属、氧化物、半导体的导电机制及主要影响因素。

金属导电是金属中自由电子做定向移动导电的，取决于单位体积内自由电子数和金属导体中原子热运动的剧烈程度即温度，单位体积内自由电子数越多，温度越低，金属的导电性能越好。

金属的导电的影响因素温度、杂质、冷变形、热处理（退火）。

半导体的导电机理：某物质的原子的价电子较少，外电子层不饱满，或速率很低，存在着电子空位，在电压的作用下外来的电子进入电子空位，电子在电子空位间换位移动，形成电流。

半导体材料的导电性对外界条件如热、光、电、磁等因素有关。

金属氧化物导电的机理是存在可自由移动的电荷（可以是电子，各种正负离子），影响因素有金属氧化物本身是难以导电的。

只有一部分氧化物、硫化物等进行掺杂处理，降低禁带宽度才可能导电。

6.讨论n型、p型掺杂是如何影响纯本征半导体的导电性能的？
N型半导体：在硅的晶体中掺入磷（或者其它5价元素）。

由于掺入硅晶体的磷原子数比硅原子数少得很多，因此整个晶体的结构基本不变，只是某些位置上硅原子被磷原子取代。

磷原子掺加的共价键只需要4个价电子，多余的第5个价电子容易挣脱原子核的束缚而称为自由电子。

于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为这种半导体的主要导电方式。

自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

P型半导体：在硅中掺入硼（或其它3价元素）。

每个硼原子只有3个价电子，故在构成共价键是蒋因缺少一个电子而产生一个空位。

当邻近原子中的价电子受到热或者其它的激发获得能量时，就有可能填补这个空位，而在邻近原子中出现一个空穴。

每一个硼原子提供一个空穴，于是在该半导体中就形成大量空穴。

空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

7.现有两种n型半导体，你如何判断它们是否同一种宿主材料？又如何确认它们是否有相同的掺杂元素？
判断物质是哪种材料可以用X射线衍射分析：
可以取两种相同形状的半导体，进行物相分析，测出会含量大的本征基材X衍射曲线是否相同，如果相同，则为同一种宿主材料。

然后将半导体加热，当温度足够高进能电离出杂质，然后再进行X射线衍射分析，若含有相同掺杂元素则相应的衍射角上对应的强度会相同。

8.请了解并讨论热电偶的工作原理。

热电偶是一种感温元件,是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度
热电偶的工作原理：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

9.分别讨论在什么情况下优先选用金属材料、导电聚合物材料、导电陶瓷材料作为导电体，为什么？
（1）高温条件下导电，则适合耐高温的陶瓷材料；（2）材料抗冲击能力强，韧性好，可加工性能好，则选择金属材料导电；（3）导电聚合物具有一定的光学性质.柔韧的机械性和可加工性，适用于对这些性能有一定要求的场合。