电子科技大学固体物理期末试题.doc

1、学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 1 页 共 18 页电 子 科 技 大 学 二 零 零 六 至 二 零 零 七 学 年 第 二 学 期 期 末 考 试固 体 电 子 学 课 程 考 试 题 卷 （ 分 钟 ） 考 试 形 式 ： 考 试 日 期 200 7 年 7 月 日课 程 成 绩 构 成 ： 平 时 20 分 ， 期 中 10 分 ， 实 验 0 分 ， 期 末 70 分一 填 空 （ 共 30 分 ， 每 空 2 分 ）1 Si 晶 体 是 复 式 格 子 ， 由 两 个 面 心 立 方 结 构 的 子 晶 格 沿 体 对角 线 位 移 1/4 套 构 而 成

2、 ； 其 固 体 物 理 学 原 胞 包 含 8 个 原 子 ，其 固 体 物 理 学 原 胞 基 矢 可 表 示 ， , )(21kja)(2kia一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 2 页 共 18 页。 假 设 其 结 晶 学 原 胞 的 体 积 为 a3， 则 其 固 体 物 理 学)(23jia原 胞 体 积 为 。341a2 由 完 全 相 同 的 一 种 原 子 构 成 的 格 子 ， 每 个 格 点 周 围 环 境 相 同 称为 布 拉 菲 格 子 ； 倒 格 子 基 矢 与 正 格 子 基 矢 满 足， 由 倒

3、 格 子 基 矢 （ l1, l2, )(20jiijjiba 321bllblKhl3 为 整 数 ） ,构 成 的 格 子 ， 是 正 格 子 的 傅 里 叶 变 换 ， 称 为 倒 格 子格 子 ； 由 若 干 个 布 拉 菲 格 子 套 构 而 成 的 格 子 称 为 复 式 格 子 。 最 常见 的 两 种 原 胞 是 固 体 物 理 学 原 胞 和 结 晶 学 原 胞 。3 声 子 是 格 波 的 能 量 量 子 ， 其 能 量 为 ， 动 量 为 q。二 问 答 题 （ 共 30 分 ， 每 题 6 分 ）1.晶 体 有 哪 几 种 结 合 类 型 ？ 简 述 晶 体 结 合 的

4、 一 般 性 质 。答 ： 离 子 晶 体 ， 共 价 晶 体 ， 金 属 晶 体 ， 分 子 晶 体 及 氢 键 晶 体 。晶 体 中 两 个 粒 子 之 间 的 相 互 作 用 力 或 相 互 作 用 势 与 两 个 粒 子的 距 离 之 间 遵 从 相 同 的 定 性 规 律 。学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 3 页 共 18 页2. 晶 体 的 结 合 能 , 晶 体 的 内 能 , 原 子 间 的 相 互 作 用 势 能 有 何区 别 ?答 ： 自 由 粒 子 结 合 成 晶 体 过 程 中 释 放 出 的 能 量 ， 或 者 把 晶 体 拆 散 成一 个

5、个 自 由 粒 子 所 需 要 的 能 量 称 为 晶 体 的 结 合 能 ； 原 子 的 动 能 与 原子 间 的 相 互 作 用 势 能 之 和 为 晶 体 的 内 能 ； 在 0K 时 ， 原 子 还 存 在零 点 振 动 能 ， 但 它 与 原 子 间 的 相 互 作 用 势 能 的 绝 对 值 相 比 小 很 多 ，所 以 ， 在 0K 时 原 子 间 的 相 互 作 用 势 能 的 绝 对 值 近 似 等 于 晶 体 的 结合 能 。3.什 么 是 热 缺 陷 ？ 简 述 肖 特 基 缺 陷 和 弗 仑 克 尔 缺 陷 的 特 点 。答 ： 在 点 缺 陷 中 ， 有 一 类 点

6、缺 陷 ， 其 产 生 和 平 衡 浓 度 都 与 温 度 有 关 ，这 一 类 点 缺 陷 称 为 热 缺 陷 ， 热 缺 陷 总 是 在 不 断 地 产 生 和 复 合 ， 在 一定 地 温 度 下 热 缺 陷 具 有 一 定 地 平 衡 浓 度 。 肖 特 基 缺 陷 是 晶 体 内 部 格点 上 的 原 子 （ 或 离 子 ） 通 过 接 力 运 动 到 表 面 格 点 的 位 置 后 在 晶 体 内留 下 空 位 ； 弗 仑 克 尔 缺 陷 是 格 点 上 的 原 子 移 到 格 点 的 间 隙 位 置 形 成间 隙 原 子 ， 同 时 在 原 来 的 格 点 位 置 留 下 空 位

7、 ， 二 者 成 对 出 现 。4.简 述 空 穴 的 概 念 及 其 性 质 .学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 4 页 共 18 页答 ： 对 于 状 态 K 空 着 的 近 满 带 ， 其 总 电 流 就 如 同 一 个 具 有 正 电 荷e 的 粒 子 ， 以 空 状 态 K 的 电 子 速 度 所 产 生 的 ， 这 个 空 的 状 态 称 为空 穴 ； 空 穴 具 有 正 有 效 质 量 ， 位 于 满 带 顶 附 近 ， 空 穴 是 准 粒 子 。5.根 据 量 子 理 论 简 述 电 子 对 比 热 的 贡 献 ， 写 出 表 达 式 ， 并 说 明 为

8、 什么 在 高 温 时 可 以 不 考 虑 电 子 对 比 热 的 贡 献 在 低 温 时 必 须 考 虑 ？答 ： 在 量 子 理 论 中 ， 大 多 数 电 子 的 能 量 远 远 低 于 费 米 能 量 EF ， 由 于 受 到 泡 利 不 相 容 原 理 的 限 制 ， 不 能 参 与 热 激 发 ， 只 有 在EF 附 近 约 KBT 范 围 内 电 子 参 与 热 激 发 ， 对 金 属 的 比 热 有 贡 献 。CVe=T在 高 温 时 CVe 相 对 CVl 来 说 很 小 可 忽 略 不 计 ； 在 低 温 时 ， 晶 格 振动 的 比 热 按 温 度 三 次 方 趋 近 于

9、 零 ， 而 电 子 的 比 热 与 温 度 一 次 方 正 比 ，随 温 度 下 降 变 化 缓 慢 ， 此 时 电 子 的 比 热 可 以 和 晶 格 振 动 的 比 热 相 比较 ， 不 能 忽 略 。三 .综 合 应 用 (共 40 分 )1.(10 分 )已 知 半 导 体 InP 具 有 闪 锌 矿 结 构 ,In,P 两 原 子 的 距 离为 d=2,试 求 ： （ 1） 晶 格 常 数 ； (2)原 胞 基 矢 及 倒 格 子 基 矢 ；学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 5 页 共 18 页（ 3） 密 勒 指 数 为 （ 1， 1， 0） 晶 面 的

10、面 间 距 ， 以 及 In(1,1,0)晶 面 与 P（ 1， 1， 1） 晶 面 的 距 离 。解 ： （ 1） 闪 锌 矿 结 构 是 两 个 面 心 立 方 结 构 的 子 晶 格 沿 体 对 角 线 位移 1/4 套 构 而 成 ， 所 以 对 角 线 长 l=4d=8又Alal 38 3(2) 面 心 基 矢 ： ， , 倒 格 子 基 矢 ：)(21kj)(2kia)(23jia)(42 )(4 );(4)( 3321 kjiabkjibjiaab 4)( 2321aa )(2 )(2 );( 31 kjiabkjiabkjib （ 3） 晶 胞 倒 格 矢 ： )()10( j

11、iaK原 胞 倒 格 矢 ： 比 较 原 胞 基 矢 和 晶 胞 基 矢 ， 得)12(321)10( )()(2KbjiaK64282231)(abd因 为 In 和 P 的 （ 111） 晶 面 的 法 线 方 向 即 对 角 线 方 向 ， 所 以 In学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 6 页 共 18 页和 P 在 这 个 方 向 的 面 间 距 = ， 也 可 以 说 是 a43 aa12343即 ； 或 =A2384A28132. (15 分 )设 有 某 个 一 维 简 单 格 子 ， 晶 格 常 数 为 a,原 子 质 量 为M， 在 平 衡 位 置 附

12、 近 两 原 子 间 的 互 作 用 势 可 表 示 为 ：式 中 和 都 是 常 数 ， 只 考 虑 最 近 邻322061)()( rraUr 原 子 间 的 相 互 作 用 ， 试 求 ： （ 1） 在 简 谐 近 似 下 ， 求 出 晶 格 振 动的 色 散 关 系 ； （ 2） 求 出 它 的 比 热 。 （ 提 示 ：0VCardu2)(解 ： （ 1）3. (15 分 )用 紧 束 缚 近 似 写 出 二 维 正 方 点 阵 最 近 邻 近 似 下 的 s电 子 能 带 的 能 量 表 达 式 ， 并 计 算 能 带 宽 度 及 带 底 电 子 和 带 顶 空 穴 的有 效 质

13、量 。一、选择题（共 30 分，每题 3 分）目的:考核基本知识。1、晶格常数为 的面心立方晶格，原胞体积 等于 D 。A. B. C. D. 2、体心立方密集的致密度是 C 。A. 0.76 B. 0.74 C. 0.68 D. 0.623、描述晶体宏观对称性的基本对称元素有 A 。学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 7 页 共 18 页A. 8 个 B. 48 个 C.230 个 D.320 个4、晶格常数为 的一维双原子链，倒格子基矢的大小为 D 。A. B. C. D. 5、晶格常数为 的简立方晶格的 (110)面间距为 A 。aA. B. C. D. 345a6

14、、晶格振动的能量量子称为 C A. 极化子 B. 激子 C. 声子 D. 光子7、由 N 个原胞组成的简单晶体，不考虑能带交叠，则每个 s 能带可容纳的电子数为 C 。 A. N/2 B. N C. 2N D. 4N8、三维自由电子的能态密度，与能量 的关系是正比于 C 。A. B. C. D.9、某种晶体的费米能决定于A. 晶体的体积 B. 晶体中的总电子数 C. 晶体中的电子浓度 D. 晶体的形状10、电子有效质量的实验研究方法是 C 。A. X 射线衍射 B. 中子非弹性散射 C. 回旋共振 D. 霍耳效应二、简答题（共 20 分，每小题 5 分）1、波矢空间与倒易空间有何关系? 为什么

15、说波矢空间内的状态点是准连续的?波矢空间与倒格空间处于统一空间, 倒格空间的基矢分别为 321 b、 , 而波矢空间的基矢分别为32N/ /1bb、N, N1、N2、N3 分别是沿正格子基矢 21 a、 方向晶体的原胞数目. 倒格空间中一个倒格点对应的体积为 *321) (b,波矢空间中一个波矢点对应的体积为 NN*321)(, 即波矢空间中一个波矢点对应的体积, 是倒格空间中一个倒格点对应的体积的 1/N. 由于 N 是晶体的原胞数目，数目巨大，所以一个波矢点对应的体积与一个倒格点对应的体积相比是极其微小的。 也就是说，波矢点在倒格空间看是极其稠密的。因此, 在波矢空间内作求和处理时，可把波

16、矢空间内的状态点看成是准连续的。2、简述处理固体比热的德拜模型的基本出发点和主要结论。学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 8 页 共 18 页目的:考核对晶格热容量子理论的掌握。答案：德拜把晶格当作弹性介质来处理，晶格振动采取格波的形式，它们的频率值是不完全相同的而频率有一个分布。同时，他假设频率大于某一个频率 的短波实际上是不存在的， 是格波振动频率的上限。固体比热由德拜模型的结mm果，在高温时满足杜隆-珀替定律，在低温时满足于 与 成正比，这恰是德拜定律。 VC3T（6 分）3、为什么说原胞中电子数目若为奇数，相应的晶体具有金属导电性目的:考核电子在能带中的填充及固体

17、的分类。答案: 一条能带允许有 2 倍原胞数目的电子占据，原胞中电子的数目为奇数必有未填满的能带，有被部分填充的能带结构的晶体具有导电性。4、什么是回旋共振?它有什么用途？目的:考核晶体中电子在磁场中运动规律的掌握。答案：在恒定外磁场的作用下，晶体中的电子（或空穴）将做螺旋运动，回旋频率 。若在垂直磁场方*0m/qB向加上频率为 的交变电场，当 ，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称成为回旋共振。用途：确定电0子的有效质量；确定晶体的能带结构。 （6 分）三、计算题（共 20 分，每小题 10 分）1、已知某晶体两相邻原子间的互作用能可表示成 nmrbarU)(求（1）晶体平衡时两原子间

18、的距离；（2）平衡时的二原子间的结合能。目的:考核对固体结合的掌握。解：(1)平衡时 01100 nmrbrau得 bnrm0 mnabr1)(0（6 分）(2)平衡时 把 r0 表示式代入 u(r)u(r0)= = （4 分）mnmnab)()( mnmnba)()(学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 9 页 共 18 页2、平面正三角形晶格，相邻原子间距是 a。 试求正格子基矢和倒格子基矢，并画出第一布里渊区。目的：考核对布里渊区的理解。解：正格子基矢（4 分）kajiaia 321倒格子基矢 （6 分）iaabji23.2.1321第一布里渊区由 ，- ， ，- ，

19、 + ，- - 的垂直平分面所夹的区域，平面图中由1b21b212b正六边形所围成。四、计算题（共 30 分，每小题 15 分）1、计算由 N 个质量为 m，间距为 a 的相同原子组成的一维单原子链的色散关系，说明存在截止频率 的意义。max原子的运动方程：（5 分）有 解 的 条 件 给 出设 解 ： )(1 2 naqtinqnAeuu 2sin41qam21212)( mNNdqag因为 数一 维 单 原 子 连 的 自 由 度gm0)(学院 姓名 学号 任课老师 选课号 密封线以内答题无效第 10 页 共 18 页所以，有一最高振动频率限制，又称截止频率 ，表示只有频率在 0 之间的格

20、波才能在mm晶体中传播，晶体好像一个低通滤波器。 （5 分）2、一维单原子链，原子间距 a，总长度为 LNa， （1）用紧束缚近似方法求出与原子 s 态能级相对应的能带函数；（2） 求出其能带密度函数 N(E) 的表达式。目的:考核对所学知识的综合运用。能带函数：只计入最近邻格点原子的相互作用时，s 态原子能级相对应的能带函数表示为 NearstRRkisss sJkE)()(0对于一维情形, 任意选取一个格点为原点, 有两个最近邻的格点，坐标为：a 和a ，所以)()(10ikaissJk-（1） （8 分）JkEss co2)(10能带密度函数的计算dkaJkds)sin()1 kaJdEsin2)(1)()(42021Esss对于一维格子，波矢为+k 与-k 具有相同的能量，此外考虑到电子自旋有 2 种取向，在 dk区间的状态数 dkNaZ24能带密度：-（2） （7 分）2021)(4)()( JkEJkdEZNsss 一、选择题（共 30 分，每题 3 分）目的:考核基本知识。1、晶格常数为 的体心立方晶格，原胞体积 等于 C 。dkaJkdE)sin()1