材料物理复习题Word文档格式.docx

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①要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生，这种小原子团不分解出单原子或双原子等，是稳定的，称为稳定核。

临界核比最小稳定核少一个原子，由薄膜材料和基片种类决定。

②将吸附在基片表面的原子团视为微小的凝聚滴（如图），由热力学理论知，形成这个微滴时总自由能的变化为：

∆G=a3r3gv+a1r2σ0+a2r2σ1-a2r2σ2

只有r>

r*→∆G↓→才稳定

两种成核理论的对比：

微滴理论（毛细作用理论）—热力学—凝结论，适用于描述大的临界核，可用热力学参数。

原子理论—统计物理学—原子成核与生长模型，适用于描述小的临界核。

④

3.薄膜的形成的物理过程

①小岛阶段—成核和核长大，透射电镜观察到大小一致（2-3nm）的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。

说明：

核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。

②结合阶段—两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。

而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。

核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。

③沟道阶段—圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。

④连续薄膜—小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。

沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。

4.怎样描述薄膜与基片结构不匹配及解决措施

af—薄膜原材料的晶格常数；

as—基片原材料的晶格常数。

描述——晶格常数相差百分比（af-as）/af

当晶格常数相差百分比（af-as）/af>

>

12%→靠晶格畸变已经达不到匹配，只能靠棱位错来调节。

5.薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素

薄膜的附着类型

①简单附着：

薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范德华力，其附着能Wfs=Ef+Es-Efs（Ef—薄膜的表面能Es—基片的表面能Efs—薄膜与基片之间的界面能）

②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界面。

实现扩散方法：

基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。

③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化合物。

④通过宏观效应—机械锁合双电层吸引功函数不同→电子转移→电荷累积→吸引，静电吸引能

长程力。

影响附着力的工艺因素

包括材料性质（选基片能与薄膜形成化学键→附着力强）、基片表面状态（基片清洗→去掉使基片表面化学键饱和的污染层→提高附着性能）、基片温度（T↑→加速扩散核中间层附着，但注意薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变化）、淀积方式（∵溅射粒子动能大→表面活化附着强，∵有一定数量的微孔→电镀膜的附着性能差）、淀积速率淀积（速率↑→膜中残留氧分子→中间层少→附着力下降、薄膜结构疏松、内应力大→附着性能差）、淀积气氛（淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑）等。

6.附着力的测试方法有哪些详述其中一种方法

机械方法数种如下：

条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、划痕法、推倒法、摩擦法、扭曲法、离心法、超声法、振动法等。

划痕法

用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为0.05nm。

用光学显微镜观察和分析划痕，必须确定临界负荷。

薄膜的临界负荷一般为几-几百克。

单位面积临界剪切力为：

单位面积的剥离能:

7.薄膜热应力与本征应力及内应力的区别

内应力—薄膜内部单位截面上所承受的力，由薄膜本身产生，按性质分包括拉应力和张应力，按起源分包括：

8.薄膜的电阻来源及与块材的区别

电阻来源：

晶格振动→声子散射；

杂质→杂质散射；

缺陷→缺陷散射；

晶界→晶界散射。

薄膜特点：

连续膜→表面散射；

网状膜→细丝周界散射，接触散射；

岛状膜→电子隧道。

由此可见，电阻的物理根源多于块状。

9.简述热电子发射理论和肖特基发射理论

热电子发射理论

物理模型：

金属岛中电子随温度增加，其动能增加。

当其动能大于逸出功时，电子便逸出金属表面，E外→定向流动。

由固体物理学得知，在金属单位体积内，微分能量元dE中的电子能态数为：

•

肖特基发射理论

引入镜像力和外加电场的影响，修正上述中的Ф势垒镜像力：

若发射出的电子（-q）在x处如图，则在一x处感应出一个正镜像电荷（+q），两电荷间的库伦力为：

电子在x处的势能为：

10.简述玻耳兹曼输出方程——电导率的统计理论

六维相空间概念：

位置坐标x,y,z;

动量坐标Px,Py,Pz

电子可能处于（x,y,z,Px,Py,Pz）状态，概率为：

f（x,y,z,Px,Py,Pz）—分布函数

因此，在t时刻，在相空间体积元dΩ=dxdydzdPxdPydPz内的电子数目为：

（2表示电子自旋有2个）

显然，在t+dt时刻，在同一体积元中的电子数变为：

∴在dt后，在dv内所增加的电子数为：

由此可见，电子的改变主要是由于分布几率f随t变而引起的需要建立关于分布概念函数f的微分方程，晶体中电子→电场力（外力）→r变，v变，动量p变

11.简述半导体表面的双电层和表面态的形成

硅晶格在表面处突然终止，表面处硅原子有一个未成键的电子，即有一个未被饱和的键—称为悬挂键，电子在悬挂键上的能态——表面态，处在禁带中，起电子陷阱作用。

实际半导体表面的悬挂键陷阱、结构缺陷、吸附和杂质扰动了半导体的正常共价键，从而形成表面态。

体内电子被表面态捕获而在体内产生空穴，而表面原子得到一个稳定的八电子壳层带有负电荷，它与体内空穴形成双电层。

12.叙述半导体表面处的耗尽层和反型层并画出能带结构图

表面态使表面层带有过剩电荷，因而在表面层下产生异种电荷的聚集层，耗尽层，反型空间电荷层。

①表面层带有正过剩电荷：

电子聚集在空间电荷层→导电好→形成聚集层→导电更好（表面处）

②表面层带有负过剩电荷：

电子向体内流动→形成耗尽层（电子）→表面处比内部更不易导电.

③表面层带很多负过剩电荷：

n型中的少数载流子空穴聚集在空间电荷层→形成反型层。

内部

n型

表面层（空间电荷区）

表面很多负过剩电荷固定不动

耗尽层

3.叙述反型异质结和同型异质结

半导体与半导体的接触有两种形式：

同质接触：

同一种半导体单晶接触异质接触：

异种半导体单晶接触

同质接触→pn结

异质接触

14.金属与型半导体接触时什么条件下形成整流接触?

什么条件下形成欧姆接触?

金属与n型半导体接触，当逸出功满足：

当Φm>

Φs时，形成整流接触

接触后半导体界面层中的电子流向金属，该层中留下带正电的施主，使半导体导带上弯。

金属内电子很多，尽管半导体中的电子流向了金属，但这点电子数对金属来说增加不显然，如同大杯水中增加一两滴水一样。

因此，金属一侧没有空间电荷层，即没有电位差。

全部电位变化都发生在半导体的界面层中，并具有整流性；

在接触处形成结电容（阻挡层电容）是整流接触的特有情况，因为在这种接触的界面区，在半导体一边形成空间电荷层，该层形成结电容。

当Φm<

Φs时，形成欧姆接触

接触后，自由电子从金属移向半导体，直到两者的费米能级相同为止。

因为移入的电子在能量上尚达不到半导体的导带，所以不能形成负的空间电荷，而只构成半导体的表面电荷，结果在界面处形成很薄的双电层，半导体的导带不变，其界面区具有类金属的性质。

在界面处没有位垒，而是形成了一个位谷。

电子可以经过界面自由移动，成为欧姆接触。

在外加电压时，电压全部降落在半导体内部，在相反两个方向上都是增大电流。