2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——物理學(xué)專業(yè)中的半導(dǎo)體物理與光學(xué)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在半導(dǎo)體能帶理論中，決定滿帶和導(dǎo)帶之間禁帶寬度的主要因素是（）。A.晶格振動(dòng)頻率B.原子核對(duì)電子的吸引力C.原子間的相互作用D.電子的自旋2.對(duì)于N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電主要依靠（）。A.自由電子B.空穴C.自由電子和空穴D.氫原子3.PN結(jié)加反向電壓時(shí)，其空間電荷區(qū)（耗盡層）的變化是（）。A.變寬，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)B.變窄，內(nèi)建電場(chǎng)減弱C.變寬，內(nèi)建電場(chǎng)減弱D.變窄，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)4.光的干涉現(xiàn)象說(shuō)明光具有（）。A.波動(dòng)性B.粒子性C.拓?fù)湫訢.守恒性5.在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若用白光照射，則在屏幕上觀察到的是（）。A.單色亮紋B.單色暗紋C.黑白相間的條紋D.彩色條紋6.光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，其折射率（n）和折射角（γ）的變化關(guān)系是（）。A.n變小，γ變小B.n變大，γ變大C.n變小，γ變大D.n變大，γ變小7.全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件是（）。A.光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)B.光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角C.光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，且入射角小于臨界角D.光在透明介質(zhì)中傳播8.偏振光通過(guò)偏振片后，其光強(qiáng)（不考慮吸收）將（）。A.增大B.減小C.不變D.零9.激光器產(chǎn)生的激光與普通光源發(fā)出的光相比，其主要特點(diǎn)是（）。A.亮度高、相干性好、譜線寬度窄B.亮度低、相干性差、譜線寬度寬C.亮度低、相干性好、譜線寬度窄D.亮度高、相干性差、譜線寬度寬10.光纖通信利用光的全反射原理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。光纖中的纖芯和包層必須滿足的條件是（）。A.纖芯折射率大于包層折射率B.纖芯折射率小于包層折射率C.纖芯和包層折射率相等D.纖芯和包層材料相同二、填空題1.半導(dǎo)體中，能帶理論認(rèn)為，原子外層電子在晶體勢(shì)場(chǎng)作用下，形成__________和__________。2.PN結(jié)在正向偏壓下，耗盡層__________，內(nèi)建電場(chǎng)__________。3.真空中的光速約為__________米/秒。4.兩束光發(fā)生干涉的條件是它們必須滿足__________和__________。5.光的衍射現(xiàn)象是光具有__________的表現(xiàn)。6.光的偏振現(xiàn)象說(shuō)明光波是__________。7.激光器產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件是__________、__________和__________。8.光纖通信中，光纖的數(shù)值孔徑（NA）決定了其__________能力。9.半導(dǎo)體中，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)是在__________作用下產(chǎn)生的。10.光在介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率__________，波長(zhǎng)__________。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述什么是本征半導(dǎo)體的載流子濃度，并說(shuō)明其與溫度的關(guān)系。2.簡(jiǎn)述光的干涉和衍射的區(qū)別。3.簡(jiǎn)述激光產(chǎn)生的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”條件。四、計(jì)算題1.(10分)一塊硅（Si）樣品，室溫下本征載流子濃度n_i=1.5x10^10m^-3?，F(xiàn)摻入磷（P）原子，使其成為N型半導(dǎo)體，室溫下施主雜質(zhì)濃度N_D=5x10^21m^-3。假設(shè)摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征載流子濃度，且電子遷移率μ_n=1400cm^2/Vs，空穴遷移率μ_p=450cm^2/Vs。求：(1)該N型硅樣品中的自由電子濃度n和空穴濃度p。(2)該N型硅樣品的電子遷移率μ_n'和空穴遷移率μ_p'（近似認(rèn)為總電場(chǎng)為零時(shí)，遷移率不變）。2.(10分)在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)λ=550nm的單色光垂直照射間距d=0.2mm的雙縫，屏幕到雙縫的距離D=1m。求：(1)屏幕上相鄰兩條亮紋（或暗紋）之間的距離Δy。(2)若用一厚度為e=5x10^-6m、折射率n=1.5的透明薄膜遮住其中一條縫，求此時(shí)屏幕上零級(jí)亮紋的位置（相對(duì)于中心位置）。3.(10分)一束單色光以入射角θ_1=30°從折射率n_1=1.5的介質(zhì)射向折射率n_2=1.0的空氣，求：(1)折射角θ_2。(2)為使光線能發(fā)生全反射，入射角θ_1應(yīng)滿足什么條件？此時(shí)的臨界角θ_c是多少？4.(15分)一激光器發(fā)射波長(zhǎng)λ=632.8nm的紅光，其光子能量為E_photon。若該激光器每秒輸出功率P=1W，且假設(shè)激光束是理想的，其發(fā)散角可以忽略。(1)計(jì)算每個(gè)光子的能量E_photon。(2)計(jì)算該激光器每秒發(fā)出的光子數(shù)N。(3)如果該激光束垂直入射到一面積為A=1cm^2的光探測(cè)器上，探測(cè)器接收到的光功率是多少？（不考慮能量損失和衍射效應(yīng)）---試卷答案一、選擇題1.C2.A3.A4.A5.D6.C7.B8.B9.A10.A二、填空題1.導(dǎo)帶，價(jià)帶2.變窄，減弱3.3x10^84.相干性，相遇于一點(diǎn)5.波動(dòng)性6.橫波7.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射，光諧振腔8.收集光（或集光）9.電場(chǎng)10.不變，變小三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先定義本征半導(dǎo)體，即純半導(dǎo)體，其載流子（電子和空穴）數(shù)量相等，主要由熱激發(fā)產(chǎn)生。然后寫出本征載流子濃度n_i的表達(dá)式（n_i=N_c*exp(-E_g/(2kT))，其中N_c是有效態(tài)密度，E_g是禁帶寬度，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度）。最后說(shuō)明溫度升高，熱激發(fā)增強(qiáng)，n_i增大。2.解析思路：從本質(zhì)區(qū)別入手，干涉是兩列或多列相干光波疊加形成穩(wěn)定疊加圖樣的現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)波的相干條件；衍射是光繞過(guò)障礙物或小孔后偏離直線傳播的現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)光的波動(dòng)性。可從現(xiàn)象描述上區(qū)分，如干涉形成明暗相間條紋，衍射形成明暗相間但強(qiáng)度分布不同的圖樣。3.解析思路：解釋激光產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指，在激光工作物質(zhì)中，處于高能級(jí)的粒子數(shù)N_h大于處于低能級(jí)的粒子數(shù)N_l。這是實(shí)現(xiàn)受激輻射的前提條件，只有這樣才能使受激輻射過(guò)程占主導(dǎo)，從而產(chǎn)生相干的激光光子。四、計(jì)算題1.解析思路：(1)N型半導(dǎo)體中，電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，近似認(rèn)為n≈N_D，p≈n_i*(N_D/N_A)，其中N_A是硅的阿伏伽德羅常數(shù)。代入數(shù)值計(jì)算。注意單位換算。(2)當(dāng)總電場(chǎng)為零時(shí)，摻雜半導(dǎo)體中電子和空穴各自受到的漂移電場(chǎng)為零，因此它們的遷移率μ_n'和μ_p'分別等于其本征遷移率μ_n和μ_p。直接代入已知值。結(jié)果：n≈5x10^21m^-3,p≈3x10^10m^-3,μ_n'=1400cm^2/Vs,μ_p'=450cm^2/Vs2.解析思路：(1)利用雙縫干涉條紋間距公式Δy=(λD)/d。代入λ=550nm=550x10^-9m,D=1m,d=0.2mm=0.2x10^-3m計(jì)算。(2)加入薄膜后，通過(guò)第一條縫的光程增加了n*e，干涉條紋整體平移。零級(jí)亮紋（此時(shí)兩條縫光程差為零）應(yīng)滿足(光程1)-(光程2)=0，即(r_1)-(r_2+n*e)=0，其中r_1和r_2是到屏幕上零級(jí)亮紋的光程，r_2是標(biāo)準(zhǔn)雙縫情況下的光程。設(shè)屏幕中心為x=0，則r_2≈D^2+(x')^2，其中x'是零級(jí)亮紋位置。由于D>>x'，近似為r_2≈D。所以r_1≈D+n*e。用幾何關(guān)系(D^2+(x')^2)-D≈n*e(因?yàn)閤'很小)。解出x'。結(jié)果：Δy=2.75mm,x'=-1.25mm(或1.25mm，取決于參考點(diǎn))3.解析思路：(1)利用折射定律n_1*sin(θ_1)=n_2*sin(θ_2)。已知n_1=1.5,n_2=1.0,θ_1=30°，代入計(jì)算sin(θ_2)，再求θ_2。(2)全反射發(fā)生的條件是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角θ_c。臨界角是入射角等于θ_c時(shí)的折射角，即θ_c=arcsin(n_2/n_1)。代入數(shù)值計(jì)算。結(jié)果：θ_2=19.5°,θ_c=41.4°4.解析思路：(1)利用光子能量公式E_photon=h*c/λ，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速。代入h=6.626x10^-34J*s,c=3x10^8m/s,λ=632.8nm=632.8x10^-9m計(jì)算。(2)每秒光子數(shù)N=總功率P/每個(gè)光子能量E_photon。代入P=1W=1J/s和