高二物理競賽物理學 固體 課件

第21章物理學與現代科學技術

21.121.221.321.4激光與捕陷原子小結半導體與計算機超導與超導量子干涉儀態(tài)疊加原理與量子計算機

21.1半導體與計算機

任何物質都是由原子、分子組成的。量子理論不僅適用于微觀領域，也適用于研究宏觀物質的某些性質。根據量子力學建立起來的固體能帶理論，成功的闡明了固體的導電性能。而半導體是所有各類固體材料中最有應用價值的一類。而用半導體制成的晶體管及大規(guī)模集成電路對高速計算機的發(fā)展起到了至關重要的作用，21.1.1固體的能帶結構

固體分為晶體和非晶體兩大類。目前只有晶體有較完善的理論。我們的討論也以晶體為例。

SiSiSiSiSSiSi

固體是由大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點陣結構組成。

21.1半導體與計算機一、價電子共有化

晶體相鄰原子間的距離與原子的限度同數量級，原子的外層電子出現了一定程度的重疊，使價電子不再屬于某個原子，而是屬于晶體中所有原子，這種現象稱為價電子的共有化。原子的內層電子與原子核結合較緊,構成離子實。因此可以把晶體看成是由離子實點陣和共有化價電子組成的多粒子系統(tǒng)。

21.1半導體與計算機

量子力學采用有效單電子的勢能函數作近似求解解定態(tài)薛定諤方程(略），可以得出兩點重要結論（１）.電子的能量是量子化的;（２）.電子的運動有隧道效應。

理想晶體離子實的排列是周期性的，電子處于周期性勢場中。a

21.1半導體與計算機

量子力學計算表明，電子在晶體中的能級不是任意的，而是形成若干個能帶。每個能帶是由大量能級組成，能級的數目等于組成晶體的原子數。二、.能帶(energyband)1s△E3s3s2p2s△E1s△E2s△E2p

21.1半導體與計算機一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

2.點陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個能帶有可能重疊。

21.1半導體與計算機

1．滿帶：排滿電子。

2．價帶（導帶）：能帶中一部分能級排滿電子。

3．空帶與原子的激發(fā)態(tài)能級相對應的能帶，通常沒有電子占據，一旦電子受激進入空帶，也可發(fā)生躍遷，呈現導電性。亦稱導帶。

4．禁帶相鄰能級間的間隔禁帶導帶滿帶

21.1半導體與計算機三.能帶中電子的分布1、導體和絕緣體

它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。固體按導電性能的高低可以分為導體半導體絕緣體四、能帶結構與導電性能

21.1半導體與計算機Eg

從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間有一個較寬的禁帶（Eg約3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。絕緣體：半導體：

滿帶與空帶之間也有禁帶，但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。Eg

21.1半導體與計算機導體：

在外電場的作用下，導帶中的電子可躍遷到同一能帶中較高的能級，形成電流。EE價帶導帶滿帶導帶

21.1半導體與計算機2、半導體的導電機構

（1）本征半導體：是指純凈的半導體

滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現一個空位?？諑M帶Eg

空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來,形成電流，稱為電子導電。

21.1半導體與計算機（2）雜質半導體①n型半導體

量子力學計算表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,ED～10-2eV，極易形成電子導電。SiSiSiSiSiSiSiP空帶滿帶施主能級EdEg

剩余價電子構成的能級叫施主能級，位于空帶的底部。

21.1半導體與計算機②ｐ型半導體SiSiSiSiSiSiSi+BEa受主能級Eg空帶滿帶

多余空穴構成的能級叫受主能級，位于禁帶內靠近滿帶。

量子力學計算表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，ED～10-2eV，極易產生空穴導電。

21.1半導體與計算機

21.2激光

激光(Laser)，它的全名是“輻射的受激輻射光放大”。

在物質的發(fā)光和光吸收的現象中，總是存在三種過程，即自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。21.2.1自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收

一、自發(fā)輻射：處在高能級E2上的原子,自發(fā)的向低能E1級躍遷時產生的光輻射，叫自發(fā)輻射。E2E1h

各原子自發(fā)輻射的光是各自獨立的，是非相干光。

二、受激吸收：低能級的原子吸收外來光子的能量，從低能級E1躍遷到高能級E2叫做受激吸收E2E1h入射光的能量密度越大，受激吸收的原子越多。

21.2激光3．受激輻射：原子由高能級E2向低能級E1的躍遷是在外界光子的激發(fā)下進行的，這種躍遷為受激輻射。E2E1N2N1全同光子h發(fā)出的光子頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同

21.2激光

輸入一個光子，可由受激輻射得到兩個光子，這兩個光子再誘發(fā)其他原子產生受激輻射得到四個相同的光子……全同光子的數目迅速增加，稱為光放大。受激輻射光放大是產生激光的基本機制。

21.2激光21.2.2激光的形成1、粒子數反轉

根據統(tǒng)計物理，正常熱力學平衡態(tài)下，處于高能級上的粒子數，總是小于低能級上的粒子數。

粒子數反轉：使高能級上的粒子數大于低能級上的粒子數，這種分布與正常粒子數分布相反，故叫粒子數反轉。

21.2激光

粒子數反轉時，相同時間內，受激輻射的光子數超過受激吸收的光子數，形成以受激輻射為主的發(fā)光過程，從而獲得激光輸出。

21.2激光

激勵：要產生并維持粒子數反轉，需從外界向工作物質輸入能量，把更多的粒子從低能級激發(fā)到高能級，這種能量的供應過程成為激勵。2、合適的能級結構

一般粒子在激發(fā)態(tài)的平均壽命大約在10-8秒，很容易發(fā)生自發(fā)輻射。但也存在這樣的能級，粒子的平均壽命可以達到10-3秒，這些能級稱作亞穩(wěn)能級，處在亞穩(wěn)態(tài)的粒子可以長時間停留在該能級上，在不斷激勵的條件下，實現粒子數反轉。這就要求工作物質必須具備合適的能級結構，如三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)。

21.2激光3、光學諧振腔

激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光

光學諧振腔的作用：

1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；

2.增強光放大作用（延長了工作物質）；

3.使激光具有極好的單色性（選頻）。

21.2激光

21.2.4激光的特性：1、方向性好、亮度高；（強光束）2、單色性好；3、相干性好；4、光脈沖的寬度窄。

21.2.3激光器的種類：

固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、染料激光器、自由電子激光器等。

21.2激光產生激光的必要條件：1、激勵能源（使原子激發(fā)）2、粒子數反轉（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）3、光學諧振腔（方向性，光放大，單色性）

激光的特性：1、方向性好、亮度高；（強光束）2、單色性好；3、相干性好；4、光脈沖的寬度窄。小結

21.2激光普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

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