清华大学物理课件：近代物理基础.ppt

近代物理基础 目录 第一章 量子物理基础 第二章 激光 第三章 固体的能带结构,注：狭义相对论和广义相对论简介见力学 部分,第一章 量子物理基础,量子理论的诞生,引言,1 黑体辐射和普朗克的能量子假说,一. 基本概念,1. 热辐射,定义,分子的热运动使物体辐射电磁波,例如：加热铁块,基本性质,温度发射的能量电磁波,平衡热辐射,物体辐射的能量等于在同,的短波成分,一时间内所吸收的能量,2. 辐射能量按波长的分布单色辐出度m,3. 总辐出度 m（t）,单位时间内从物体单位表面发出的波长在,二. 黑体和黑体辐射的基本规律,1. 黑体,能完全吸收各种波长电磁波而无反射的,物体m 最大且只与温度有关而和材料,附近单位波长间隔内的电磁波的能量。,及表面状态无关,4维恩位移律,m = b/t,b = 2.89775610-3 mk,5理论与实验的对比,3. 斯特藩-玻耳兹曼定律,m(t)=t 4, = 5.6710-8 w/m2k4,2. 维恩设计的黑体,三. 经典物理学遇到的困难,四. 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式,2. 普朗克假定（1900）,h = 6.626075510 -34 js,3. 普朗克公式,经典,能量, = h,在全波段与实验结果惊人符合,物体-振子,经典理论：振子的能量取“连续值”,物体发射或吸收电磁辐射:,1“振子”的概念（1900年以前),量子,2 光电效应和爱因斯坦的光量子论,一. 光电效应的实验规律,1光电效应,光电子,光电效应,2实验装置,3. 实验规律,uc= k - u0,与入射光强无关,光电子的最大初动能为,只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时，,才会产生光电效应, 0 称为截止频率或红限频率, 饱和光电流强度 im 与入射光强 i成正比,光电效应是瞬时发生的,驰豫时间不超过10-9s,二.经典物理学所遇到的困难,按照光的经典电磁理论：,光波的能量分布在波面上，阴极电子积,1.普朗克假定是不协调的,三.爱因斯坦的光量子论,只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。,光波的强度与频率无关，电子吸收的能,量也与频率无关，更不存在截止频率！,累能量克服逸出功需要一段时间，光电,效应不可能瞬时发生！,3. 对光电效应的解释,当 a/h时，不发生光电效应。,红限频率,四.光电效应的意义,光量子具有“整体性”,电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成，, = h,2.爱因斯坦光量子假设(1905),3 光的波粒二象性 康普顿散射,一.光的波粒二象性,1. 近代认为光具有波粒二象性, 在有些情况下，光突出显示出波动性；, 粒子不是经典粒子, 波也不是经典波,2. 基本关系式,粒子性：能量 ，动量p,波动性：波长 ，频率,而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。,二 . 康普顿散射,1. 康普顿研究x射线在石墨上的散射,2. 实验规律,电子的compton波长,3. 康普顿效应的特点,2. 康普顿的解释,x射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,波长偏移,3. 康普顿散射实验的意义,三 . 康普顿效应验证了光的量子性,1. 经典电磁理论的困难,4 实物粒子的波动性,光(波)具有粒子性,一. 德布罗意假设,实物粒子具有波动性。并且,与粒子相联系的波称为概率波,实物粒子具有波动性,或德布罗意波,二实验验证,电子通过金多晶薄膜的衍射实验,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,（汤姆逊1927）,（约恩逊1961),例题1：m=0.01kg，v=300m/s的子弹,h极其微小宏观物体的波长小得实验,对波粒二象性的理解,(1) 粒子性,“原子性”或“整体性”,不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念,难以测量“宏观物体只表现出粒子性”,(2) 波动性,“弥散性”“可叠加性”“干涉”“衍射”“偏振”,具有频率和波矢,不是经典的波 不代表实在的物理量的波动,三.波函数和概率波,1.玻恩假定,2.自由粒子平面波波函数,利用,得,经典的平面波为,由图,3. 用电子双缝衍射实验说明概率波的含义,(1)入射强电子流,(2)入射弱电子流,概率波的干涉结果,4. 波函数满足的条件,自然条件：单值、有限和连续,归一化条件,在空间各点发现自由粒子的概率相同,，,设归一化因子为c，则归一化的波函数为,(x)= c exp(-2x2/2),计算积分得,（）,取 0，则归一化的波函数为, (x)=（） exp(-2x2/2),例题3：将波函数 归一化,四. 状态叠加原理,若体系具有一系列互异的可能状态,则,也是可能的状态,5. 波函数统计诠释涉及对世界本质的认识 争论至今未息,哥本哈根学派,爱因斯坦,狄拉克（1972）,5 不确定性关系,一.光子的不确定性关系,1.衍射反比关系,dq ,2.不确定性关系, x d, px pzq,由 pz = h/ 和 d 得, x px h,严格的理论给出光子不确定性关系,二.实物粒子的不确定性关系,物理根源是粒子的波动性,实物粒子的不确定性关系与光子的相同,三.能量与时间的不确定性关系,能级自然宽度和寿命,设体系处于某能量状态的寿命为,则该状态能量的不确定程度de（能级自然宽度),例1原子中电子运动不存在“轨道”,设电子的动能 t =10 ev，平均速度,速度的不确定度,vv 轨道概念不适用!,例2威尔逊云室(可看到一条白亮的带状的痕迹粒子的径迹),pp,四. 用不确定性关系作数量级估算,6 薛定谔方程,一.自由粒子薛定谔方程的建立,自由粒子波函数,微分,得到方程,由,得自由粒子的薛定谔方程,推广到势场u(x,t)中的粒子，薛定谔方程为,二物理启示,定义能量算符,动量算符和坐标算符,例：能量、动量和坐标算符对沿x方向传播自由平面波波函数,的作用,利用对应关系得“算符关系等式”,把“算符关系等式”作用在波函数上得到,三维情况：,三. 哈密顿量,粒子的总能量,若,称 为能量算符,用哈密顿量表示薛定谔方程,7 定态薛定谔方程,则薛定谔方程可分离变量。,一.定态薛定谔方程,1.分离变量,设,则,2.振动因子,方程（1）的解为,一振动因子,量纲e代表粒子的能量,3.定态薛定谔方程,三.能量算符的本征值问题,本征值取分立值时的本征值问题,e1，e2，.，en，.能量本征值谱,是能量取ei时的本征态,本征函数系,n 量子数,二.定态,能量取确定值的状态,定态波函数,8 力学量算符的本征值问题,一. 力学量用算符表示,基本假定：力学量用算符表示。通过对相应经典力学量算符化得到,算符化规则：,例如：,二. 力学量算符的本征值问题,其本征值问题为,例：沿x方向运动的自由粒子的波函数,i, li ,n 的含义 ,(1) 是动量算符的本征函数,(2)动量本征值 构成连续谱,(4)动量和自由粒子的能量可同时取确定值,(3)也是自由粒子哈密顿量的本征函数,三.本征函数的性质,1.,在本征态 上测量力学量 ,只能测得l,2.,构成“正交”、“ 归一”的“完备”函数系,正交,归一,完备,任一物理上合理的波函数(x),展开系数的意义,若(x)是归一化的波函数,则,为(x)中包含本征态的概率,四. 力学量的平均值,1测量值和概率,在状态(x)上对力学量 作n(大数)次测量,2力学量 的平均值,或,例题：在自由粒子平面波状态上测量动量得到的平均值,9 势阱中的粒子和一维散射问题,一.一维无限深势阱中的粒子,1.势函数,，,2.哈密顿量,3.定态薛定谔方程,令,得,阱内：,阱外：,4.分区求通解,a和b是待定常数,5.由波函数自然条件和边界条件定特解,，（b 0）,阱外：,阱内：,(1)能量本征值,得,能量取分立值（能级）能量量子化,当 时，量子化连续,最低能量(零点能) 波动性,(2)本征函数系,(3)本征函数系的正交性,可证,(4)概率密度,当 时，量子经典,例题：在阱宽为a 的无限深势阱中,一个粒子的状态为,多次测量其能量。问,每次可能测到的值和相应概率？,能量的平均值？,解：已知无限深势阱中粒子的,则,多次测量能量(可能测到的值),能量的平均值,概率各1/2,二. 一维散射问题,1梯形势,薛定谔方程：,通解：,特解：,（euu0,衰减解）,电子逸出金属表面的模型,(eu0,振动解）,2.隧道效应（势垒贯穿）,三.扫描隧道显微镜,48个fe原子形成“量子围栏”，围栏中的电子形成驻波.,隧道电流i与样品和针尖间距离s的关系,10 一维谐振子,一.势函数,m振子质量，固有频率，x位移,二.哈密顿量,三.定态薛定谔方程,1.能量本征值,能量量子化,能量间隔,最低能量(零点能),2本征函数和概率密度,四.与经典谐振子的比较,1.基态位置概率分布,量子：在x=0处概率最大,经典：在x=0处概率最小,2.符合玻尔对应原理,量子概率分布经典概率分布,能量量子化能量取连续值,3.本征函数系的正交性,11 角动量和氢原子,一.角动量算符,直角坐标系,球坐标系,二 . 角动量算符的本征值问题,1.角动量的描述,角动量用 描述,2.本征值问题的解,和 可同时取确定值 和,构成正交，归一的完备系,3.角动量在空间取向的量子化,对于确定的角量子数l , m可取(2l+1)个值,空间取向量子化,三 .中心力场中的定态薛定谔方程,( u( r )为中心力场 ),球坐标系,定态薛定谔方程,四. 分离变量,角动量守恒，令,得,五. 氢原子的解,1. 能量本征值,能量是量子化的,2. 氢原子光谱,频率条件,电子从ei 跃迁到ef（eief）时，发射光子,频率,当 时，en连续值,相应的波数,光谱,巴尔末系（可见区）,赖曼系（紫外区）,3. 本征波函数,正交归一化条件,4. 电子径向概率分布,r r+dr,5. 电子角向概率分布,( , )方向立体角d,12 电子的自旋 四个量子数,一.电子的自旋,斯特恩盖拉赫实验（1921）,轨道运动磁矩,不均匀磁场,(2l1),基态银原子l0 应无偏转,射线的偏转表明：电子还应具有自旋角动量,设自旋角量子数为s,自旋角动量的本征值问题,自旋角动量无经典对应，是一种相对论效应。,二.四个量子数,电子运动由四个量子数决定,主量子数n: n=1,2,3,轨道角量子数l: l=0,1,2,(n-1),轨道磁量子数ml: ml=0,1, 2, l,自旋磁量子数ms: ms=1/2,三.泡利不相容原理,1.费米子和玻色子,2.泡利不相容原理,费米子：自旋为 的半奇数倍的粒子,玻色子：自旋s0或 的整数倍的粒子,不能有两个电子具有相同的n,l,ml ,ms,3.玻色凝聚,玻色子不受泡利不相容原理的限制，一个单粒子态可容纳多个玻色子玻色凝聚。,四.原子的壳层结构(自学）,13 碱金属原子能级和分子能级简介,一.碱金属原子能级,1.原子实的极化,原子实的极化与l有关,2.轨道贯穿,轨道贯穿也与l 有关,3.量子数亏损,碱金属原子的能级,为量子数亏损,二 .分子能级简介,分子能级,能级间隔,ee电子e振动e转动,de电子 de振动 de转动,由分子的电子能级间发生跃迁，光谱在可见区和紫外区。,1.电子能级,2.振动能级,振动光谱在近红外区,3.转动能级,i代表分子的转动惯量,转动光谱在远红外和微波区,三. 分子光谱的带状结构,( 第一章结束 ) 本章编者： 李桂琴 陈信义,第二章 激 光,（编者：华基美）,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,前言,激光又名镭射 (laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。,(light amplification by stimulated emission of radiation),第二章 激 光,一. 特点：,方向性极好（发散角10 -4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）,空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。,时间相干性好（10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,按工作方式分,连续式（功率可达104 w） 脉冲式（瞬时功率可达1014 w ）,三 . 波长：极紫外可见光亚毫米,(100 n m ） （1.222 m m ）,二 . 种类：,固体（如红宝石al2o3） 液体（如某些染料） 气体（如he-ne，co2） 半导体（如砷化镓 gaas） ,按工作物质分,1 粒子数按能级的统计分布 原子的激发,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：,若 e2 e 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计：,t 103 k；,kt1.3810-20 j 0.086 ev;,e 2-e 11ev;,但要产生激光必须使原子激发;且 n2 n1, 称粒子数反转(population inversion)。,原子激发的几种基本方式：,1气体放电激发,2原子间碰撞激发,3光激发(光泵),演示,演示,2 自发辐射 受激辐射和吸收,一. 自发辐射(spontaneous radiation),设 n1 、n2 单位体积中处于e1 、e2 能级的原子数。,单位体积中单位时间内， 从e2 e1自发辐射 的原子数：,h,写成等式,21 自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。,二受激辐射 (stimulated radiation),全同光子,设 （、）温度为时, 频率为 = (e2 - e1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。,单位体积中单位时间内，从e e 受激辐射的原子数：,写成等式,b21受激辐射系数,w21 单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。,则,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 -有光的放大作用。,令 w21 = b21 （、t）,三 . 吸收(absorption),h,上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从e1e2。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 e1e2 的原子数：,写成等式,b12 吸收系数,令 w12=12 ( 、t),w12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。,a21 、b21 、b12 称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在 1年从理论上得出,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上 获得激光奠定了理论基础。,没有实验家,理论家就会迷失方向。,没有理论家,实验家就会迟疑不决。,b21 = b12,3 粒子数反转,一. 为何要粒子数反转 (population inversion), 必须 n2 n1（ 粒子数反转）。,因 b21=b12, w21=w12,产生激光必须,he -ne 激光器中he是辅助物质，ne是 激活物质，he与 ne之比为51 101。,电子碰撞,碰撞转移,he-ne激光管的工作原理：,由于电子的碰撞,he被激发(到23s和21s能级) 的概率比 ne 原子被激发的概率大；,在he 的23s，21s这两个能级都是亚稳态， 很难回到基态；,在he的这两个激发态上 集聚了较多的原子。,由于ne的 5s 和 4s与 he的 21s和 23s的 能量几乎相等，当两种原子相碰时非常 容易产生能量的“共振转移”；,（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数）,正好ne的5s，4s是亚稳态，下能级 4p， 3p 的寿命比上能级5s，4s要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。,在碰撞中 he 把能量传递给 ne而回到基态， 而 ne则被激发到 5s 或 4s；,放电管做得比较细（毛细管），可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 s态 的ne原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁”而回到基态，,以及时减少3s态的ne原子数， 有利于激光下能级4p与3p态的抽空。, ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:,06328 115 m 339 ,它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。,4 增益系数,激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着,增益光的放大；,损耗光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。,激光形成阶段：增益 损耗,激光稳定阶段：增益 损耗,增益,损耗,一激光在工作物质内传播时的净增益,设0处，光强为i0, i,+dx i + d i,有 d i idx,写成等式 d i = g i dx,定义：增益系数 g (gain coefficient),即单位长度上光强增加的比例。,一般g不是常数。 为简单起见，先近似地认为g是常数。,二 . 考虑激光在两端反射镜处的损耗,i0 激光从左反射镜出发时的光强。,i1 经过工作物质后，被右反射镜反射 出发时的光强。,i0,全反射镜,部分反射镜,i1,i2 再经过工作物质，并被左反射镜反射 出发时的光强。,i2,r1、r2 左、右两端反射镜的反射率.,显然有 i 1 = r 2 i 0 egl,i 2 = r 1 i 1 egl,= r 1 r 2 i 0 e2gl,在激光形成阶段,即 r1 r2 e2gl 1,或,须 i2 / i0 1,式中gm称为阈值增益， 即产生激光的最小增益。,在激光稳定阶段,即,光强增大到一定程度后,须 i2 / i0 = 1,在激光的形成阶段g gm , 光放大， 怎麽光强不会无限放大下去？,在激光的稳定阶段 怎么又会g = gm ?,原因是实际的增益系数g 不是常量,当 i时，会 g。,这是由于光强增大伴随着 粒子数反转程度的减弱。 （负反馈）,不会。,当光强增大到一定程度，g下降到m时， 增益=损耗，激光就达到稳定了。,通常称,-为阈值条件。,( threshold condition),5 光学谐振腔 纵膜与横模,(optical harmonic oscillator),(longitudinal mode and transverse mode),激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。,光学谐振腔的作用：,1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；,2.增强光放大作用（延长了工作物质）；,3.使激光具有极好的单色性（选频）。,阈值条件为,对于可能有多种跃迁的情况， 可以利用阈值条件来选出一种跃迁。,选频之一：,我们可以控制1、2的大小：,对 0.6328 m 1、r2大 gm 小(易满足阈值条件，使形成激光) ；,对 1.15 m 、3.39 m 1、2小 gm大（不满足阈值条件，形不成激光）。,例如，若氦氖激光器ne原子的 0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 受激辐射 光中, 只让波长0.6328 m的光输出，,设氦氖激光器ne原子的 06328 m受激辐射光 的谱线宽度为, 如图所示。, 1.3109 hz,对于单一的跃迁，还可以利用 选择纵模间隔的方法，进一步 在谱线宽度内再选频。,选频之二：,由于,为什么激光的谱线宽度会 小到 10-8？,取绝对值,由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，,所以有光程,( k=1、2、3、),k真空中的波长,n 谐振腔内媒质的折射率,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,数量级估计：,1； n1.0； c108 ms,而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为, =13109 hz,因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为,利用加大纵模频率间隔k的方法,可以使 区间中只存在一个纵模频率。,比如缩短管长到 10 c，,即 l/10,于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出， 极大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。,激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式。,小结：产生激光的必要条件,. 激励能源（使原子激发）,. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级）,.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,基横模在激光光束的横截面上各点的 位相相同，空间相干性最好。,6 激光的特性及其应用,方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。,相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。,例激光光纤通讯,由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，,一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。,例2 . 激光手术刀,（不需开胸，不住院）,照明束 照亮视场, 纤维镜激光光纤 成象, 有源纤维强激光 使堵塞物熔化, 附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线, 套环 （可充、放气） 阻止血流或使血流流通,例3激光 原子力显微镜(afm),用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 反复移动,来探测固 体表面的情况。,试样通常是 微电子器件。,探针尖端在工作时处于受迫振动状态， 其频率接近于探针的共振频率。,探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯 吸引力的作用时，其共振频率发生变化， 因而振幅也随之改变。,为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成 两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则 穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。,可检测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化。,用于检查微电路成品， 检查制作微电路用的硅表面的质量。,这两束光重新会合后发生干涉， 根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。,据此可探知试样 表面的原子起伏情况。,第二章结束,例5激光半导体二极管 ( 在固体部分学 ),例4激光单原子探测（略）,随着微电子电路技术的进展，硅基片 表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就 将被认为是不合格的。,第 三 章 固体的能带结构,（编者：华基美）,前言,1 固体的能带,一. 电子共有化,固体具有大量分子、原子或离子有规则 排列的点阵结构。,电子受到周期性势场的作用。,第 三 章 固体的能带结构,解定态薛定格方程(略）， 可以得出两点重要结论：,.电子的能量是量子化的;,.电子的运动有隧道效应。,原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率 较大， 电子可以在整个固体中运动,称为 共有化电子。,原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是 共有化电子。,二. 能带(energy band),量子力学计算表明，固体中若有n个 原子，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的每一个能级,变成了n条靠 得很近的能级,称为能带。,固体中的电子能级 有什么特点？,能带的宽度记作e ，数量级为 eev。,若n1023,则能带中两能级的间距约10-23ev。,一般规律：,1. 越是外层电子，能带越宽，e越大。,2. 点阵间距越小，能带越宽，e越大。,3. 两个能带有可能重叠。,离子间距,a,2p,2s,1s,e,0,能带重叠示意图,三 . 能带中电子的排布,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。,排布原则：,. 服从泡里不相容原理（费米子）,. 服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 enl ，它最多能容纳 2 (2 +1)个电子。,这一能级分裂成由 n条能级组成的能带后， 能带最多能容纳(2 +1)个电子。,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、能带，最多容纳 6个电子。,例如，1、能带，最多容纳 2个电子。,(2 +1),2 导体和绝缘体 （conductor insulator）,它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,固体按导电性能的高低可以分为,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,eg,eg,eg,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。,e,导体,从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（eg 约36 ev）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,的能带结构,满带与空带之间也是禁带， 但是禁带很窄（e g 约0.12 ev )。,绝缘体,半导体,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体, 半导体的导电机构,一. 本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体 之间。,介绍两个概念：,1. 电子导电半导体的载流子是电子,2. 空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后, 满带中出现一个空位。,例. 半导体 cd s,这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为“空穴”) , 把电子抵消了。,电子和空穴总是成对出现的。,空带,满带,空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁。,满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电。,在外电场作用下,解,上例中,半导体 cd s激发电子, 光波的波长最大多长？,为什么半导体的电阻 随温度升高而降低？,二. 杂质半导体,. n型半导体,四价的本征半导体 si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如p、as等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的 能级在禁带中紧靠空带处, ed10-2ev， 极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ed,空穴少数载流子,.型半导体,四价的本征半导体si、e等，掺入少量 三价的杂质元素（如、ga、n等） 形成空穴型半导体，称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处，ed10-2ev， 极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,空 带,ea,受主能级,p型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,3. n型化合物半导体,例如，化合物gaas中掺，六价的te 替代五价的as可形成施主能级， 成为n型gaas杂质半导体。,4.型化合物半导体,例如，化合物 gaas中掺zn，二价的zn 替代三价的ga可形成受主能级， 成为p型gaas杂质半导体。,三. 杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na）， 两种杂质有补偿作用：,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用， 可以制成p-结。,4 -结,一.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。,由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场。,内建场大到一定 程度,不再有净电 荷的