大学物理课件第21章 物理学与现代科学技术_修

普通高等教育“十一五”国家级规划教材大学物理（第三版）第五篇量子物理第21章物理学与现代科学技术课件制作者：史晓菲,第21章物理学与现代科学技术,激光与捕陷原子,小结,半导体与计算机,超导与超导量子干涉仪,态叠加原理与量子计算机,21.1半导体与计算机,任何物质都是由原子、分子组成的。量子理论不仅适用于微观领域，也适用于研究宏观物质的某些性质。根据量子力学建立起来的固体能带理论，成功的阐明了固体的导电性能。而半导体是所有各类固体材料中最有应用价值的一类。而用半导体制成的晶体管及大规模集成电路对高速计算机的发展起到了至关重要的作用，,21.1.1固体的能带结构,固体分为晶体和非晶体两大类。目前只有晶体有较完善的理论。我们的讨论也以晶体为例。,固体是由大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构组成。,21.1半导体与计算机,一、价电子共有化,晶体相邻原子间的距离与原子的限度同数量级，原子的外层电子出现了一定程度的重叠，使价电子不再属于某个原子，而是属于晶体中所有原子，这种现象称为价电子的共有化。原子的内层电子与原子核结合较紧,构成离子实。因此可以把晶体看成是由离子实点阵和共有化价电子组成的多粒子系统。,21.1半导体与计算机,量子力学采用有效单电子的势能函数作近似求解解定态薛定谔方程(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。,理想晶体离子实的排列是周期性的，电子处于周期性势场中。,21.1半导体与计算机,量子力学计算表明，电子在晶体中的能级不是任意的，而是形成若干个能带。每个能带是由大量能级组成，能级的数目等于组成晶体的原子数。,21.1半导体与计算机,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。,21.1半导体与计算机,1满带：排满电子。,2价带（导带）：能带中一部分能级排满电子。,3空带与原子的激发态能级相对应的能带，通常没有电子占据，一旦电子受激进入空带，也可发生跃迁，呈现导电性。亦称导带。,4禁带相邻能级间的间隔,禁带,导带,满带,21.1半导体与计算机,三.能带中电子的分布,1、导体和绝缘体,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,四、能带结构与导电性能,21.1半导体与计算机,Eg,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36eV），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。,绝缘体：,半导体：,满带与空带之间也有禁带，但是禁带很窄（Eg约0.12eV)。,Eg,21.1半导体与计算机,导体：,在外电场的作用下，导带中的电子可跃迁到同一能带中较高的能级，形成电流。,E,价带,导带,21.1半导体与计算机,2、半导体的导电机构,（1）本征半导体：是指纯净的半导体,满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。,空带,满带,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,形成电流，称为电子导电。,21.1半导体与计算机,（2）杂质半导体,n型半导体,量子力学计算表明，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。,施主能级,Ed,剩余价电子构成的能级叫施主能级，位于空带的底部。,21.1半导体与计算机,型半导体,Ea,受主能级,多余空穴构成的能级叫受主能级，位于禁带内靠近满带。,量子力学计算表明，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。,21.1半导体与计算机,21.2激光,激光(Laser)，它的全名是“辐射的受激辐射光放大”。,在物质的发光和光吸收的现象中，总是存在三种过程，即自发辐射、受激辐射和受激吸收。,21.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收,一、自发辐射：处在高能级E2上的原子,自发的向低能E1级跃迁时产生的光辐射，叫自发辐射。,h,各原子自发辐射的光是各自独立的，是非相干光。,二、受激吸收：低能级的原子吸收外来光子的能量，从低能级E1跃迁到高能级E2叫做受激吸收,h,入射光的能量密度越大，受激吸收的原子越多。,21.2激光,3受激辐射：原子由高能级E2向低能级E1的跃迁是在外界光子的激发下进行的，这种跃迁为受激辐射。,全同光子,发出的光子频率、偏振方向、相位及传播方向均相同,21.2激光,输入一个光子，可由受激辐射得到两个光子，这两个光子再诱发其他原子产生受激辐射得到四个相同的光子全同光子的数目迅速增加，称为光放大。,受激辐射光放大是产生激光的基本机制。,21.2激光,21.2.2激光的形成,1、粒子数反转,根据统计物理，正常热力学平衡态下，处于高能级上的粒子数，总是小于低能级上的粒子数。,粒子数反转：使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数，这种分布与正常粒子数分布相反，故叫粒子数反转。,21.2激光,粒子数反转时，相同时间内，受激辐射的光子数超过受激吸收的光子数，形成以受激辐射为主的发光过程，从而获得激光输出。,21.2激光,激励：要产生并维持粒子数反转，需从外界向工作物质输入能量，把更多的粒子从低能级激发到高能级，这种能量的供应过程成为激励。,2、合适的能级结构,一般粒子在激发态的平均寿命大约在10-8秒，很容易发生自发辐射。但也存在这样的能级，粒子的平均寿命可以达到10-3秒，这些能级称作亚稳能级，处在亚稳态的粒子可以长时间停留在该能级上，在不断激励的条件下，实现粒子数反转。这就要求工作物质必须具备合适的能级结构，如三能级系统和四能级系统。,21.2激光,3、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）。,21.2激光,21.2.4激光的特性：,1、方向性好、亮度高；（强光束）2、单色性好；3、相干性好；4、光脉冲的宽度窄。,21.2.3激光器的种类：,固体激光器、气体激光器、半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器等。,21.2激光,产生激光的必要条件：,1、激励能源（使原子激发）2、粒子数反转（有合适的亚稳态能级）3、光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,激光的特性：,1、方向性好、亮度