大學(xué)物理第三部分量子與宇宙學(xué)之第16章-固體導(dǎo)電理論課件

第16章固體導(dǎo)電理論16-1固體中的電子16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)16-3超導(dǎo)電性16-4激光基礎(chǔ)第16章固體導(dǎo)電理論16-1固體中的電子16-211、在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，晶體具有規(guī)則排列的對稱性，而非晶體則沒有。2、晶體的宏觀性質(zhì)多表現(xiàn)為各向異性，而非晶體則具有各向同性的性質(zhì)。3、晶體具有確定的熔點，而非晶體卻沒有，隨著溫度的升高而逐漸軟化，逐漸增加其流動性。第16章固體導(dǎo)電理論固體：通常是指在承受切應(yīng)力時具有一定程度剛性的物質(zhì)，它具有一定的體積和形狀。固體分類（按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分）非晶態(tài)固體（非晶體）晶態(tài)固體（晶體）晶體和非晶體的主要區(qū)別：1、在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，晶體具有規(guī)則排列的對稱性，而第16章216-1固體中的電子電子的共有化：晶體中電子運動的研究方法：只能采用一些近似方法晶格：晶體中原子的規(guī)則排列組成晶格，所有的晶格都具有周期性。一個晶格最小的周期性單元稱為晶格的原胞，許多晶體中每一個原胞只有一個原子，但金剛石、食鹽等晶體的一個原胞包含著兩個或更多的原子。最常見的是單電子近似法第一步是絕熱近似第二步是自洽場方法16-1固體中的電子電子的共有化：晶體中電子運動的研究方法316-1固體中的電子一、固體中的自由電子的能級和態(tài)密度長為L的金屬鏈，其內(nèi)的共有化電子看作自由電子氣，不受外力作用，彼此間也無相互作用。勢能取為零。則電子的薛定諤方程：解此方程并取邊界條件再由歸一化條件可得波函數(shù)和能級：16-1固體中的電子一、固體中的自由電子的能級和態(tài)密度416-1固體中的電子把此結(jié)果推廣到三維情況。金屬樣品為一邊長為L的立方體，有三維薛定諤方程：對應(yīng)的波函數(shù)和能級為：16-1固體中的電子把此結(jié)果推廣到三維情況。金屬樣品為一邊516-1固體中的電子的例16--1狀態(tài)函數(shù)（態(tài)函數(shù)，能級密度函數(shù)）：

為粒子在能量間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)與能量間隔之比，即由知：對于給定的E，必然對應(yīng)若干組量子數(shù)，若為坐標(biāo)軸，做一量子數(shù)空間，則上式表示一個半徑為的球面。滿足上式的任意一組正整數(shù)相當(dāng)于球面上的一個點。16-1固體中的電子的例16--1狀態(tài)函數(shù)（態(tài)函數(shù)，能616-1固體中的電子能量小于E的電子狀態(tài)數(shù)Z等于該的球體體積，即上式對能量求導(dǎo)數(shù)就得到能量在E--dE范圍內(nèi)的電子狀態(tài)數(shù)因此態(tài)密度為其中16-1固體中的電子能量小于E的電子狀態(tài)數(shù)Z等于該的716-1固體中的電子二、自由電子的導(dǎo)電理論玻色子：自旋為整數(shù)的微觀粒子。如光子。費米子：自旋為半整數(shù)的微觀粒子。電子、質(zhì)子等。費米子按能量分布服從費米——狄拉克統(tǒng)計規(guī)律：費米能：在能級E上每個量子態(tài)平均分配的粒子數(shù)。16-1固體中的電子二、自由電子的導(dǎo)電理論玻色子：自旋816-1固體中的電子01.E01.E是絕對零度時電子所占據(jù)的最高能級。16-1固體中的電子01.E01.E是絕對零度時電子所占據(jù)916-1固體中的電子16-1固體中的電子1016-1固體中的電子三、電子能帶(energyband)

圖14-4晶體中的庫侖周期場１.電子的能量是量子化的;２.電子的運動有隧道效應(yīng)。原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個固體中運動,稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。16-1固體中的電子三、電子能帶(energyband)1116-1固體中的電子V圖14：一維晶體中共有化電子的周期勢場考慮一維分布的晶格，由于晶格的周期性，使電子的勢能函數(shù)也具有周期性，所以：其中a是晶格常數(shù)，n是任意整數(shù)。16-1固體中的電子V圖14：一維晶體中共有化電子的周期勢12其中為一維波矢量，u(x)也是x的周期函數(shù)，即根據(jù)布洛赫定理，當(dāng)勢能函數(shù)是坐標(biāo)x的周期函數(shù)式時，一維定態(tài)薛定諤方程的解必然具有下列形式：16-1固體中的電子設(shè)晶體共有N個原胞，則晶體長度L=Na應(yīng)用波函數(shù)應(yīng)滿足的周期條件：即得其中為一維波矢量，u(x)也是x1316-1固體中的電子克龍尼克－潘納模型：把圖14所示的一維無限長周期勢場簡化為無限長周期方勢壘。0baxV(x)圖14-5克龍尼克－潘納模型勢阱其勢能函數(shù)代入薛定諤方程中求解知，共有化電子能量同波矢k有關(guān)，圖14-7畫出了E-k關(guān)系的一條曲線。16-1固體中的電子克龍尼克－潘納模型：把圖14所示的一維1416-1固體中的電子k滿足周期條件：又因為量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。能帶的寬度記作E，數(shù)量級為E～eV。若N~1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。16-1固體中的電子k滿足周期條件：又因為1516-1固體中的電子一般規(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。16-1固體中的電子一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶1616-1固體中的電子離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖16-1固體中的電子離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意1716-1固體中的電子1．滿帶（排滿電子）2．價帶（能帶中一部分能級排滿電子）

亦稱導(dǎo)帶3．空帶（未排電子）亦稱導(dǎo)帶4．禁帶（不能排電子）三.能帶中電子的排布固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。排布原則：１.服從泡里不相容原理（費米子）２.服從能量最小原理概念16-1固體中的電子1．滿帶（排滿電子）2．價帶（能帶1816-1固體中的電子導(dǎo)體和絕緣體（conductor．insulator）它們的導(dǎo)電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體16-1固體中的電子導(dǎo)體和絕緣體（conductor．i1916-1固體中的電子導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體EgEgEg16-1固體中的電子導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體EgEg2016-1固體中的電子在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。E導(dǎo)體16-1固體中的電子在外電場的21的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。16-1固體中的電子從能級圖上來看，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(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁2216-1固體中的電子絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體16-1固體中的電子絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時，2316-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個概念：1.電子導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是電子2.空穴導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個空位。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semicond2416-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)例.半導(dǎo)體CdS滿帶空帶hEg=2.42eV這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為“空穴”),把電子抵消了。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)例.半導(dǎo)體CdS滿帶空帶2516-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶滿帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來,這相當(dāng)于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導(dǎo)電。Eg在外電場作用下,16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶滿帶空穴下面能級上滿帶上帶正電2616-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)解上例中,半導(dǎo)體CdS激發(fā)電子,光波的波長最大多長？16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)解上例中,半導(dǎo)體CdS激發(fā)2716-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)為什么半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而降低？16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)為什么半導(dǎo)體的電阻2816-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體１.n型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇｅ等，摻入少量五價的雜質(zhì)（impurity）元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,Ea～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體１.n型半導(dǎo)體四29SiSiSiSiSiSiSi16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中電子……多數(shù)載流子空帶滿帶施主能級EaEg空穴……少數(shù)載流子PSiSiSiSiSiSiSi16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)n3016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)２.ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，Ea～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級稱受主（acceptor）能級。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)２.ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si3116-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶Ea滿帶受主能級P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶Ea滿帶受主能級P型3216-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三、Ｐ-Ｎ結(jié)1.Ｐ-Ｎ結(jié)的形成由于Ｎ區(qū)的電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，Ｐ區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，在ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場,稱為內(nèi)建場。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三、Ｐ-Ｎ結(jié)1.Ｐ-Ｎ結(jié)的形成3316-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達(dá)到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約0.1m厚。P-N結(jié)n型p型內(nèi)建場阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)內(nèi)建場大到一定在ｐ型n型交界面P3416-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)2.Ｐ-Ｎ結(jié)的單向?qū)щ娦裕ǎ保┱蚱珘涸冢?Ｎ結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向N區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，形成正向電流（mＡ級）。p型n型I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)2.Ｐ-Ｎ結(jié)的單向?qū)щ娦裕ǎ保?516-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)外加正向電壓越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的伏安特性(圖為鍺管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)外加正向電壓越大，V（伏）３０２０3616-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（２）反向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的ｐ型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向Ｎ區(qū)運動，也不利于電子向P區(qū)運動,沒有正向電流。p型n型I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（２）反向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的ｐ型區(qū)3716-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)但是，由于少數(shù)載流子的存在，會形成很弱的反向電流，當(dāng)外電場很強(qiáng),反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大----反向擊穿。稱為漏電流（Ａ級）。擊穿電壓V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-3016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)但是，由于少數(shù)當(dāng)外電場很強(qiáng),反3816-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)利用P-N結(jié)可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管（diode）。3.半導(dǎo)體的其他特性和應(yīng)用

熱敏電阻（自學(xué)）

光敏電阻（自學(xué)）

溫差電偶（自學(xué)）P-N結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor），以及其他一些晶體管。

集成電路：16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)利用P-N結(jié)可以作3916-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1947年12月23日，美國貝爾實驗室的半導(dǎo)體小組做出了世界上第一只具有放大作用的點接觸型晶體三極管。固定針B探針固定針AGe晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1947年12月23日，美國貝爾實4016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)pnp電信號cbVebVcbRe~后來，晶體管又從點接觸型發(fā)展到面接觸型。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長，很快成為第二代電子器件。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)pnp電信號cbVebVcbRe~4116-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路下圖為INMOST900微處理器:每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬個三極管。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)4216-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)4316-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的用。半導(dǎo)體激光器的特點：功率可達(dá)102mW效率高制造方便成本低所需電壓低(只需1.5V)體積小極易與光纖接合16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖4416-3超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性：某些物質(zhì)在低溫下出現(xiàn)電阻為零和排斥磁力線的現(xiàn)象。這些物質(zhì)被稱為超導(dǎo)體。轉(zhuǎn)變溫度：物體從正常態(tài)（具有電阻）轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（零電阻）的臨界溫度。123456R1911年，荷蘭物理學(xué)家昂里斯第一次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。1987年被稱為超導(dǎo)年。16-3超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性：某些物質(zhì)在低溫下出現(xiàn)電阻為零和4516-3超導(dǎo)電性1、零電阻（理想導(dǎo)電性）2、臨界磁場實驗表明，當(dāng)物體處于超導(dǎo)態(tài)時，若其周圍環(huán)境的磁場足夠強(qiáng)，則可破壞其超導(dǎo)性，重新出現(xiàn)電阻，由超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)。這種破壞超導(dǎo)體所需的最小磁場強(qiáng)度稱為臨界磁場。H超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)0圖14-15臨界磁場與溫度關(guān)系臨界磁場強(qiáng)度為時的一、超導(dǎo)體的基本性質(zhì)16-3超導(dǎo)電性1、零電阻（理想導(dǎo)電性）2、臨界磁場4616-3超導(dǎo)電性臨界電流密度：超導(dǎo)體中破壞超導(dǎo)電性的最小電流密度。由于超導(dǎo)體中的持久電流也產(chǎn)生磁場，所以臨界磁場的存在限制了超導(dǎo)體中能夠通過的電流。3、邁斯納效應(yīng)1933年，邁斯納等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，磁通量完全被排斥在超導(dǎo)體以外。這個現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，或完全抗磁性，或理想抗磁性。（見課本第193面的圖）16-3超導(dǎo)電性臨界電流密度：超導(dǎo)體中破壞超導(dǎo)電性的最小4716-3超導(dǎo)電性4、超導(dǎo)能隙超導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間存在一個能量差，稱為超導(dǎo)能隙。二、超導(dǎo)體的BSC理論簡述（課本400頁）超導(dǎo)電性是一種量子效應(yīng)，只有根據(jù)量子力學(xué)才能給予正確的微觀解釋。16-3超導(dǎo)電性4、超導(dǎo)能隙超導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間存在一個4816-3超導(dǎo)電性J.巴丁提出BCS理論的超導(dǎo)性理論1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性J.巴丁1972諾貝爾物理學(xué)獎4916-3超導(dǎo)電性L.N.庫珀提出BCS理論的超導(dǎo)性理論1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性L.N.庫珀1972諾貝爾物理學(xué)獎5016-3超導(dǎo)電性J.R.斯萊弗提出BCS理論的超導(dǎo)性理論

1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性J.R.斯萊弗1972諾貝爾物理學(xué)獎5116-3超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)體的應(yīng)用前景1、直流傳輸，低耗電能。2、超導(dǎo)強(qiáng)磁體。3、磁懸浮列車。4、超導(dǎo)電子應(yīng)用。約瑟夫森效應(yīng)16-3超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)體的應(yīng)用前景1、直流傳輸，低耗電5216-4激光基礎(chǔ)全息光學(xué)傅立葉光學(xué)非線性光學(xué)激光光譜學(xué)LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser——輻射的受激發(fā)射的光放大16-4激光基礎(chǔ)全息光學(xué)傅立葉光學(xué)Light5316-4激光基礎(chǔ)一、原子的激發(fā)、輻射與吸收1、原子的激發(fā)將原子從低能態(tài)E1激發(fā)到高能態(tài)E2的過程。熱激發(fā)、電激發(fā)、光激發(fā)2、原子的輻射處在高能級的原子是不穩(wěn)定的，它會從高能級向低能級躍遷，并伴隨著發(fā)射光子。自發(fā)輻射受激輻射16-4激光基礎(chǔ)一、原子的激發(fā)、輻射與吸收1、原子的激發(fā)5416-4激光基礎(chǔ)自發(fā)輻射在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。滿足條件：h=E2-E1隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)從高能級自發(fā)躍遷到低能級的原子數(shù)密度16-4激光基礎(chǔ)自發(fā)輻射在沒有任何外界作5516-4激光基礎(chǔ)A21——自發(fā)輻射系數(shù)（自發(fā)躍遷率）：表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1的概率自發(fā)輻射過程中各個原子輻射出的光子的相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等彼此獨立，因而自發(fā)輻射的光是非相干光。16-4激光基礎(chǔ)A21——自發(fā)輻射系數(shù)（自發(fā)躍遷率）：表5616-4激光基礎(chǔ)受激輻射處于高能級E2上的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同16-4激光基礎(chǔ)受激輻射處于高能級E2上的原子，5716-4激光基礎(chǔ)隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)從高能級E2受激躍遷到低能級E1的原子數(shù)密度I——激勵光強(qiáng)B21——受激輻射系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）=W21(受激輻射躍遷概率)W21——表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2受激輻射躍遷到E1的概率16-4激光基礎(chǔ)隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能5816-4激光基礎(chǔ)3、受激吸收(共振吸收或光的吸收)能量為h=E2-E1的光子入射原子系統(tǒng)時，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。n1——t時刻處于能級E1上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)由于吸收光子從E1躍遷到E2的原子數(shù)密度I——入射光強(qiáng)16-4激光基礎(chǔ)3、受激吸收(共振吸收或光的吸收)5916-4激光基礎(chǔ)=W12(受激吸收躍遷概率)一個原子在單位時間內(nèi)從能級E1發(fā)生受激吸收躍遷到E2的概率B12——受激吸收系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）三種過程之間存在內(nèi)在聯(lián)系A(chǔ)21、B21、B12以熱平衡狀態(tài)下的輻射過程導(dǎo)出三者的關(guān)系有一處于熱平衡態(tài)的E1、E2二能級原子系統(tǒng)16-4激光基礎(chǔ)=W12B12——受激吸收系數(shù)三種過程之6016-4激光基礎(chǔ)能量守恒單位體積單位時間內(nèi)原子系統(tǒng)的輻射能量應(yīng)等于吸收能量，有原子的受激輻射躍遷幾率等于受激吸收躍遷概率16-4激光基礎(chǔ)能量守恒單位體積單位時間內(nèi)原子系統(tǒng)的輻6116-4激光基礎(chǔ)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光是通過受激輻射實現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收的關(guān)系單位時間單位體積內(nèi)受激輻射和受激吸收的光子數(shù)之差為凈增輻射光子數(shù)16-4激光基礎(chǔ)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光是通過受激6216-4激光基礎(chǔ)當(dāng)n2>n1(N2>N1)，受激輻射光子數(shù)>被吸收的光子數(shù)根據(jù)玻爾茲曼能量分布律N1n1——E1能級上的總粒子數(shù)、粒子數(shù)密度N2n2——E2能級上的總粒子數(shù)、粒子數(shù)密度T=300K,kT0.025eV,E2-E1

1eVN2/N1

16-4激光基礎(chǔ)當(dāng)n2>n1(N2>N1)，受激輻射光子6316-4激光基礎(chǔ)熱動平衡下，N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：要有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)；必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）16-4激光基礎(chǔ)熱動平衡下，N2N1，即處6416-4激光基礎(chǔ)激勵方法：光激勵、電激勵、化學(xué)激勵工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)16-4激光基礎(chǔ)激勵方法：光激勵、電激勵、化學(xué)激勵工作物6516-4激光基礎(chǔ)?電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移He、Ne原子部分能級圖16-4激光基礎(chǔ)?電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移He、Ne原子部分能級6616-4激光基礎(chǔ)三、光學(xué)諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)受激輻射自發(fā)輻射實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機(jī)的。16-4激光基礎(chǔ)三、光學(xué)諧振腔輸出全反射鏡部分透光反射鏡6716-4激光基礎(chǔ)光學(xué)諧振腔的作用：

1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；

2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；

3.使激光具有極好的單色性（選頻）。輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔16-4激光基礎(chǔ)光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的6816-4激光基礎(chǔ)激光器激活介質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔：維持光振蕩激勵能源：供給能量，輸出激光16-4激光基礎(chǔ)激光器激活介質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)光學(xué)諧6916-4激光基礎(chǔ)例.He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。四、激光器16-4激光基礎(chǔ)例.He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)7016-4激光基礎(chǔ)五、激光的縱模與橫模諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波或腔長諧振頻率頻譜中每個諧振頻率成為一個振蕩縱模。1、激光的縱模16-4激光基礎(chǔ)五、激光的縱模與橫模諧振條件：光波在諧振7116-4激光基礎(chǔ)相鄰兩縱模間隔N個縱模諧振腔選頻作用：工作物質(zhì)輻射的譜線有一定寬度，只有滿足閾值條件，并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。輸出縱模個數(shù)：16-4激光基礎(chǔ)相鄰兩縱模間隔N個縱模諧振腔選頻作用：輸7216-4激光基礎(chǔ)2、激光的橫模激光斑中的光的強(qiáng)度有不同形式的穩(wěn)定分布花樣，在光束橫截面上的穩(wěn)定分布稱為激光橫模?；鶛M模在激光光束的橫截面上各點的位相相同，空間相干性最好。16-4激光基礎(chǔ)2、激光的橫模激光斑中的光的強(qiáng)度有不同形7316-4激光基礎(chǔ)六、激光的特性和應(yīng)用

特性應(yīng)用單色性好精密測量、光纖維激光通訊、等離子體測試方向性好定位、導(dǎo)向和測距高亮度，能量集中打孔、切割、焊接外科手術(shù)刀武器相干性好紅外激光通訊全息技術(shù)16-4激光基礎(chǔ)六、激光的特性和應(yīng)用特7416-4激光基礎(chǔ)例１．激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。16-4激光基礎(chǔ)例１．激光光纖通訊由于光波的頻率一根極細(xì)7516-4激光基礎(chǔ)例2.激光手術(shù)刀（不需開胸，不住院）

照明束：照亮視場

纖維鏡激光光纖：成象

有源纖維強(qiáng)激光：使堵塞物熔化臂動脈主動脈冠狀動脈內(nèi)窺鏡附屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束附屬通道：（可注入氣或液）排除殘物以明視線套環(huán)：（可充、放氣）阻止血流或使血流流通16-4激光基礎(chǔ)例2.激光手術(shù)刀（不需開胸，不住院7616-4激光基礎(chǔ)例3．激光——原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動,來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置16-4激光基礎(chǔ)例3．激光——用一根鎢探針或硅試樣通常是77第16章固體導(dǎo)電理論16-1固體中的電子16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)16-3超導(dǎo)電性16-4激光基礎(chǔ)第16章固體導(dǎo)電理論16-1固體中的電子16-2781、在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，晶體具有規(guī)則排列的對稱性，而非晶體則沒有。2、晶體的宏觀性質(zhì)多表現(xiàn)為各向異性，而非晶體則具有各向同性的性質(zhì)。3、晶體具有確定的熔點，而非晶體卻沒有，隨著溫度的升高而逐漸軟化，逐漸增加其流動性。第16章固體導(dǎo)電理論固體：通常是指在承受切應(yīng)力時具有一定程度剛性的物質(zhì)，它具有一定的體積和形狀。固體分類（按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分）非晶態(tài)固體（非晶體）晶態(tài)固體（晶體）晶體和非晶體的主要區(qū)別：1、在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，晶體具有規(guī)則排列的對稱性，而第16章7916-1固體中的電子電子的共有化：晶體中電子運動的研究方法：只能采用一些近似方法晶格：晶體中原子的規(guī)則排列組成晶格，所有的晶格都具有周期性。一個晶格最小的周期性單元稱為晶格的原胞，許多晶體中每一個原胞只有一個原子，但金剛石、食鹽等晶體的一個原胞包含著兩個或更多的原子。最常見的是單電子近似法第一步是絕熱近似第二步是自洽場方法16-1固體中的電子電子的共有化：晶體中電子運動的研究方法8016-1固體中的電子一、固體中的自由電子的能級和態(tài)密度長為L的金屬鏈，其內(nèi)的共有化電子看作自由電子氣，不受外力作用，彼此間也無相互作用。勢能取為零。則電子的薛定諤方程：解此方程并取邊界條件再由歸一化條件可得波函數(shù)和能級：16-1固體中的電子一、固體中的自由電子的能級和態(tài)密度8116-1固體中的電子把此結(jié)果推廣到三維情況。金屬樣品為一邊長為L的立方體，有三維薛定諤方程：對應(yīng)的波函數(shù)和能級為：16-1固體中的電子把此結(jié)果推廣到三維情況。金屬樣品為一邊8216-1固體中的電子的例16--1狀態(tài)函數(shù)（態(tài)函數(shù)，能級密度函數(shù)）：

為粒子在能量間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)與能量間隔之比，即由知：對于給定的E，必然對應(yīng)若干組量子數(shù)，若為坐標(biāo)軸，做一量子數(shù)空間，則上式表示一個半徑為的球面。滿足上式的任意一組正整數(shù)相當(dāng)于球面上的一個點。16-1固體中的電子的例16--1狀態(tài)函數(shù)（態(tài)函數(shù)，能8316-1固體中的電子能量小于E的電子狀態(tài)數(shù)Z等于該的球體體積，即上式對能量求導(dǎo)數(shù)就得到能量在E--dE范圍內(nèi)的電子狀態(tài)數(shù)因此態(tài)密度為其中16-1固體中的電子能量小于E的電子狀態(tài)數(shù)Z等于該的8416-1固體中的電子二、自由電子的導(dǎo)電理論玻色子：自旋為整數(shù)的微觀粒子。如光子。費米子：自旋為半整數(shù)的微觀粒子。電子、質(zhì)子等。費米子按能量分布服從費米——狄拉克統(tǒng)計規(guī)律：費米能：在能級E上每個量子態(tài)平均分配的粒子數(shù)。16-1固體中的電子二、自由電子的導(dǎo)電理論玻色子：自旋8516-1固體中的電子01.E01.E是絕對零度時電子所占據(jù)的最高能級。16-1固體中的電子01.E01.E是絕對零度時電子所占據(jù)8616-1固體中的電子16-1固體中的電子8716-1固體中的電子三、電子能帶(energyband)

圖14-4晶體中的庫侖周期場１.電子的能量是量子化的;２.電子的運動有隧道效應(yīng)。原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個固體中運動,稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。16-1固體中的電子三、電子能帶(energyband)8816-1固體中的電子V圖14：一維晶體中共有化電子的周期勢場考慮一維分布的晶格，由于晶格的周期性，使電子的勢能函數(shù)也具有周期性，所以：其中a是晶格常數(shù)，n是任意整數(shù)。16-1固體中的電子V圖14：一維晶體中共有化電子的周期勢89其中為一維波矢量，u(x)也是x的周期函數(shù)，即根據(jù)布洛赫定理，當(dāng)勢能函數(shù)是坐標(biāo)x的周期函數(shù)式時，一維定態(tài)薛定諤方程的解必然具有下列形式：16-1固體中的電子設(shè)晶體共有N個原胞，則晶體長度L=Na應(yīng)用波函數(shù)應(yīng)滿足的周期條件：即得其中為一維波矢量，u(x)也是x9016-1固體中的電子克龍尼克－潘納模型：把圖14所示的一維無限長周期勢場簡化為無限長周期方勢壘。0baxV(x)圖14-5克龍尼克－潘納模型勢阱其勢能函數(shù)代入薛定諤方程中求解知，共有化電子能量同波矢k有關(guān)，圖14-7畫出了E-k關(guān)系的一條曲線。16-1固體中的電子克龍尼克－潘納模型：把圖14所示的一維9116-1固體中的電子k滿足周期條件：又因為量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。能帶的寬度記作E，數(shù)量級為E～eV。若N~1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。16-1固體中的電子k滿足周期條件：又因為9216-1固體中的電子一般規(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。16-1固體中的電子一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶9316-1固體中的電子離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖16-1固體中的電子離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意9416-1固體中的電子1．滿帶（排滿電子）2．價帶（能帶中一部分能級排滿電子）

亦稱導(dǎo)帶3．空帶（未排電子）亦稱導(dǎo)帶4．禁帶（不能排電子）三.能帶中電子的排布固體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。排布原則：１.服從泡里不相容原理（費米子）２.服從能量最小原理概念16-1固體中的電子1．滿帶（排滿電子）2．價帶（能帶9516-1固體中的電子導(dǎo)體和絕緣體（conductor．insulator）它們的導(dǎo)電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體16-1固體中的電子導(dǎo)體和絕緣體（conductor．i9616-1固體中的電子導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體EgEgEg16-1固體中的電子導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體EgEg9716-1固體中的電子在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。從能級圖上來看，是因為其共有化電子很易從低能級躍遷到高能級上去。E導(dǎo)體16-1固體中的電子在外電場的98的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV)。在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。16-1固體中的電子從能級圖上來看，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(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁9916-1固體中的電子絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體16-1固體中的電子絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時，10016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個概念：1.電子導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是電子2.空穴導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個空位。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semicond10116-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)例.半導(dǎo)體CdS滿帶空帶hEg=2.42eV這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為“空穴”),把電子抵消了。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)例.半導(dǎo)體CdS滿帶空帶10216-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶滿帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來,這相當(dāng)于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導(dǎo)電。Eg在外電場作用下,16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶滿帶空穴下面能級上滿帶上帶正電10316-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)解上例中,半導(dǎo)體CdS激發(fā)電子,光波的波長最大多長？16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)解上例中,半導(dǎo)體CdS激發(fā)10416-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)為什么半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而降低？16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)為什么半導(dǎo)體的電阻10516-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體１.n型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇｅ等，摻入少量五價的雜質(zhì)（impurity）元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處,Ea～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體１.n型半導(dǎo)體四106SiSiSiSiSiSiSi16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中電子……多數(shù)載流子空帶滿帶施主能級EaEg空穴……少數(shù)載流子PSiSiSiSiSiSiSi16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)n10716-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)２.ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處，Ea～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級稱受主（acceptor）能級。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)２.ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si10816-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶Ea滿帶受主能級P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空帶Ea滿帶受主能級P型10916-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三、Ｐ-Ｎ結(jié)1.Ｐ-Ｎ結(jié)的形成由于Ｎ區(qū)的電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，Ｐ區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，在ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場,稱為內(nèi)建場。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三、Ｐ-Ｎ結(jié)1.Ｐ-Ｎ結(jié)的形成11016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達(dá)到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約0.1m厚。P-N結(jié)n型p型內(nèi)建場阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)內(nèi)建場大到一定在ｐ型n型交界面P11116-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)2.Ｐ-Ｎ結(jié)的單向?qū)щ娦裕ǎ保┱蚱珘涸冢?Ｎ結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向N區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，形成正向電流（mＡ級）。p型n型I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)2.Ｐ-Ｎ結(jié)的單向?qū)щ娦裕ǎ保?1216-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)外加正向電壓越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的伏安特性(圖為鍺管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)外加正向電壓越大，V（伏）３０２０11316-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（２）反向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的ｐ型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向Ｎ區(qū)運動，也不利于電子向P區(qū)運動,沒有正向電流。p型n型I16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（２）反向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的ｐ型區(qū)11416-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)但是，由于少數(shù)載流子的存在，會形成很弱的反向電流，當(dāng)外電場很強(qiáng),反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大----反向擊穿。稱為漏電流（Ａ級）。擊穿電壓V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-3016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)但是，由于少數(shù)當(dāng)外電場很強(qiáng),反11516-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)利用P-N結(jié)可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管（diode）。3.半導(dǎo)體的其他特性和應(yīng)用

熱敏電阻（自學(xué)）

光敏電阻（自學(xué)）

溫差電偶（自學(xué)）P-N結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor），以及其他一些晶體管。

集成電路：16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)利用P-N結(jié)可以作11616-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1947年12月23日，美國貝爾實驗室的半導(dǎo)體小組做出了世界上第一只具有放大作用的點接觸型晶體三極管。固定針B探針固定針AGe晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1947年12月23日，美國貝爾實11716-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)pnp電信號cbVebVcbRe~后來，晶體管又從點接觸型發(fā)展到面接觸型。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長，很快成為第二代電子器件。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)pnp電信號cbVebVcbRe~11816-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路下圖為INMOST900微處理器:每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬個三極管。16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)11916-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)12016-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的用。半導(dǎo)體激光器的特點：功率可達(dá)102mW效率高制造方便成本低所需電壓低(只需1.5V)體積小極易與光纖接合16-2半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖12116-3超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性：某些物質(zhì)在低溫下出現(xiàn)電阻為零和排斥磁力線的現(xiàn)象。這些物質(zhì)被稱為超導(dǎo)體。轉(zhuǎn)變溫度：物體從正常態(tài)（具有電阻）轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（零電阻）的臨界溫度。123456R1911年，荷蘭物理學(xué)家昂里斯第一次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。1987年被稱為超導(dǎo)年。16-3超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性：某些物質(zhì)在低溫下出現(xiàn)電阻為零和12216-3超導(dǎo)電性1、零電阻（理想導(dǎo)電性）2、臨界磁場實驗表明，當(dāng)物體處于超導(dǎo)態(tài)時，若其周圍環(huán)境的磁場足夠強(qiáng)，則可破壞其超導(dǎo)性，重新出現(xiàn)電阻，由超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)。這種破壞超導(dǎo)體所需的最小磁場強(qiáng)度稱為臨界磁場。H超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)0圖14-15臨界磁場與溫度關(guān)系臨界磁場強(qiáng)度為時的一、超導(dǎo)體的基本性質(zhì)16-3超導(dǎo)電性1、零電阻（理想導(dǎo)電性）2、臨界磁場12316-3超導(dǎo)電性臨界電流密度：超導(dǎo)體中破壞超導(dǎo)電性的最小電流密度。由于超導(dǎo)體中的持久電流也產(chǎn)生磁場，所以臨界磁場的存在限制了超導(dǎo)體中能夠通過的電流。3、邁斯納效應(yīng)1933年，邁斯納等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，磁通量完全被排斥在超導(dǎo)體以外。這個現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，或完全抗磁性，或理想抗磁性。（見課本第193面的圖）16-3超導(dǎo)電性臨界電流密度：超導(dǎo)體中破壞超導(dǎo)電性的最小12416-3超導(dǎo)電性4、超導(dǎo)能隙超導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間存在一個能量差，稱為超導(dǎo)能隙。二、超導(dǎo)體的BSC理論簡述（課本400頁）超導(dǎo)電性是一種量子效應(yīng)，只有根據(jù)量子力學(xué)才能給予正確的微觀解釋。16-3超導(dǎo)電性4、超導(dǎo)能隙超導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間存在一個12516-3超導(dǎo)電性J.巴丁提出BCS理論的超導(dǎo)性理論1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性J.巴丁1972諾貝爾物理學(xué)獎12616-3超導(dǎo)電性L.N.庫珀提出BCS理論的超導(dǎo)性理論1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性L.N.庫珀1972諾貝爾物理學(xué)獎12716-3超導(dǎo)電性J.R.斯萊弗提出BCS理論的超導(dǎo)性理論

1972諾貝爾物理學(xué)獎16-3超導(dǎo)電性J.R.斯萊弗1972諾貝爾物理學(xué)獎12816-3超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)體的應(yīng)用前景1、直流傳輸，低耗電能。2、超導(dǎo)強(qiáng)磁體。3、磁懸浮列車。4、超導(dǎo)電子應(yīng)用。約瑟夫森效應(yīng)16-3超導(dǎo)電性三、超導(dǎo)體的應(yīng)用前景1、直流傳輸，低耗電12916-4激光基礎(chǔ)全息光學(xué)傅立葉光學(xué)非線性光學(xué)激光光譜學(xué)LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser——輻射的受激發(fā)射的光放大16-4激光基礎(chǔ)全息光學(xué)傅立葉光學(xué)Light13016-4激光基礎(chǔ)一、原子的激發(fā)、輻射與吸收1、原子的激發(fā)將原子從低能態(tài)E1激發(fā)到高能態(tài)E2的過程。熱激發(fā)、電激發(fā)、光激發(fā)2、原子的輻射處在高能級的原子是不穩(wěn)定的，它會從高能級向低能級躍遷，并伴隨著發(fā)射光子。自發(fā)輻射受激輻射16-4激光基礎(chǔ)一、原子的激發(fā)、輻射與吸收1、原子的激發(fā)13116-4激光基礎(chǔ)自發(fā)輻射在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。滿足條件：h=E2-E1隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)從高能級自發(fā)躍遷到低能級的原子數(shù)密度16-4激光基礎(chǔ)自發(fā)輻射在沒有任何外界作13216-4激光基礎(chǔ)A21——自發(fā)輻射系數(shù)（自發(fā)躍遷率）：表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1的概率自發(fā)輻射過程中各個原子輻射出的光子的相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等彼此獨立，因而自發(fā)輻射的光是非相干光。16-4激光基礎(chǔ)A21——自發(fā)輻射系數(shù)（自發(fā)躍遷率）：表13316-4激光基礎(chǔ)受激輻射處于高能級E2上的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同16-4激光基礎(chǔ)受激輻射處于高能級E2上的原子，13416-4激光基礎(chǔ)隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)從高能級E2受激躍遷到低能級E1的原子數(shù)密度I——激勵光強(qiáng)B21——受激輻射系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）=W21(受激輻射躍遷概率)W21——表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2受激輻射躍遷到E1的概率16-4激光基礎(chǔ)隨機(jī)過程，用概率描述n2——t時刻處于能13516-4激光基礎(chǔ)3、受激吸收(共振吸收或光的吸收)能量為h=E2-E1的光子入射原子系統(tǒng)時，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。n1——t時刻處于能級E1上的原子數(shù)密度——單位時間內(nèi)由于吸收光子從E1躍遷到E2的原子數(shù)密度I——入射光強(qiáng)16-4激光基礎(chǔ)3、受激吸收(共振吸收或光的吸收)13616-4激光基礎(chǔ)=W12(受激吸收躍遷概率)一個原子在單位時間內(nèi)從能級E1發(fā)生受激吸收躍遷到E2的概率B12——受激吸收系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）三種過程之間存在內(nèi)在聯(lián)系A(chǔ)21、B21、B12以熱平衡狀態(tài)下的輻射過程導(dǎo)出三者的關(guān)系有一處于熱平衡態(tài)的E1、E2二能級原子系統(tǒng)16-4激光基礎(chǔ)=W12B12——受激吸收系數(shù)三種過程之13716-4激光基礎(chǔ)能量守恒單位體積單位時間內(nèi)原子系統(tǒng)的輻射能量應(yīng)等于吸收能量，有原子的受激輻射躍遷幾率等于受激吸收躍遷概率16-4激光基礎(chǔ)能量守恒單位體積單位時間內(nèi)原子系統(tǒng)的輻13816-4激光基礎(chǔ)二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光是通過受激輻射實現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收的關(guān)系單位時間單位體積內(nèi)受激輻射和受激吸收的光子數(shù)之差為