第一章 經(jīng)典物理的困難課件

微電子物理基礎(chǔ)1第一章_經(jīng)典物理的困難導論第7學期第6學期集成電路測試技術(shù)第5學期半導體集成電路專用集成電路設計第4學期電子器件半導體工藝原理與技術(shù)

半導體材料學第3學期半導體物理計算機數(shù)值分析微電子機械系統(tǒng)微電子專業(yè)技能實踐微電子物理基礎(chǔ)超大規(guī)模集成電路設計電子電路模擬仿真FundamentalPhysicsofMicroelectronics2第一章_經(jīng)典物理的困難主要內(nèi)容微電子物理基礎(chǔ)量子力學固體物理統(tǒng)計物理基礎(chǔ)基本概念波動方程力學量微擾理論晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)合晶格振動能帶理論微觀粒子運動的平均規(guī)律氫原子一維諧振子波粒二象性3第一章_經(jīng)典物理的困難主要參考書《電子工程物理基礎(chǔ)》，唐潔影

《固態(tài)電子學基礎(chǔ)》，薩支唐

《fundamentalsofsolid-stateelectronics》,Chin-TangSah其他量子力學、固體物理等相關(guān)書籍4第一章_經(jīng)典物理的困難量子力學QuantumMechanics。。。我想我可以相當有把握地說，沒有人理解量子力學。

——理查德·費曼5第一章_經(jīng)典物理的困難集成電路的組成結(jié)構(gòu)

-許多薄的導體、半導體和絕緣體層相互交疊形成的多層薄膜結(jié)構(gòu)(SandwichedLayers)

-每一個半導體層由幾個乃數(shù)幾百萬個基體原子層組成量子力學Whytostudyit?

量子概率和波動力學處理微小距離的不確定性

-固態(tài)物質(zhì)中包含著大量電子、離子和中性原子，每立方厘米中大約有1023個。

-粒子多，相距近，不能用經(jīng)典Newton力學來描述。

-觀測到的只是粒子的平均性質(zhì)，而不是每個粒子的運動。6第一章_經(jīng)典物理的困難課程主要內(nèi)容

(一)經(jīng)典物理學的困難波粒二象性

(二)波函數(shù)和薛定鄂方程勢壘貫穿

(三)力學量算符

(四)微擾理論氫原子

(五)前沿量子科技(補充)量子力學7第一章_經(jīng)典物理的困難導論

量子力學的發(fā)展及應用8第一章_經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理ClassicalPhysics

物理學中的四大力學牛頓力學(Newton’smechanics):描述宇宙中宏觀物體運動論熱力學與統(tǒng)計物理學(Thermodynamicsandstatisticalphysics)：關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀、微觀描述電動力學(Electrodynamics):電磁現(xiàn)象的理論(Maxwell的電磁場理論和關(guān)于電磁波的傳播媒質(zhì)-以太ether存在的假說)

經(jīng)典物理學遇到了困難9第一章_經(jīng)典物理的困難量子力學發(fā)展歷史1什么是量子力學，量子力學的研究對象？2量子力學的建立過程3量子力學的成功

4量子的應用5

經(jīng)典力學和量子力學的比較10第一章_經(jīng)典物理的困難1什么是量子力學，量子力學的研究對象？

量子物理學，是在原子層次研究物質(zhì)和輻射的一門學問。量子世界中的粒子具有波粒二象性，能量具有分立性和非連續(xù)性。量子力學是描述微觀世界的基本理論；反應的是微觀粒子運動規(guī)律的科學理論。

量子力學的主要特征是要用一個普適常數(shù)－普郎克常數(shù)h來表征.

測不準原理(微小距離的不確定性)

量子力學不但支配著整個微觀世界，也支配著整個宏觀世界，可以說整個物理學都是量子物理學，宏觀自然現(xiàn)象的經(jīng)典物理學不過是量子力學規(guī)律的近似.11第一章_經(jīng)典物理的困難2量子力學的建立過程十九世紀末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當完善，那時，人們認為經(jīng)典物理似乎已經(jīng)是無所不能：力學、熱學、電磁學、波動光學等問題大都已經(jīng)解決，甚至遠及太陽系中的問題也能用經(jīng)典物理處理。兩朵烏云

(1)黑體輻射-紫外災難

(2)以太漂移三大發(fā)現(xiàn)

(1)1895年，倫琴射線—X射線，第一枚諾貝爾物理學獎

(2)1896年，放射性元素的鈾和鐳

(3)1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子12第一章_經(jīng)典物理的困難A早期的量子力學-1900年普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難引入能量子（energyquanta），為量子理論奠定基礎(chǔ)，他本人也被譽為量子理論之父。-1905年愛因斯坦為了解釋光電效應與經(jīng)典理論的矛盾，提出了光量子（lightquantum）后人稱之為光子(Photon)，為量子理論的發(fā)展打開了局面。實質(zhì)：光的波粒二象性-1913年玻爾在盧瑟夫原子有核模型基礎(chǔ)上運用量子化概念對氫原子光譜作出了圓滿解釋，量子力學取得初步勝利13第一章_經(jīng)典物理的困難B量子力學的建立1923年德布羅意提出物質(zhì)波的思想1925年玻恩－海森堡創(chuàng)立矩陣量子力學，1926年薛定諤建立波動力學量子探險的兩條道路：1900年P(guān)lanck1905年Einstein1923年deBroglie1913年Bohr1923年Bohr1925年Heisenberg1926年Schr?dinger14第一章_經(jīng)典物理的困難C量子力學的誕生矩陣力學和波動力學的殊途同歸＿＿1928年的狄拉克提出電子的相對論性方程－狄拉克方程，標志著量子力學的誕生D量子力學建立發(fā)展過程中的重要人物（諾貝爾獎獲得者）普朗克1918能量子愛因斯坦1921光電效應的解釋玻爾1922氫原子軌道密立根1923光電效應的證實康普頓1927光子動量德布羅意1929粒子的波粒二象性海森堡1932量子力學的建立薛定諤1933薛定諤方程泡利1945不相容原理玻恩1954波函數(shù)的統(tǒng)計解釋狄拉克1933狄拉克方程15第一章_經(jīng)典物理的困難3量子力學的成功

成功解釋：原子、原子核的結(jié)構(gòu)固體結(jié)構(gòu)元素周期表和化學鍵超導電性、半導體性質(zhì)促成：現(xiàn)代微電子技術(shù)—信息化時代激光技術(shù)新能源、新材料出現(xiàn)使人類進入信息化時代沒有量子力學

就沒有人類20世紀的文明

李政道16第一章_經(jīng)典物理的困難4量子的應用

檢測炸彈并行計算(量子糾纏態(tài))

搜索數(shù)據(jù)庫量子超光速通信（遠距離傳物）電子隧道顯微鏡量子器件17第一章_經(jīng)典物理的困難量子信息學quantuminformationtheory

產(chǎn)生存儲編碼傳輸譯碼信道傳輸:可靠性有效性核心芯片的集成度量子力學的新進展使新的交叉學科

——量子信息學應運而生18第一章_經(jīng)典物理的困難量子比特qubit

特征：量子疊加態(tài)量子系統(tǒng)可能同時處于“1”或“0”態(tài)這樣的量子疊加態(tài)

集成：量子密碼學19第一章_經(jīng)典物理的困難量子計算機是其主要研究內(nèi)容之一建立在量子理論基礎(chǔ)上的最有發(fā)展前景！突破經(jīng)典信息系統(tǒng)極限的途徑－量子計算機20第一章_經(jīng)典物理的困難QuantumtheoryThetheorydevisedbyMaxPlanckin1900toaccountfortheemissionoftheblack-bodyradiationfromhotbodies.Thistheoryledtothemoderntheoryofinteractionbetweenmatterandradiationknownasquantummechanics,whichgeneralizesandreplacesclassicalmechanicsandMaxwell’selectromagnetictheory.21第一章_經(jīng)典物理的困難Asystemofmechanicsthatwasdevelopedfromquantumtheoryandisusedtoexplainthepropertiesofatomsandmolecules.UsingtheenergyquantumasastartingpointitincorporatesHeisenberg’suncertaintyprincipleanddeBrogliewavelengthtoestablishthewave-particledualityonwhichSchr?dinger’sequationisbased.Thisformofquantummechanicsiscalledwavemechanics.Analternativebutequivalentformalism,matrixmechanics,isbasedonmathematicaloperators.Quantummechanics22第一章_經(jīng)典物理的困難5經(jīng)典力學和量子力學的比較量子力學與經(jīng)典力學并不矛盾。當微觀粒子質(zhì)量較大時（如質(zhì)子或整個原子）或能量較大時，量子力學給出的運動規(guī)律與經(jīng)典力學（即牛頓定律）給出的規(guī)律是一致的。經(jīng)典力學是量子力學的一種極限。一般可以拿氫原子中的電子作標準。如質(zhì)子的質(zhì)量比電子大1836倍，所以質(zhì)子質(zhì)量一般的運動用經(jīng)典力學計算即足夠準確。電視機顯像管中的電子，其能量比氫原子中的電子大數(shù)千倍，所以設計顯像管時用經(jīng)典力學計算即可。23第一章_經(jīng)典物理的困難經(jīng)典力學和量子力學的比較經(jīng)典力學量子力學研究對象宏觀微觀運動方程Newton、MaxwellSchr?dinger運動過程連續(xù)運動非連續(xù)力學量x/p確定，其它確定確定值多個力學量（算符）以概率形式取分立值勢壘勢壘貫穿（半導體器件）完全反射軌道確定的運動軌道不具有確定的軌道動量、位置確定性不確定性態(tài)疊加兩列波的疊加可能狀態(tài)的相干疊加粒子不體現(xiàn)波粒二象性24第一章_經(jīng)典物理的困難第一章經(jīng)典物理學的困難1黑體輻射和普朗克的能量子假說2光電效應和愛因斯坦的光量子論3原子結(jié)構(gòu)的玻爾量子論4康普頓散射5波粒二象性25第一章_經(jīng)典物理的困難光是一種波wave干涉條紋一條狹縫200年前，托馬斯揚(ThomasYoung)利用雙縫實驗證實了光是一種波，得到明暗相間的干涉條紋26第一章_經(jīng)典物理的困難似水波干涉所產(chǎn)生的波峰和波谷

光是由在空間傳播有電磁波所組成的

用麥克斯維方程組得出所有的電磁波都以光速進行傳播

光似波的形式傳播就象水波27第一章_經(jīng)典物理的困難1黑體輻射和普朗克的能量子假說（1）基本概念A熱輻射（Heatradiation）物體受熱就會發(fā)光,溫度不同時,輻射的波長不同。

例如：加熱鐵塊，溫度

看不出發(fā)光

暗紅

橙色

黃白色這種與溫度有關(guān)的輻射，稱為熱輻射?；咎攸c:1熱輻射波譜是連續(xù)譜，但是強度不同2溫度

短波長的電磁波的比例

28第一章_經(jīng)典物理的困難實際上,任何物體即使不被人為加熱，也會有熱輻射紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖，熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色高溫物體發(fā)出的是紫外光UV熾熱物體發(fā)出的是可見光VL3低溫物體發(fā)出的是紅外光29第一章_經(jīng)典物理的困難B平衡熱輻射

加熱一物體,物體的溫度恒定不變時,物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量，這時得到的輻射稱為平衡熱輻射。C輻射的能量密度

單位時間內(nèi)從輻射體表面的單位面積上發(fā)射出的輻射能量的頻率分布E(,T),稱為輻射的能量密度，用它來描述物體的輻射本領(lǐng)，單位是焦耳/米230第一章_經(jīng)典物理的困難(2)黑體和黑體輻射A黑體（Blackbody)

能完全吸收各種波長電磁波而無反射的物體。利用黑體可撇開材料的具體性質(zhì)來普遍地研究熱輻射本身的規(guī)律B黑體輻射(Blackbodyradiation)

如果將黑體加熱到某一溫度T，則必定輻射與它吸收的頻譜完全相同的電磁波，稱為黑體輻射31第一章_經(jīng)典物理的困難C怎樣實現(xiàn)黑體和黑體輻射？

完全被不透過輻射的壁(可以為鐵、銅、瓷器等材料）包住，且維持在一定溫度T的空腔，其孔的大小遠比內(nèi)壁總面積小。可高度近似為黑體。

將該空腔浸在溫度T的恒溫槽中，使空腔壁產(chǎn)生輻射，腔內(nèi)充滿輻射能量，達到平衡熱輻射時便從孔輻射出電磁波，這就實現(xiàn)了黑體輻射。32第一章_經(jīng)典物理的困難(3)黑體輻射的規(guī)律A.溫度升高時，頻率峰值(能量)向高頻方向移動B.輻射出度與溫度成正比維恩位移定律：熱力學理論找到T與λ之間的關(guān)系：解釋：當黑體的熱力學溫度升高時，與單色輻射出度對應的波長向短波方向移動斯特藩-玻耳茲曼定律：33第一章_經(jīng)典物理的困難(3)黑體輻射的規(guī)律C.瑞利－金斯線，高頻處輻射能量越高紫外災難在經(jīng)典理論，能量均分定律基礎(chǔ)上建立在低頻部分，與實驗符合得很好高頻(短波)處，出現(xiàn)巨大的分歧34第一章_經(jīng)典物理的困難Black-bodyradiationistheelectromagneticradiationemittedbyablackbody.Itextendsoverthewholerangeofwavelengthsandthedistributionofenergyoverthisrangehasacharacteristicformwithamaximumatacertainwavelength.Thepositionofthemaximumdependsontemperature,movingtoshorterwavelengthswithincreasingtemperature.Black-bodyradiation35第一章_經(jīng)典物理的困難

普朗克假設：

光并不是總是一種平滑、連續(xù)的波動，而是可以分割成“量子”的許多小塊。吸收或發(fā)射電磁輻射只能以“量子”方式進行，每個“量子”的能量為(4)Planck假設M.Planck德國人

1858－194736第一章_經(jīng)典物理的困難1900.12.14.普朗克在德國物理學會上報告了與全波段實驗結(jié)果極為符合的普朗克黑體輻射公式：

普朗克理論開始突破了經(jīng)典物理學在微觀領(lǐng)域的束縛，打開了光的粒子性的大門。

普朗克本人也有很多的困惑和彷徨·

·

·

·其中h=6.626×10-34J·s稱為普朗克常數(shù)約化普朗克常數(shù)37第一章_經(jīng)典物理的困難普朗克對黑體輻射的解釋

在任何一個物體內(nèi)部，能量分布并不是均勻的。有少數(shù)原子會具有非常大的能量，也有少數(shù)原子會幾乎沒有能量，而大多數(shù)的原子具有中等大小的能量。每一個原子都能夠以量子的形式發(fā)射電磁輻射。對于較高f值，發(fā)射出相應量子所需的能量非常大，只有少數(shù)原子才具備。對于較低的頻率，所需的能量較少，即使所有這些低能量量子加在一起，對波型影響也小。38第一章_經(jīng)典物理的困難(5)量子假說的含義及其與宏觀現(xiàn)象的關(guān)系

=h

能量子經(jīng)典能量量子為什么在宏觀世界中,觀察不到能量分離的現(xiàn)象?例：設想一質(zhì)量為m=1g的小珠子懸掛在一個小輕彈簧下面作振幅A=1mm的諧振動。彈簧的勁度系數(shù)k=0.1N/m。按量子理論計算，此彈簧振子的能級間隔多大？減少一個能量子時,振動能量的相對變化是多少？能量n,量子數(shù)39第一章_經(jīng)典物理的困難解：彈簧振子的頻率能級間隔振子現(xiàn)有能量相對能量變化現(xiàn)在能達到的最高的能量分辨率為：原因:在宏觀世界中h太小了,以至于可以忽略它的作用。

040第一章_經(jīng)典物理的困難2光電效應

Photoelectriceffect

光電效應:光照射某些金屬時能從表面釋放出電子的效應。這時產(chǎn)生的電子稱為光電子(photoelectron)。

光電效應引起的現(xiàn)象是赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)的,后經(jīng)總結(jié)得出以下規(guī)律：A

對一定的金屬存在一個臨界頻率

0，當<0時不論多強的光也不會產(chǎn)生光電子B

每個光電子的能量只與照射光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)，光強只影響到光電流的強度，即光電子的數(shù)目C

不論光強多微弱只要

>0,立即觀測到光電子41第一章_經(jīng)典物理的困難

光束和物質(zhì)相互作用時，其能量并不象波動理論所想象的那樣連續(xù)分布，而是集中在一些叫光子（photon）的粒子上。這種粒子保持著頻率或波長的概念，光子的能量正比于其頻率，即

光量子具有“整體性”，光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的（1）愛因斯坦光量子假設(1905)lightquantumassumption

根據(jù)光的動量和能量關(guān)系：p=E/c，得到：p=h/λ42第一章_經(jīng)典物理的困難

當

＜A/h時，不發(fā)生光電效應，

I

光子數(shù)N

打出光電子多

im

光量子假設解釋了光電效應的全部實驗規(guī)律！(2)對光電效應的解釋:

一個光子將全部能量交給一個電子，電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出。能量為h

的光子被電子吸收，其中能量的一部分用來克服金屬表面的吸引力，另一部分就是電子逃逸后的動能A：逸出功43第一章_經(jīng)典物理的困難(3)光電效應解釋的實驗證實1915年，美國物理學家密立根在實驗上精確證實了愛因斯坦給出的光電效應定律

1922年，康普頓效應證實了光量子的存在

1926年，美國化學家劉易斯將光量子正式命名為光子(photon)

愛因斯坦晚年認為：光量子概念是他一生中所提出的最具革命的思想44第一章_經(jīng)典物理的困難3原子結(jié)構(gòu)的玻爾量子論Bohr1911年，E.Ruthford通過α粒子散射實驗建立了原子的有核模型，原子是由原子核(atomicnucleus)和核外電子(electron)組成。困難：是什么維持原子的穩(wěn)定性？原子線光譜(特征譜線)氫光譜鋰光譜鈉光譜45第一章_經(jīng)典物理的困難玻爾的原子模型原子只穩(wěn)定地存在于離散的能量E1,E2….能量的分立性(discrete)叫能量的量子化(energyquantization)原子只有在兩個定態(tài)間躍遷時才發(fā)射或吸收電磁波。

Em-En=hν

殼層間的能量差隨殼層靠近原子核而增加46第一章_經(jīng)典物理的困難玻爾的軌道角動量的量子化條件電子圓軌道運動提出了軌道角動量的量子化條件(quantizationcondition):Bohr計算出電子的圓軌道運動的半徑:以及各個能級的能量：

對氫原子Z=1

氫原子的基態(tài)軌道半徑：玻爾半徑47第一章_經(jīng)典物理的困難BohrtheoryThistheorypublishedin1913bytheDanishphysicistNielsBohr[1885-1962]toexplainthelinespectrumofhydrogen.Heproposedthatelectronscouldonlyoccupyorbitsinwhichthisangularmomentumhadcertainfixedvalues,h/2π，2h/2π,3h/2π,…nh/2π.48第一章_經(jīng)典物理的困難4康普頓散射ComptonScattering

康普頓散射：當用波長為

0的X射線照射原子中的電子時，發(fā)現(xiàn)散射波中出現(xiàn)

≠

0的波光子和電子的碰撞能量、動量守恒：

49第一章_經(jīng)典物理的困難Compton

ScatteringX射線光子與“靜止”的“自由電子”發(fā)生碰撞

X射線的光子與靜止的自由電子之間是彈性碰撞，并假設在碰撞過程中能量守恒,動量守恒。

光子把部分能量傳給了電子，光子能量減小,頻率變小,因而波長變長。討論：50第一章_經(jīng)典物理的困難康普頓散射實驗的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；證實了光的粒子性（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設；（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。51第一章_經(jīng)典物理的困難5波粒二象性wave-particleduality

經(jīng)典物理對粒子概念的理解

經(jīng)典粒子具有確定的大小、質(zhì)量和電荷，在空間占據(jù)一個確定的位置。它們在與其他物體發(fā)生作用時，是整體發(fā)生作用。經(jīng)典粒子運動時，服從牛頓力學定律，具有一確定的軌道經(jīng)典粒子的狀態(tài)用相應物理量(能量、動量等)的值來表征，而這物理量是可以取連續(xù)值的，且取值也是確定的。52第一章_經(jīng)典物理的困難5波粒二象性wave-particleduality

經(jīng)典物理學中波動的概念

經(jīng)典波動是可以在整個空間中傳播的周期性擾動。表征經(jīng)典波動的物理量是頻率和波矢，運動服從相應的波動方程。經(jīng)典粒子滿足疊加原理，可以得到干涉和衍射花樣。

光的波動性用波長和頻率來描述光的粒子性用質(zhì)量和動量來描述53第一章_經(jīng)典物理的困難A愛因斯坦的光1909年，愛因斯坦首次提出光的波粒二象性對于統(tǒng)計平均現(xiàn)象光表現(xiàn)為波動，而對于能量漲落現(xiàn)象光卻表現(xiàn)為粒子我也似粒子!我只可以到達屏幕上的一個位置我似波!我可以同時通過兩條縫雙縫屏p=h/λ54第一章_經(jīng)典物理的困難B電子的雙縫干涉圖樣雙縫的存在使得電子以某種未知的方式發(fā)生相互作用粒子性波動性概率波55第一章_經(jīng)典物理的困難C宏觀世界是否存在波粒二象性？h=o.oooooooooooooooooooooooooo66m=o.ooooooooooooooooooooooooooo9

如果h再大些，網(wǎng)球的行為也會和電子一樣。只有對于那些質(zhì)量非常小的物體，才能夠檢測到它們的波長。56第一章_經(jīng)典物理的困難D波粒二象性的實驗論據(jù)1927年，C.J.Davisson和L.A.Germer做了電子束在晶體表面的散射實驗，觀察到和X射線衍射類似的電子衍射現(xiàn)象，首先證實了電子的波動性。

1927年，Thomson做了電子束穿過多晶薄膜的衍射實驗，得到和X射線相似的衍射圖樣。

1961年，Jonsson做了電子的單縫、雙縫和三縫實驗，得到明暗條紋，更直接說明了電子具有波動性。除電子外，實驗陸續(xù)證明了中子、質(zhì)子及原子甚至分子都具有波動性。

一切粒子都具有