大學(xué)物理：第16章 量子物理基礎(chǔ)3

1、16.10 固體能帶結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容：1. 固體的能帶 2. 絕緣體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 pn 結(jié)16.10.1 固體的能帶 1. 晶體結(jié)構(gòu)和類型晶體中原子或離子具有長程有序，而非晶體中僅具有短程有序.晶體中原子或離子的這種周期性重復(fù)排列，稱為晶格或空間點(diǎn)陣.立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)體心立方金剛石 類型結(jié)合力方向性飽和性性能導(dǎo)電性硬度 熔點(diǎn)離子晶體離子鍵無弱高共價(jià)晶體共價(jià)鍵有很低高分子晶體范德瓦耳斯鍵無低底金屬晶體金屬鍵無好晶體類型：一維晶體點(diǎn)陣形成的勢能函數(shù)曲線EPr+2. 周期性勢場和電子的共有化r以鈉為例，分析價(jià)電子在 Na+ 的電場中的勢能特點(diǎn). 量子:電子能量 E 低，穿過勢壘概

2、率小，共有化程度低； 電子能量 E 高，穿過勢壘概率大，共有化程度高.E+dE 經(jīng)典:電子被束縛在Na+周圍. 電子在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)，處在三維周期性勢場 中3. 能帶 結(jié)論 單個(gè)原子的每個(gè)能級(jí)都分裂成 N 個(gè)與原能級(jí)很接近的新能級(jí)（能帶）. 能帶的寬度與電子的共有運(yùn)動(dòng)程度有關(guān). 能帶之間有禁帶.不同能帶之間可能有重疊. 泡利不相容原理2N2N2N6N6N10N4. 能帶中電子的分布 滿帶、價(jià)帶、空帶 能量最小原理原子能級(jí)晶體能級(jí)（N個(gè)原子）最多容納電子數(shù)一般情況下，價(jià)帶是被電子所填充的能量最高的能帶.（未填滿） 滿帶、價(jià)帶、空帶及其導(dǎo)電特性滿帶:由內(nèi)層電子能級(jí)分裂形成;價(jià)帶:由價(jià)電子能級(jí)形

3、成;空帶:由激發(fā)態(tài)能級(jí)形成.滿帶不參與導(dǎo)電參與導(dǎo)電參與導(dǎo)電空帶（填滿）價(jià)帶導(dǎo)帶:未填滿的帶，空帶（與價(jià)帶相鄰）.16.10.2 絕緣體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體36eV1. 絕緣體價(jià)帶價(jià)帶0.11.5eV2.半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）（空穴）（電子）電子 空穴對(duì)導(dǎo)電特性： 溫度特性 擊穿特性鋰鎂銅 、鋁 銀3. 導(dǎo)體的能帶（三種情況）1. 本征半導(dǎo)體：16.10.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體 pn結(jié)2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）n 型半導(dǎo)體沒有參雜和缺陷的理想半導(dǎo)體.參與導(dǎo)電的載流子為電子 空穴對(duì).雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶10-2 eV施主能級(jí)P +1(2) p 型半導(dǎo)體空穴雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶受主能級(jí)10-2 eVB3. pn 結(jié) pn 結(jié)中的電場和

4、電勢差p區(qū)能帶升高，n區(qū)能帶降低，形成勢壘(1) pn 結(jié)中的電場和勢壘pn結(jié)中電場減弱，勢壘降低，電子、空穴擴(kuò)散容易，形成正向宏觀電流，并隨電壓變化.pn結(jié)中電場增強(qiáng)，勢壘增高，電子、空穴擴(kuò)散困難，形成很小的反向電流.(2) pn結(jié)中電流和外加電壓的關(guān)系正向電壓E反向電壓E10203010200. 40. 82030pn 結(jié)單向?qū)щ娦詐n 結(jié)伏安特性曲線U / VI / mA正向反向擊穿電壓16.11 激 光主要內(nèi)容：1. 自發(fā)輻射受、激輻射和受激吸收2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大 3. 激光器的基本構(gòu)成及激光的形成4. 激光的縱模和橫模5. 激光的特性及應(yīng)用 16.11.1 自發(fā)輻射受、激輻射和

5、受激吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射系數(shù)E2E1E2E1受激輻射受激輻射系數(shù)受激吸收受激吸收系數(shù)E2E1自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率 相位偏振態(tài)無關(guān)全同一般情況下16.11.2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大 受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強(qiáng) I- kN1 IB+ kN2 IB忽略光強(qiáng)變化（介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)，則光在其中傳播時(shí)得以放大）.在通常情況下，介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)在外界能源激勵(lì)下，打破熱平衡，使N2 N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)）.則粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 是產(chǎn)生光放大和激光的前提條件。如何使 ？1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2. 增益系數(shù)G增益介質(zhì)II+dIzdz經(jīng)過介質(zhì)薄層, 光強(qiáng)增量為I0I0zoI增益介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的介質(zhì).光傳

6、播時(shí)被放大.在增益介質(zhì)內(nèi)，光強(qiáng) I 隨傳播距離按指數(shù)增加. 結(jié)論：16.11.3 激光器的基本構(gòu)成及激光的形成 實(shí)例：氦氖激光器激勵(lì)能源諧振腔全反射鏡部分 反射鏡諧振腔1. 基本構(gòu)成部分工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)激勵(lì)能源高壓直流電源工作物質(zhì)：氖氣激勵(lì)方式：直流氣體放電2. 激光的形成(1) 亞穩(wěn)態(tài) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵(lì)激發(fā)態(tài)基態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）激勵(lì)激發(fā)態(tài)基態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）三能級(jí)結(jié)構(gòu)四能級(jí)結(jié)構(gòu)激發(fā)態(tài) 增益介質(zhì)（處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的介質(zhì)）. 激勵(lì)系統(tǒng)電子碰撞碰撞亞穩(wěn)態(tài)例 He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn) 增益介質(zhì)(Ne氣體) I0 eGLr1I0 eGLr1I0 e2GLr2r1I0增益介質(zhì)(2) 閾值條件r1

7、r2I0 e2GL要形成激光, 必須滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和閾值條件. I0(r1,r2反射率)(閾值條件) 16.11.4 激光的縱模和橫模諧振條件縱模頻率：縱模間隔：縱模個(gè)數(shù)：vkvk+1vkN 個(gè)縱模單模線寬輻射線寬vc1. 激光的縱模k = 1, 2, 3, （來回反射，相干疊加，形成駐波）2. 激光的橫模光束橫截面上光強(qiáng)的穩(wěn)定分布稱為激光的橫模.激光束橫截面上幾種光斑圖形16.11.4 激光的特性及應(yīng)用 (1) 高定向性(2) 高單色性氪(Kr86)燈(普通光源中單色性最好)： = 4.710 -13 m.氦氖激光器: 10 -17 m.激光發(fā)散角極小，可用于定位，準(zhǔn)直，導(dǎo)向，測距等.大功率

8、激光亮度 1010 1017 Wcm-2sr-1(3) 高亮度 太陽表面亮度約 103 Wcm-2sr-1 (4) 高相干性 用于測量長度、干涉以及全息術(shù) 6KW CO2 激光加工機(jī)在進(jìn)行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)高亮度 可用于精密加工，醫(yī)學(xué)，核聚變等.實(shí)驗(yàn)中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器核聚變實(shí)驗(yàn)的六路真空靶室本章小結(jié)斯特藩玻耳茲曼定律： 維恩位移定律： 1. 黑體輻射輻射公式： 光電效應(yīng)方程： 紅限頻率： 3. 光電效應(yīng)遏止電壓和光電子的最大初動(dòng)能關(guān)系：能量子：2. 普朗克量子假設(shè)和輻射公式4. 光的波粒二象性(愛因斯坦光子理論）光子的動(dòng)量： 光子的能量： 5. 康普頓效應(yīng)康普頓散

9、射公式： 電子的康普頓波長： 6. 氫原子光譜波數(shù)公式： 輻射公式： 角動(dòng)量量子化條件： 7. 微觀粒子的波粒二象性和不確定關(guān)系德布羅意波關(guān)系式： 不確定關(guān)系： 8. 薛定諤方程定態(tài)薛定諤方程： 波函數(shù) 應(yīng)滿足單值、有限、連續(xù)等條件，薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程. 一維無限深勢阱中的粒子：9. 四個(gè)量子數(shù)主量子數(shù)： n = 0,1,2,3, 副量子數(shù)(角量子數(shù))： 磁量子數(shù)： 自旋磁量子數(shù)： 10. 晶體結(jié)構(gòu)的最基本特征組成晶體的離子、原子或分子按照一定的方式不斷作周期性重復(fù)排列,構(gòu)成長程有序。 四個(gè)量子數(shù)是描述原子中核外電子狀態(tài)的參數(shù)。11. 固體能帶結(jié)構(gòu)N個(gè)相同原子組成晶體時(shí)，晶體中每個(gè)

10、原子原有的每一能級(jí)都分裂為N個(gè)密集能級(jí)，形成能帶.滿帶：填滿電子的能帶，滿帶電子不參與導(dǎo)電；12. 絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體絕緣體的價(jià)帶是滿帶，且價(jià)帶與空帶之間有較寬的禁帶.導(dǎo)體的價(jià)帶不滿或價(jià)帶和空帶重迭或相接.半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，但價(jià)帶與空帶之間的禁帶寬度較小 (約1eV或更小) .能帶與能帶之間既可能以禁帶相隔，也可能相接或重迭.導(dǎo)帶：部分填充電子的能帶，導(dǎo)帶中的電子參與導(dǎo)電；空帶：沒有電子的能帶；價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶，價(jià)帶可以是滿帶 或?qū)?13. 半導(dǎo)體n 型半導(dǎo)體：參與導(dǎo)電的載流子主要是從施主能級(jí)躍遷 到導(dǎo)帶中去的電子.p 型半導(dǎo)體：參與導(dǎo)電的載流子主要是滿帶中產(chǎn)生的空穴.14. 激光器的基