固体物理简介省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

固体物理介绍固体物理介绍1第1页17-1 激光特征介绍激光特征介绍激光激光（laser）（Light amplification by stimulated emission of radiation）“受激辐射光放大受激辐射光放大”2第2页普通光源一普通光源一自发自发辐射辐射激光光源一激光光源一受激受激辐射辐射 世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于19601960年年基本原理都是基于19爱因斯坦提出受激辐射理论一一.激光特征及分类激光特征及分类1 1.高高方向性方向性激光发散角极小激光发散角极小，可小到，可小到 10 10-4 弧度，弧度，可用于定位，准直，导向，测距可用于定位，准直，导向，测距等。等。比如：投射到月球（比如：投射到月球（3838万公里）后，光斑直径仅约万公里）后，光斑直径仅约2 2公里公里 测地球测地球月球距离精度达几厘米月球距离精度达几厘米3第3页2 2.高单色性高单色性普通光源中，氪普通光源中，氪(Kr)灯单色性最好灯单色性最好 =4.7 10-13 m比如：氦氖激光器单色性为比如：氦氖激光器单色性为 10-17 m 能量集中在很窄频率范围能量集中在很窄频率范围激光谱线分辨率高，可用于激光谱线分辨率高，可用于研究原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构，超精研究原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构，超精细结构等。细结构等。3 3.高相干性高相干性 用于测量长度、干涉以及全息术，用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分射线激光可作分子和生物高分子全息图。子和生物高分子全息图。激光波面上各个点能够做到都是相干激光波面上各个点能够做到都是相干 相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里4第4页4 4.高亮度高亮度 5.5.分类分类 按工作物质分类按工作物质分类 固体固体(如如 红宝石红宝石Al2O3)液体液体 (如如 一些染料一些染料)气体气体 (如如 He-Ne，CO2)半导体半导体(如如 砷化镓砷化镓 GaAs)GaAs)按工作方式分类按工作方式分类 连续式连续式(功率可达功率可达 10 104 W)W)脉冲式脉冲式(瞬时功率可达瞬时功率可达 10 1014 W)W)脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达 1014 W 可用于精密加工，医学可用于精密加工，医学可产生可产生108 K高温高温 引发核聚变引发核聚变5第5页 物理过程：物理过程：粒子数反转粒子数反转 光放大作用光放大作用 谐振腔作用谐振腔作用 波长范围：波长范围：极紫外极紫外 可见光可见光 亚毫米亚毫米 (100 n m)(1.222 m m)(100 n m)(1.222 m m)组成包含：组成包含：激励能源激励能源 工作物质工作物质(含有亚稳态能级含有亚稳态能级)光学谐振腔光学谐振腔6第6页二二.光吸收与辐射光吸收与辐射1.1.自发辐射自发辐射 原子处于激发态是不稳定，原子处于激发态是不稳定，会自发跃迁到低能级，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子，这个过程同时放出一个光子，这个过程 自发辐射自发辐射E2E1N2N1h 设设 N N1 1 、N N2 2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E E1 1 、E E2 2 能级原子数能级原子数 则在单位体积中单位时间内，则在单位体积中单位时间内，从从E E2 2 E E1 1自发辐射原子数为：自发辐射原子数为：21 自发辐射系数自发辐射系数21 单个原子在单位时间内发生自发辐射概率单个原子在单位时间内发生自发辐射概率 7第7页2.2.受激吸收受激吸收 若原子处于某个能量为若原子处于某个能量为E E1 1低能级，另有某个能量为低能级，另有某个能量为E2 2高能级，当入射光子能量高能级，当入射光子能量 h =E2 E1 时，原子就可时，原子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，这个过程这个过程 受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 设设 N N1 1 、N N2 2 分别为单位体积中处于分别为单位体积中处于 E E1 1 、E E2 2 能级原子数能级原子数 则单位体积中单位时间内，因吸则单位体积中单位时间内，因吸收光子而从收光子而从 E E1 1E E2 2 原子数为：原子数为：W12 单个原子在单位时间内发生受激吸收过程概率单个原子在单位时间内发生受激吸收过程概率 W12 受激吸收系数受激吸收系数8第8页3.3.受激辐射受激辐射 爱因斯坦在研究黑体辐射时，发觉辐射场和原子交换爱因斯坦在研究黑体辐射时，发觉辐射场和原子交换能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能到达热平衡还必须能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能到达热平衡还必须存在另一个辐射方式存在另一个辐射方式 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射 若入射光子能量若入射光子能量 h h 等于原子高、低能级间能量差等于原子高、低能级间能量差 E2 E1，且高能级上有原子存在时，入射光子电磁场就会诱且高能级上有原子存在时，入射光子电磁场就会诱发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与入射光发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与入射光子完全相同光子。子完全相同光子。9第9页 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E2 2 E E1 1受激辐受激辐射原子数为：射原子数为：B21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程概率单个原子在单位时间内发生受激辐射过程概率 B21 受激辐射系数受激辐射系数h E2E1N2N1设设 N N1 1 、N N2 2 分别为单位体积中处于分别为单位体积中处于 E E1 1 、E E2 2 能级原子数能级原子数21、W12、B21 爱因斯坦系数爱因斯坦系数10第10页自发辐射自发辐射：处于高能级原子在不受外界原因影响条件下，：处于高能级原子在不受外界原因影响条件下，自发自发地由高能级向低能级跃迁所产生辐射地由高能级向低能级跃迁所产生辐射特点特点 与外界条件无关，不可控制与外界条件无关，不可控制 各原子产生辐射互不相关，各个光子频率、各原子产生辐射互不相关，各个光子频率、位相、偏振态和传输方向各不相同，位相、偏振态和传输方向各不相同，光单色性和相干性差光单色性和相干性差自发辐射与受激辐射比较自发辐射与受激辐射比较受激辐射受激辐射：处于高能级原子在处于高能级原子在外来光子外来光子作用下由高能级作用下由高能级 向低能级跃迁所产生辐射向低能级跃迁所产生辐射特点特点 所产生两个光子运动状态完全相同，所产生两个光子运动状态完全相同，即两个光子频率、位相、偏振态和传输方向即两个光子频率、位相、偏振态和传输方向 完全相同，完全相同，单色性和相干性好单色性和相干性好11第11页自自发发辐辐射射受受激激吸吸收收自自发发辐辐射射系系数数受受激激吸吸收收系系数数E2E1自发自发辐射辐射受激受激辐射辐射光波频率 相位偏振态无关无关全同全同受受激激辐辐射射E2E1E2E1受受激激辐辐射射系系数数普通情况下普通情况下12第12页h E2E1N2N1全同光子全同光子:频率、相位、振动方向、传输方向频率、相位、振动方向、传输方向都相同都相同u 受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用13第13页三三.粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射介质中光强 I 改变-N1 B+N2 B忽略忽略粒子数粒子数反转态反转态 介质介质热平衡热平衡状态状态光强改变光强改变14第14页2.2.实现粒子数反转必备条件实现粒子数反转必备条件1)1)依靠泵浦源激发原子依靠泵浦源激发原子 激发方式能够有激发方式能够有光激发光激发和和原子碰撞激发原子碰撞激发等等1.1.当介质处于粒子数反转态，光在其中传输时得以放大。当介质处于粒子数反转态，光在其中传输时得以放大。说明说明 粒子数反转态是非热平衡态，为了促使粒子数反转粒子数反转态是非热平衡态，为了促使粒子数反转出现必须用一定伎俩去激发原子体系，这个过程出现必须用一定伎俩去激发原子体系，这个过程称为称为“泵浦泵浦”或或“抽运抽运”。有三能级或三能级以上能级系统有三能级或三能级以上能级系统 上能级应为上能级应为“亚稳态亚稳态”（自发辐射系数小）（自发辐射系数小）下能级不应是基态，而且对下下能级自发辐射要大下能级不应是基态，而且对下下能级自发辐射要大2)2)适合能级分布激活物质适合能级分布激活物质15第15页电子电子 碰撞碰撞 碰撞碰撞亚稳态亚稳态例例:He-Ne 激光器中激光器中Ne气粒子数反转态实现气粒子数反转态实现 He 是是辅助辅助物质物质 Ne Ne 是是激活激活物质物质 激活方式直流气体放电激活方式直流气体放电He 与与 Ne 之比为之比为51 51 10110116第16页四四.光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 为了强化光放大，应使受激辐射光重复屡次经过为了强化光放大，应使受激辐射光重复屡次经过激活物质，实现这一目标装置是激活物质，实现这一目标装置是光学谐振腔光学谐振腔 在激活物质两侧配置两个反射镜，就组成了一个在激活物质两侧配置两个反射镜，就组成了一个“光学谐振腔光学谐振腔”使激光含有极好方向性（沿轴线）使激光含有极好方向性（沿轴线）增强光放大作用（相当于延长了工作物质）增强光放大作用（相当于延长了工作物质）对输出波长选择，使激光含有极好单色性（选频）对输出波长选择，使激光含有极好单色性（选频）光学谐振腔作用光学谐振腔作用17第17页五五.激光应用激光应用 利用激光高强度利用激光高强度 良好聚焦性（平行性）良好聚焦性（平行性）刻制光栅等刻制光栅等绘制集成电路图绘制集成电路图芯片电路准确分割芯片电路准确分割切割切割(连续打孔连续打孔)：调整精密电阻调整精密电阻 焊接焊接(烧熔烧熔)：快速：快速 非接触非接触 可在空气中进行可在空气中进行钻孔钻孔(烧穿烧穿)：效率高效率高 可加工硬质合金钻石等可加工硬质合金钻石等 激光应用已遍布科技、工农业、医疗、军事、生活等各个激光应用已遍布科技、工农业、医疗、军事、生活等各个领域，这里只列举几个方面：领域，这里只列举几个方面：加工：加工：18第18页 测量：测量：准直、测距等准直、测距等 医疗：医疗：激光手术刀激光手术刀 血管内窥镜血管内窥镜治癌等治癌等 军事：军事：激光制导激光制导激光炮等激光炮等 核技术：核技术：激光分离同位素激光分离同位素（还利用了频率准确特点）（还利用了频率准确特点）激光核聚变激光核聚变19第19页激光雷达（分辨率高，可测云雾）等激光雷达（分辨率高，可测云雾）等 利用激光极好相干性：利用激光极好相干性：测量：测量：精密测长、精密测长、测角、测角、测流速测流速(10(10-5-510104 4 m/s)m/s)定向定向(激光陀螺激光陀螺)测电流电压（磁光效应）测电流电压（磁光效应）准确测定光速准确测定光速 c c（定义（定义 1 1米米=c c/299752458/299752458）全息技术：全息技术：全息存放全息存放全息测量全息测量全息电影全息电影全息摄影等全息摄影等20第20页抗干扰性强抗干扰性强 探测：探测：微电子器件表面探测微电子器件表面探测（激光（激光原子力显微镜可测原子力显微镜可测2525个原子厚度起伏改变个原子厚度起伏改变)单原子探测单原子探测（利用光谱分析能测出（利用光谱分析能测出10102020个原子中一个原子）个原子中一个原子）激光光纤通讯：激光光纤通讯：载波频率高（载波频率高（1010111110101515HzHz）信息容量大信息容量大 清楚清楚功耗小功耗小分子雷达分子雷达（可探测活细胞内新陈代谢过程）（可探测活细胞内新陈代谢过程）21第21页 激光核聚变激光核聚变 激光激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应小燃料样品上，引发核聚变核聚变反应小燃料样品上，引发核聚变22第22页 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC高温）高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起23第23页用激光使脱落视网膜再复位用激光使脱落视网膜再复位24第24页 照明束照明束 照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤 成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光 使堵塞物熔化使堵塞物熔化 从属通道从属通道 （可注入气或液）（可注入气或液）排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通臂动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜从属通道从属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束激光手术刀激光手术刀 （不开胸，不需住院）（不开胸，不需住院）25第25页17-2 晶体能带理论晶体能带理论固体分类固体分类 晶体晶体 原子按一定周期性规则排列固体原子按一定周期性规则排列固体(有序性有序性)天然岩盐、水晶天然岩盐、水晶半导体锗、硅单晶半导体锗、硅单晶非晶体非晶体 原子排列没有明确周期性原子排列没有明确周期性玻璃、橡胶、塑料玻璃、橡胶、塑料26第26页u 长程有序长程有序u 有一定熔点有一定熔点u 解理性解理性u 从外形上看，晶体通常是规则凸多面体从外形上看，晶体通常是规则凸多面体u 晶面角守恒晶面角守恒u 各向异性各向异性 宏观特征是内在原子结构规则性排列结果。宏观特征是内在原子结构规则性排列结果。一一.晶体宏观特征晶体宏观特征27第27页 硅表面原子排列硅表面原子排列 STM imageG.BinningG.Binning和和H.Rohrer STM 1986H.Rohrer STM 1986年诺贝尔年诺贝尔28第28页雪花晶体形态示意图雪花晶体形态示意图29第29页30第30页石英晶体不一样外形石英晶体不一样外形 岩盐晶体不一样外形岩盐晶体不一样外形31第31页Be2O3 晶体和晶体和 Be2O3玻璃玻璃32第32页 类型类型结协力方向性方向性饱和性饱和性性能性能导电性导电性硬度硬度 熔点熔点离子晶体离子晶体离子键离子键无无弱弱高高共价晶体共价晶体共价键共价键有有很低很低高高分子晶体分子晶体范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键无无低低差差金属晶体金属晶体金属键金属键无无好好 范性好范性好二二.晶体分类晶体分类33第33页三三.晶体结构晶体结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，空间点阵空间点阵空间点阵学说空间点阵学说 晶体内在结构长程有序晶体内在结构长程有序 决定晶体宏观性质决定晶体宏观性质空间点阵空间点阵 格点格点+周期性平移周期性平移格点格点 原子（晶体完全由原子（晶体完全由一个一个原子组成）原子组成）基元（晶体由基元（晶体由数种数种原子组成）原子组成）基元基元 由这数种原子组成基本单元由这数种原子组成基本单元34第34页NaCl结构结构 一个经典离子晶体一个经典离子晶体 Na+组成面心立方格子组成面心立方格子 Cl也组成面心立方格子也组成面心立方格子35第35页CsCl结构结构 两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间 对角线位移对角线位移12 长度套构而成长度套构而成36第36页金刚石结构金刚石结构 碳原子组成一个面心立方原胞内还有四个原子碳原子组成一个面心立方原胞内还有四个原子 分别位于四个空间对角线分别位于四个空间对角线 14处处 金刚石结构半导体晶体金刚石结构半导体晶体Ge、Si等等 一个碳原子和其它四个碳一个碳原子和其它四个碳 原子组成一个正四面体原子组成一个正四面体37第37页立方系硫化锌立方系硫化锌 含有金刚石类似结构含有金刚石类似结构S和和Zn分别组成面心立方结构子晶格沿空间对角线分别组成面心立方结构子晶格沿空间对角线位移位移 14 长度套构而成长度套构而成化合物半导体化合物半导体 锑化铟、砷化镓、磷化铟锑化铟、砷化镓、磷化铟38第38页四四.周期性势场和电子共有化周期性势场和电子共有化r+-e eUVUVr+电子能级电子能级势阱势阱旋转对称旋转对称势垒势垒+1 1）孤立原子（单价）孤立原子（单价）电子所在处电势为电子所在处电势为U U，电子电势能为，电子电势能为V V 电势能是一个旋转对称势阱电势能是一个旋转对称势阱1.周期性势场周期性势场 39第39页2)2)两个原子情形两个原子情形VVr+40第40页3）大量原子规则排列情形）大量原子规则排列情形Vr+aE1E2晶体中大量原子晶体中大量原子(分子、离子分子、离子)规则排列成规则排列成点阵结构，点阵结构，晶体中形成晶体中形成周期性势场周期性势场41第41页2.电子共有化运动电子共有化运动 为确定电子在周期性势场中运动，需解薛定谔方程为确定电子在周期性势场中运动，需解薛定谔方程 Vr+aE1E2 电子能量电子能量 E1 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量电子能量 E2 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。高，穿过势垒概率大，共有化程度高。42第42页电子共有化电子共有化 因为晶体中原子周期性排列，价电子不再为单个原子全因为晶体中原子周期性排列，价电子不再为单个原子全部现象。共有化电子能够在不一样原子中相同轨道上转移，部现象。共有化电子能够在不一样原子中相同轨道上转移，能够在整个固体中运动。能够在整个固体中运动。l 原子外层电子原子外层电子(高能级高能级)，势垒穿透概率较大，属于，势垒穿透概率较大，属于 共有化电子共有化电子l 原子内层电子与原子结合较紧，普通不是共有化电子原子内层电子与原子结合较紧，普通不是共有化电子 43第43页电子在晶体中作共有化运动，处于三维周期性势场电子在晶体中作共有化运动，处于三维周期性势场 中中五五.能带和能带中电子分布能带和能带中电子分布 量子力学证实，因为晶体中各原子间相互影响，原来各量子力学证实，因为晶体中各原子间相互影响，原来各原子中能量相近能级将分裂成一系列和原能级靠近新能级。原子中能量相近能级将分裂成一系列和原能级靠近新能级。这些新能级基本上连成一片，形成这些新能级基本上连成一片，形成 能带能带比如：两个氢原子靠近结合成份子时，比如：两个氢原子靠近结合成份子时，1S1S能级分裂为两条。能级分裂为两条。1Sr0r0EHHrH原子结原子结合成份子合成份子44第44页 当当N N 个原子靠近形成晶体时，因为各原子间相互作用，个原子靠近形成晶体时，因为各原子间相互作用，对应于原来孤立原子一个能级，就分裂成对应于原来孤立原子一个能级，就分裂成N N 条靠得很近条靠得很近能级。使原来处于相同能级上电子，不再有相同能量，能级。使原来处于相同能级上电子，不再有相同能量，而处于而处于N N 个个很靠近很靠近新能级上。新能级上。45第45页(1)(1)服从泡里不相容原理服从泡里不相容原理(电子是费米子电子是费米子)(2)(2)服从能量最小原理服从能量最小原理 孤立原子能级孤立原子能级 E Enl，最多能容纳，最多能容纳 2(2l+1)个电子。个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由N条能级组成能带后，条能级组成能带后，最多能容纳最多能容纳 2(2l+1)个电子。个电子。能带中电子排布能带中电子排布 晶体中一个电子只能处于某个能带中某一条能级上。晶体中一个电子只能处于某个能带中某一条能级上。排布标准：排布标准：比如：比如：1 1s s、2 2s s能带，最多容纳能带，最多容纳2 2个电子；个电子；2 2p p、3 3p p能带，最多容纳能带，最多容纳6 6个电子。个电子。46第46页恪守恪守 泡利不相容原理泡利不相容原理 和和 能量最小原理能量最小原理最多可容纳电子数最多可容纳电子数2N2N2N6N6N10N47第47页满带满带空带空带导带导带 未填满能带及空带未填满能带及空带（普通与价带相邻普通与价带相邻）未填满价带未填满价带例：例：能带对导电性影响能带对导电性影响不参加不参加导电导电参加参加导电导电参加参加导电导电填满价带填满价带48第48页价价带带六六.绝缘体绝缘体 导体导体 半导体半导体36eV0.11.5eV绝缘体绝缘体半导体半导体满满带带空空带带导导带带49第49页锂锂镁镁铜铜 铝铝 银银导体导体（三种情况）（三种情况）50第50页 Si(硅硅)类型类型掺有杂质掺有杂质主要载流子主要载流子导电性能导电性能本征半导体本征半导体无无电子电子 空穴空穴差差杂质杂质半导体半导体n 型型五价元素五价元素(砷或磷砷或磷)电子电子提升p 型型三价元素三价元素(硼或镓硼或镓)空穴空穴提升七七.半导体类型半导体类型51第51页杂质杂质能级能级1.n 型半导体型半导体价带价带10-2 eV施主施主能级能级八八.杂质半导体杂质半导体52第52页杂质杂质能级能级2.P 型半导体型半导体价带价带受主受主能级能级10-2 eV空穴空穴53第53页九九.p n 结结 p n 结中电场和电势差结中电场和电势差p区区能带升高，能带升高，n区能区能带降低，形成势垒带降低，形成势垒1.p n 结中电场和势垒结中电场和势垒54第54页p n结中电场减弱，势垒降低，结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散轻易，形成正电子、空穴扩散轻易，形成正向宏观电流，并随电压改变向宏观电流，并随电压改变p n结中电场增强，势垒增高，结中电场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成电子、空穴扩散困难，形成很小反向电流很小反向电流2.p n结中电流和外加电压关系结中电流和外加电压关系EE正向电压正向电压反向电压反向电压55第55页10203010200.40.82030半导体光电检测器半导体光电检测器p n 结单向导电性结单向导电性p n 结伏安特征曲线结伏安特征曲线U/VI/mA正向正向反向反向击穿电压击穿电压56第56页