第一章经典物理的困难

1微电子物理基础2导论第7学期第6学期集成电路测试技术第5学期半导体集成电路专用集成电路设计第4学期电子器件半导体工艺原理与技术半导体材料学第3学期半导体物理计算机数值分析微电子机械系统微电子专业技能实践微电子物理基础超大规模集成电路设计电子电路模拟仿真FundamentalPhysicsofMicroelectronics3主要内容微电子物理基础量子力学固体物理统计物理基础基本概念波动方程力学量微扰理论晶体结构晶体结合晶格振动能带理论微观粒子运动的平均规律氢原子一维谐振子波粒二象性4主要参考书•《电子工程物理基础》，唐洁影•《固态电子学基础》，萨支唐《fundamentalsofsolid-stateelectronics》,Chin-TangSah•其他量子力学、固体物理等相关书籍5量子力学QuantumMechanics。。。我想我可以相当有把握地说，没有人理解量子力学。——理查德·费曼6集成电路的组成结构-许多薄的导体、半导体和绝缘体层相互交叠形成的多层薄膜结构(SandwichedLayers)-每一个半导体层由几个乃数几百万个基体原子层组成量子力学Whytostudyit?量子概率和波动力学处理微小距离的不确定性-固态物质中包含着大量电子、离子和中性原子，每立方厘米中大约有1023个。-粒子多，相距近，不能用经典Newton力学来描述。-观测到的只是粒子的平均性质，而不是每个粒子的运动。7课程主要内容(一)经典物理学的困难波粒二象性(二)波函数和薛定鄂方程势垒贯穿(三)力学量算符(四)微扰理论氢原子(五)前沿量子科技(补充)量子力学8导论量子力学的发展及应用9经典物理ClassicalPhysics物理学中的四大力学牛顿力学(Newton’smechanics):描述宇宙中宏观物体运动论热力学与统计物理学(Thermodynamicsandstatisticalphysics)：关于热现象的宏观、微观描述电动力学(Electrodynamics):电磁现象的理论(Maxwell的电磁场理论和关于电磁波的传播媒质-以太ether存在的假说)经典物理学遇到了困难10量子力学发展历史1什么是量子力学，量子力学的研究对象？2量子力学的建立过程3量子力学的成功4量子的应用5经典力学和量子力学的比较111什么是量子力学，量子力学的研究对象？量子物理学，是在原子层次研究物质和辐射的一门学问。量子世界中的粒子具有波粒二象性，能量具有分立性和非连续性。量子力学是描述微观世界的基本理论；反应的是微观粒子运动规律的科学理论。量子力学的主要特征是要用一个普适常数－普郎克常数h来表征.测不准原理(微小距离的不确定性)量子力学不但支配着整个微观世界，也支配着整个宏观世界，可以说整个物理学都是量子物理学，宏观自然现象的经典物理学不过是量子力学规律的近似.122量子力学的建立过程十九世纪末，经典物理已发展得相当完善，那时，人们认为经典物理似乎已经是无所不能：力学、热学、电磁学、波动光学等问题大都已经解决，甚至远及太阳系中的问题也能用经典物理处理。两朵乌云(1)黑体辐射-紫外灾难(2)以太漂移三大发现(1)1895年，伦琴射线—X射线，第一枚诺贝尔物理学奖(2)1896年，放射性元素的铀和镭(3)1897年，汤姆逊发现了电子13A早期的量子力学-1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难引入能量子（energyquanta），为量子理论奠定基础，他本人也被誉为量子理论之父。-1905年爱因斯坦为了解释光电效应与经典理论的矛盾，提出了光量子（lightquantum）后人称之为光子(Photon)，为量子理论的发展打开了局面。实质：光的波粒二象性-1913年玻尔在卢瑟夫原子有核模型基础上运用量子化概念对氢原子光谱作出了圆满解释，量子力学取得初步胜利14B量子力学的建立1923年德布罗意提出物质波的思想1925年玻恩－海森堡创立矩阵量子力学，1926年薛定谔建立波动力学量子探险的两条道路：1900年Planck1905年Einstein1923年deBroglie1913年Bohr1923年Bohr1925年Heisenberg1926年Schrödinger15C量子力学的诞生矩阵力学和波动力学的殊途同归＿＿1928年的狄拉克提出电子的相对论性方程－狄拉克方程，标志着量子力学的诞生D量子力学建立发展过程中的重要人物（诺贝尔奖获得者）普朗克1918能量子爱因斯坦1921光电效应的解释玻尔1922氢原子轨道密立根1923光电效应的证实康普顿1927光子动量德布罗意1929粒子的波粒二象性海森堡1932量子力学的建立薛定谔1933薛定谔方程泡利1945不相容原理玻恩1954波函数的统计解释狄拉克1933狄拉克方程163量子力学的成功成功解释：原子、原子核的结构固体结构元素周期表和化学键超导电性、半导体性质促成：现代微电子技术—信息化时代激光技术新能源、新材料出现使人类进入信息化时代没有量子力学就没有人类20世纪的文明李政道174量子的应用检测炸弹并行计算(量子纠缠态)搜索数据库量子超光速通信（远距离传物）电子隧道显微镜量子器件18量子信息学quantuminformationtheory产生存储编码传输译码信道传输:可靠性有效性核心芯片的集成度量子力学的新进展使新的交叉学科——量子信息学应运而生19量子比特qubit特征：量子叠加态量子系统可能同时处于“1”或“0”态这样的量子叠加态集成：量子密码学）＋（＝102111100001，，，20量子计算机是其主要研究内容之一建立在量子理论基础上的最有发展前景！突破经典信息系统极限的途径－量子计算机21QuantumtheoryThetheorydevisedbyMaxPlanckin1900toaccountfortheemissionoftheblack-bodyradiationfromhotbodies.Thistheoryledtothemoderntheoryofinteractionbetweenmatterandradiationknownasquantummechanics,whichgeneralizesandreplacesclassicalmechanicsandMaxwell’selectromagnetictheory.22Asystemofmechanicsthatwasdevelopedfromquantumtheoryandisusedtoexplainthepropertiesofatomsandmolecules.UsingtheenergyquantumasastartingpointitincorporatesHeisenberg’suncertaintyprincipleanddeBrogliewavelengthtoestablishthewave-particledualityonwhichSchrödinger’sequationisbased.Thisformofquantummechanicsiscalledwavemechanics.Analternativebutequivalentformalism,matrixmechanics,isbasedonmathematicaloperators.Quantummechanics235经典力学和量子力学的比较•量子力学与经典力学并不矛盾。•当微观粒子质量较大时（如质子或整个原子）或能量较大时，量子力学给出的运动规律与经典力学（即牛顿定律）给出的规律是一致的。•经典力学是量子力学的一种极限。一般可以拿氢原子中的电子作标准。•如质子的质量比电子大1836倍，所以质子质量一般的运动用经典力学计算即足够准确。•电视机显像管中的电子，其能量比氢原子中的电子大数千倍，所以设计显像管时用经典力学计算即可。24经典力学和量子力学的比较经典力学量子力学研究对象宏观微观运动方程Newton、MaxwellSchrödinger运动过程连续运动非连续力学量x/p确定，其它确定确定值多个力学量（算符）以概率形式取分立值势垒势垒贯穿（半导体器件）完全反射轨道确定的运动轨道不具有确定的轨道动量、位置确定性不确定性态叠加两列波的叠加可能状态的相干叠加粒子不体现波粒二象性25第一章经典物理学的困难1黑体辐射和普朗克的能量子假说2光电效应和爱因斯坦的光量子论3原子结构的玻尔量子论4康普顿散射5波粒二象性26光是一种波wave干涉条纹一条狭缝•200年前，托马斯扬(ThomasYoung)利用双缝实验证实了光是一种波，得到明暗相间的干涉条纹27似水波干涉所产生的波峰和波谷•光是由在空间传播有电磁波所组成的•用麦克斯维方程组得出所有的电磁波都以光速进行传播•光似波的形式传播就象水波281黑体辐射和普朗克的能量子假说（1）基本概念A热辐射（Heatradiation）物体受热就会发光,温度不同时,辐射的波长不同。例如：加热铁块，温度看不出发光暗红橙色黄白色这种与温度有关的辐射，称为热辐射。基本特点:1热辐射波谱是连续谱，但是强度不同2温度短波长的电磁波的比例29实际上,任何物体即使不被人为加热，也会有热辐射红外照相机拍摄的人的头部的热图，热的地方显白色，冷的地方显黑色高温物体发出的是紫外光UV炽热物体发出的是可见光VL3低温物体发出的是红外光30B平衡热辐射•加热一物体,物体的温度恒定不变时,物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。C辐射的能量密度•单位时间内从辐射体表面的单位面积上发射出的辐射能量的频率分布E(,T),称为辐射的能量密度，用它来描述物体的辐射本领，单位是焦耳/米231(2)黑体和黑体辐射A黑体（Blackbody)•能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体。•利用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律B黑体辐射(Blackbodyradiation)•如果将黑体加热到某一温度T，则必定辐射与它吸收的频谱完全相同的电磁波，称为黑体辐射32C怎样实现黑体和黑体辐射？•完全被不透过辐射的壁(可以为铁、铜、瓷器等材料）包住，且维持在一定温度T的空腔，其孔的大小远比内壁总面积小。可高度近似为黑体。•将该空腔浸在温度T的恒温槽中，使空腔壁产生辐射，腔内充满辐射能量，达到平衡热辐射时便从孔辐射出电磁波，这就实现了黑体辐射。33(3)黑体辐射的规律A.温度升高时，频率峰值(能量)向高频方向移动B.辐射出度与温度成正比维恩位移定律：热力学理论找到T与λ之间的关系：bTm解释：当黑体的热力学温度升高时，与单色辐射出度对应的波长向短波方向移动斯特藩-玻耳兹曼定律：4)(TTM34(3)黑体辐射的规律C.瑞利－金斯线，高频处辐射能量越高紫外灾难kTdcdTM222)(•在经典理论，能量均分定律基础上建立•在低频部分，与实验符合得很好•高频(短波)处，出现巨大的分歧35Black-bodyradiationistheelectromagneticradiationemittedbyablackbody.Itextendsoverthewholerangeofwavelengthsandthedistributionofenergyoverthisrangehasacharacteristicformwithamaximumatacertainwavelength.Thepositionofthemaximumdependsontemperature,movingtoshorterwavelengthswithincreasingtemperature.Black-bodyradiation36普朗克假设：•光并不是总是一种平滑、连续的波动，而是可以分割成“量子”的许多小块。•吸收或发射电磁辐射只能以“量子”方式进行，每个“量子”的能量为nh(4)Planck假设M