第一章经典物理的困难ppt课件.ppt
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1、微电子物理微电子物理基础基础1导论导论第第7学期学期第第6学期学期集成电路测试技术集成电路测试技术第第5学期学期半导体集成电路半导体集成电路专用集成电路设计专用集成电路设计第第4学期学期电子器件电子器件半导体工艺原理与技术半导体工艺原理与技术 半导体材料学半导体材料学第第3学期学期半导体物半导体物理理计算机数值分析计算机数值分析微电子机械系统微电子机械系统微电子专业技能实践微电子专业技能实践微电子物微电子物理基础理基础超大规模集成电路设计超大规模集成电路设计电子电路模拟仿真电子电路模拟仿真Fundamental Physics of Microelectronics2主要内容主要内容 微电子物
2、理基础微电子物理基础量子力学量子力学固体物理固体物理统计物理基础统计物理基础基本基本概念概念波动波动方程方程力学力学量量微扰微扰理论理论晶体晶体结构结构晶体晶体结合结合晶格晶格振动振动能带能带理论理论微观粒子运动的微观粒子运动的平均规律平均规律氢原子氢原子一维一维谐振谐振子子波粒波粒二象二象性性3主主 要要 参参 考考 书书电子工程物理基础电子工程物理基础,唐洁影,唐洁影 固态电子学基础固态电子学基础,萨支唐,萨支唐 fundamentals of solid-state electronics,Chin-Tang Sah其他量子力学、固体物理其他量子力学、固体物理等等相关书籍相关书籍4量量子
3、子力力学学Quantum Mechanics。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5p集成电路的组成结构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 薄膜结构薄膜结构(Sandwiched Layers)-每一个半导体层由几个乃数几百万个基体原子层组成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量子力学p 量子概率和波动力学处理微小距离的不确定性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,每立方厘米固态物质中包含着大量电子、离子和中性原子,每立方厘米
4、 中大约有中大约有1023个。个。-粒子多,相距近,不能用经典粒子多,相距近,不能用经典Newton力学来描述。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。观测到的只是粒子的平均性质,而不是每个粒子的运动。6课程主要内容课程主要内容 (一一)经典物理学的困难经典物理学的困难 波粒二象性波粒二象性 (二二)波函数和薛定鄂方程波函数和薛定鄂方程 势垒贯穿势垒贯穿 (三三)力学量力学量 算符算符 (四四)微扰理论微扰理论 氢原子氢原子 (五五)前沿量子科技前沿量子科技(补充补充)量子力学7导论导论 量子力学的发展及应用量子力学的发展及应用8经典物理经典物理Classical Ph
5、ysics p物理学中的四大力学物理学中的四大力学l牛顿力学牛顿力学(Newtons mechanics):描述宇宙中宏观物描述宇宙中宏观物体运动论体运动论 l热力学与统计物理学热力学与统计物理学(Thermodynamics and statistical physics):关于热现象的宏观、微观描述:关于热现象的宏观、微观描述l电动力学电动力学(Electrodynamics):电磁现象的理论电磁现象的理论(Maxwell的的电磁场理论和关于电磁波的传播媒质电磁场理论和关于电磁波的传播媒质-以太以太ether存在存在的假说的假说)p 经典物理学遇到了困难经典物理学遇到了困难9量子力学发展历
6、史量子力学发展历史1 1 什么是量子力学,量子力学的研究对象?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量子力学的建立过程3 量子力学的成功量子力学的成功 4 4 4 4 量子的应用量子的应用量子的应用量子的应用5 经典力学和量子力学的比较经典力学和量子力学的比较经典力学和量子力学的比较经典力学和量子力学的比较101 1 什么是量子力学,量子力学的研究对象?什么是量子力学,量子力学的研究对象?u 量子物理学,是在原子层次研究物质和辐射的一门学问。u 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。u 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
7、。u 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.u 测不准原理(微小距离的不确定性)u 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.112 量子力学的建立过程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。两朵乌云两朵乌云 (1)黑体辐射黑体辐射-紫外灾难紫外灾难 (2)以太漂移以太漂移 三大发现三大发现 (1)1895年,伦琴射线年,伦琴射线X射线,
8、第一枚诺贝尔物理学奖射线,第一枚诺贝尔物理学奖 (2)1896年,放射性元素的铀和镭年,放射性元素的铀和镭 (3)1897年,汤姆逊发现了电子年,汤姆逊发现了电子12A 早期的量子力学早期的量子力学-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(energy quanta),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(light quantum)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
9、原子光谱作出了圆满解释,量子力学取得初步胜利13B B 量子力学的建立量子力学的建立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:量子探险的两条道路:1900年年 Planck1905年年 Einstein1923年年de Broglie 1913年年 Bohr 1923年年 Bohr 1925年年 Heisenberg1926年年Schrdinger 14C C 量子力学的诞生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 D 量子力学建立发展
10、过程中的重要人物(诺贝尔奖获得者)量子力学建立发展过程中的重要人物(诺贝尔奖获得者)普朗克普朗克1918能量子能量子爱因斯坦爱因斯坦1921光电效应的解释光电效应的解释玻尔玻尔1922氢原子轨道氢原子轨道密立根密立根1923光电效应的证实光电效应的证实康普顿康普顿1927光子动量光子动量德布罗意德布罗意1929粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性海森堡海森堡1932量子力学的建立量子力学的建立薛定谔薛定谔1933薛定谔方程薛定谔方程泡利泡利1945不相容原理不相容原理玻恩玻恩1954波函数的统计解释波函数的统计解释狄拉克狄拉克1933狄拉克方程狄拉克方程153 量子力学的成功量子力学的成功 成成功
11、功解解释释:l原子、原子核的结构l固体结构l元素周期表和化学键l超导电性、半导体性质促促 成成:l现代微电子技术信息化时代l激光技术l新能源、新材料出现使人类进使人类进入信息化入信息化时代时代没有量子力学没有量子力学没有量子力学没有量子力学就没有人类就没有人类就没有人类就没有人类2020世纪的文明世纪的文明世纪的文明世纪的文明 李政道李政道164 4 量子的应用量子的应用p 检测炸弹p 并行计算(量子纠缠态)p 搜索数据库p 量子超光速通信(远距离传物)p 电子隧道显微镜p 量子器件17量子信息学量子信息学 quantum information theoryl 产生产生 存储存储 编码编码
12、传输传输 译码译码 信道传输信道传输:可靠性可靠性 有效性有效性核心芯片的集成度芯片的集成度量子力学的新进展使新的交叉学科量子力学的新进展使新的交叉学科 量子信息学量子信息学应运而生应运而生18量子比特qubitp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:p量子密码学19l量子计算机是量子计算机是其其主要研究内容之一主要研究内容之一l建立在量子理论基础上的最有发展前景!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突破经典信息系统极限的途径量子计算机20Quantum theorypThe theory devised by Max
13、Planck in 1900 to account for the emission of the black-body radiation from hot bodies.pThis theory led to the modern theory of interaction between matter and radiation known as quantum mechanics,which generalizes and replaces classical mechanics and Maxwells electromagnetic theory.21pA system of me
14、chanics that was developed from quantum theory and is used to explain the properties of atoms and molecules.pUsing the energy quantum as a starting point it incorporates Heisenbergs uncertainty principle and de Broglie wavelength to establish the wave-particle duality on which Schrdingers equation i
15、s based.pThis form of quantum mechanics is called wave mechanics.pAn alternative but equivalent formalism,matrix mechanics,is based on mathematical operators.Quantum mechanics225 5 经典力学和量子力学的比较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
16、拿氢原子中的电子作标准。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如质子的质量比电子大18361836倍,所以质子质量一般倍,所以质子质量一般 的运动用经典力学计算即足够准确。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电视机显像管中的电子,其能量比氢原子中的电子大大 数千倍,所以设计显像管时用经典力学计算即可。数千倍,所以设计显像管时用经典力学计算即可。23经典力学和量子力学的比较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、MaxwellSchrdinger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
17、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24第一章经典物理学的困难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25光是一种波光是一种波 wave wave 干涉条纹一条狭缝 200年前,托马斯 扬(Thomas Young)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26似水波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
18、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271 1 黑体辐射黑体辐射和普朗克的能量子假说和普朗克的能量子假说(1 1)基本概念)基本概念A 热辐射热辐射(Heat radiation)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这种与温度有关的辐射,称为热辐射。的辐射,称为热辐射。基本特点基本特点: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 28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
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