微电子学发展简介

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,发展简介,微电子专业,本讲：近代量子物理发展史,1,一.近代量子物理发展史,1,.,阴极射线管(克鲁克斯管或希托夫管),时间：,19世纪70年代,人物：,克鲁克斯(W.Crookes)-英国,发现:,当水银管内处于低压（接近真空）状态时,管内的气态物质发出的光消失,并出现奇怪的现象:阴极附近出现了一段不发光的黑暗区域，原来连续的光柱断开了，仍旧发光的一段光柱也像鱼鳞一样闪烁不定。再抽下去，,黑暗的区域越来越长，好像由阴极伸出来一股暗流，把发光区域越压越短，最后，暗区压到阳极上，整个光柱就全部消失了,。但在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光并非常清楚。,2,这种阴极发射出来的射线，肉眼看不见，但能在玻璃管壁上产生辉光或荧光，科学家把这个神秘的绿色荧光称为阴极射线。,请问这种绿色荧光到底是什么？有人认为它像普通的光线一样是以太中的波动，也有人认为它是有阴极发射的带负电的粒子所组成。,3,布鲁克斯,阴极射线管,4,问题：这个阴极射线到底是什么？,现象一：,克鲁克斯拿起一块马蹄形磁铁跨置在管子的中部，奇迹出现了，十字形的阴影发生了偏移！,所得的结论：阴极射线根本不是光线，而是一种带电的原子。否则，它们怎么会受到磁场的影响呢?,现象二：,汤姆逊在管子的中间添了一对金属电极D和E，并在电极D和E上加上一定的电压 后，发现阴极射线就偏离中点到达一边，当电压反向时，偏到另外一边，从偏转的方向清楚地表明：阴极射线是带负电的。和克鲁克斯的结论一样。,5,现象三：,无论采用何种种类的阴极物质，何种种类的管内气体，测量后发现带电粒子的荷质比都不变，并且它比带电氢原子的荷质比值大1700倍，1897年汤姆逊又采用英国物理学家威尔逊发明的云室，即带电粒子可以作为一个核心使它周围的水蒸汽凝成小水滴的方法测量了阴极射线粒子所带的电荷值；,并发现,它与稀溶液电解中一个氢原子所携带的电荷是相等的。这样，最后确定了阴极射线粒子人们给它起了一个名字叫“电子”。 电子的质量比氢原子小1700倍。,6,最终结论：从阴极出来的射线实际上是带负电的电子，并且进一步表明：原子并不是物质可分性的最后极限，从原子中还可以进一步分出电子 。,从此，人们打开了神秘的原子世界的大门，物理学进入了微观世界的新纪元。在许多科学家的实验成果的基础上，汤姆逊最终发现了电子的存在。使得汤姆逊成为最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。,汤姆逊,它当时使用的实验装置,7,2伦琴射线,1895年11月8日傍晚，伦琴研究阴极射线 ，为了防止外界光线对放电管的影响，也为了不使管内的可见光漏出管外，他把房间全部弄黑，还用黑色硬纸板给放电管做了个封套，为了检查封套是否漏光，他给放电管接上电源，他看到封套没有漏光而非常满意可是当他切断电源后，却意外地发现：,8,一米以外的镀了氰亚铂酸钡的纸作成的荧光屏上出现了一种暗淡的绿光,，他非常惊奇，,因为阴极射线只能在空气中进行几个厘米,，这是别人和他自己的实验早已证实的结论他继续实验，又发现 这种X射线还能使许多化学制品发光，能穿透许多物质，特别是能直接穿过肌肉但不能透过骨骼，能直线运行，并不会因磁场的作用而发生偏移,9,10,伦琴射线管内抽成真空，K是阴极，由钨制的灯丝组成，A是阳极，是由钨或铂做成的倾斜靶面，通过变压器供给钨丝电压，使阴极发热，射出热电子，把管的阴阳两极接到几万伏的高压电源上，使钨丝射出的热电子在电场力作用下加速，以很大的速度射到阳极的靶面上骤然停止，这时金属表面就会射出伦琴射线来,伦琴,11,a.伦琴射线到底是什么？它是波还是粒子？ b.若是波，就能产生干涉条纹，为什么始终没有找到，若假设X射线的波长过短，仅为可见光的千分之一或更小，那又要如何才能找到这种干涉条纹？ C.要制作间隔缩小1000倍的光栅，当时的工艺明显无法实现，怎么办？,问题：,12,1910年，劳厄与埃瓦尔德在公园散步，根据埃瓦尔德博士论文中提出的想法，在晶体内部会存在着某些振动的振子，这些振子也许是按特定的规则排列的，它们吸收并重新发射光。,劳厄突然想到，这些振子的空间距离会有多近呢？并立即产生了一种新奇的思想，即晶体可能为他提供用伦琴射线获得干涉条纹所需要的超精细衍射光栅。,13,他立即设计了一种简单的实验装置：用X射线束通过小孔射向蓝色硫酸铜晶体，并在晶体后面放上了一张敏感的照相底片。,即X射线的波长和晶体中原子的距离相当时可发生干涉。,14,劳厄实验装置,发生了衍射现象 的劳厄图,15,实验结果：,在灰暗的背景上出现了亮点组成的有规则的环状图案。,实验分析：,这些由X射线所引起的衍射图案是由晶体内部有规则分布的三维点振体所产生的。从而证明X射线是一种电磁波，它是由原子的内层电子受到激发后产生的。,16,2dsinx=n/f (d为平行原子平面的间距,f为入射波频率,x为入射光与晶面之夹角) 布拉格定律的成立条件是波长小于2d,1913年，布拉格父子,开始了一系列的实验，,确认并拓展了劳厄的工作，并提出了布拉格,定律X射线波长、晶体平面间距和X射线,入射到晶面上的角度之间的简单关系。,17,从此，人们能够用X射线去窥探晶体内部，那儿的原子像放在篮子里的鸡蛋一样，原子排列细节由照相底片上出现的亮点环状图案的间距和对称性所决定。,现在，物理学家可以自如地利用X射线以及由射线穿过样品产生的奇异图案来检验各种假说。,18,3黑体辐射与量子概念的产生,黑体是吸收本领最大的物体，它能全部吸收辐射到它表面上的电磁波。在暗室的壁上开一个细孔，这就是很好的黑体。,实验测得,各种温度下能量密度的频率分布曲线,服从正态分布,，如下图所示：,19,瑞利,和,金斯利,采用,经典物理学中的,波动理论,推导出一个公式，这个公式推导出来的电磁波能量随频率的增大一直增大，最后增至无穷大，,但从实验可知,，当频率到一定程度时电磁波能量却是降低。两者之间产生了不可调和的矛盾，这就是,历史上有名的“紫外灾难”,。即在光谱的高频端，紫外区的黑体将释放出无穷无尽的能量。,-显然这是不可能的。,20,当时的经典物理学（牛顿力学、电磁学、热力学和经典统计物理）都非常的成熟和完美。绝大多数的权威物理学家都相信经典物理学能够解释各类物理现象。黑体辐射定律也不例外，,然而，冷酷的事实却是,，企图在经典物理的理论框架内解释黑体辐射定律的努力都遭到了失败。,21,“紫外灾难”的出现使人们强烈地意识到，原先以为已经相当完美的经典物理学理论,确实存在着问题,。问题的解决有赖于观念上新的突破。,普朗克,(MP1anck)决心找到一个与实验结果相符的新公式。 在经历了长达6年之久的苦苦思索后，他在1900年迈出了决定命运的一步，他最后将此称为,“一次绝望的行动,”。,普朗克,谨慎的,提出了,能量子假说,。,即,物体在发出辐射和吸收辐射时，能量,不是连续地变化的，而是跳跃地变化,的，即能量是一份一份地发射和一份,地吸收的，每一份能量都有定的数,值，这些能量单元称为“量子”。,=h,他推出来的理论公式与实验曲线,完全相符。,22,普朗克 的量子假设和经典物理的整套概念是相抵触的，,按照经典物理学,，一切物质的运动变化都是连续进行的，能量变化也是连续的，这正是推导瑞利金斯公式的前提条件，而普朗克舍弃了能量均分定理，代之以量子假设，这在概念上是一次革命性的突破。,此时的普朗克 因打开了潘多拉的盒子而陷于极度的痛苦之中，接下来他又花了的时间试图弥合由于他理论的出现给经典物理学留下的伤口，但这完全无用。,23,因为这个理论与经典理论是如此之格格不入 ，当时物理学界对它的反映是极为冷淡的。从年到年的文献中，几乎找不到有关这一理论的任何论文。,造成普朗克长期犹豫徘徊的原因是,传统观念的束缚,。他是受过,严格经典物理学训练,的普朗克，自从世纪牛顿力学建立后，自然过程连续性的观念在物理学中已经根深蒂固。莱布尼兹曾经说过，“自然界无跳跃。”世纪，电磁场理论的建立更使这一观念深入人心，要冲破它确实不容易。,他完全是在在实验事实的逼迫下，他才终于“上了梁山”。,因此，人们常说他是一个“不情愿的革命者”。,24,从普朗克艰难,谨慎的提出能量子假设,我们可以获得以下几点体会:,一.对实体的经典画像,其重点在于连续性和稳定性,但当进入微观领域之后,它就变成了碎裂和多变。这表明事物的属性不是一维的，而是具有两维或三维性。,25,二.,我们是相信理论还是相信实践，,特别是那些被证明了很多次的理论面前我们到底该如何处理它与实践的关系呢？但有一句话是不会错的，实践第一。对任何实验中的现象我们总希望找出它发生的原因，所找出的符合这种现象的原因就是正确的理论。,26,三.,绝大多数理论都有一定的范围,，因此以后我们进行科学研究时，根据这句话我们可以做以下研究工作：确定某个理论的适用范围，或把它的适用范围扩大，在这个范围内某个理论有正确性，唯一性。反之，如果我们发现了某个范围内的某一现象，如果能提出合理的解释并进行数学证明，那么我们就能成为科学家。,27,四.科学之所以能不断的发展,就是因为存在着,很多矛盾,特别是旧的理论不能解释新的实验现象从而提出新的理论,绝大多数科学家走的都是这一步。只有极少数的最伟大的科学家是根据自己的思考和想象力以及一定的实验基础来提出新的理论，并根据这一理论来预测某些现象。爱因斯坦就是如此。,28,1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的,预言,，于1919年由英国天文学家亚瑟斯坦利爱丁顿的日全食观测结果所证实。1916年他预言的引力波在1978年也得到了证实。,29,在第二次世界大战期间，德高望重的普朗克（）为帮助和支持受法西斯迫害的犹太籍科学家而奔走呐喊。当时希特勒曾说：如果不是普朗克年事已高，早该把他关进集中营。,普朗克的伟大发现和他的崇高品格，使他的名字与科学史上许多伟大的名字并列在一起。正如他的学生、诺贝尔奖金奖获得者劳厄所说：“只要自然科学存在，它就不会让普朗克的名字被遗忘。”,爱因斯坦在普朗克的悼词中说道：“,一个以伟大的创造性观念,造福于世界的人，不需要后人来赞扬。他的成就本身就已给了他一个更高的报答。”,30,年，一位名不见经传的瑞士专利局的小职员大胆的迈出了普朗克不敢迈出的第二步，他就是世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。,光电效应：某些金属受到光的照射后，能够发射出电子，形成电流。,为了解释这一现象，爱因斯坦需要将,光本身的能量理解为是一普朗克量子形式出现的，,即使,不与物质相互作用时也一样是光量子,。当逸出功给定后，入射光的频率必须超过W/h才能产生光电效应。否则金属将吸收这个光子，并获得微小的升温。,31,这不仅仅是异端邪说，甚至是,彻头彻尾的叛逆！,是谁让这位年轻的暴发户为所欲为，竟在一个世纪以来煞费苦心才表明光在传播时显然表现为波之后，又在声称光的行为又像微粒说中的,粒子,。,正是由于他大胆的迈出第二步，正如英雄电影中的秦军铁甲方阵一样，,量子物理,的车轮才会滚滚向前。,32,4量子物理的发展,1909年,卢瑟福的学生马斯顿用粒子去 轰击很薄的的金属箔,发现了一件非常奇怪的事情:约有八千分之一的粒子射出后反弹回来。卢瑟福假定反弹的粒子碰到了深藏在原子内部的极其坚硬而微小的实体，所以他提出了一个模型：原子质量的绝大部分集中在原子的中心或原子核上，电子围绕着原子核做圆周运动。,33,原子核比原子至少要,小上一万倍，就像一只,苍蝇在圣保罗大教堂里,飞来飞去。原子成了绝,大部分空间是空的东西，,换句话说，物质内部绝,大部分空间是,空,的。,很惊讶吧！,34,但卢瑟福模型存在的一个巨大的缺陷：根据麦克斯维的理论，围绕着原子核做高速旋转的电子将会以电磁辐射的形式不断的失去能量，眨眼之间它就会向内旋转，直至消亡。因此，该模型的原子生命极其短暂，最长不会超过十亿分之一秒。,这就是原子物理和经典的电动力学物理之间的矛盾,事实并非如此。,35,这一难题被一位喜欢沉思的丹麦年轻人,玻尔,解决了。他在量子论思想的武装下，他找到了电子走向稳定性的一条绝妙之路。,他在,一篇论文假定：,电子是在一系列特殊轨道上围绕着原子核旋转的，这些轨道具有特定的能级，就好比梯子上的一根根横档。当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，原子必须发射或吸收一个能量正好等于两个能级之差的光子。,当低于最低能级时，电子就不会发生跃迁现象，在最低能级上时 ，也不会再往下落，这样，原子的死亡就得到了赦免。,36,37,玻尔模型通过实验能复制出氢原子的辐射光谱，即颜色分布。但却不能复制出其它元素的辐射光谱，就连其次简单的氦的也复制不出来。,38,那么，电子以及电子本身到底是怎样运动的呢？它到底有什么样的基本属性呢？,20世纪物理学的巨人海森伯和泡利解决了这个难题。,海森伯提出：,不仅电子的能量,如玻尔所声称的是以一份一份形式发送或吸收的，而且其,角动量（,即围绕着任意轴旋转的动量是 /2的整数倍）也量子化。,1924年，泡利提出电子必须拥有另外一个特性，即自旋。也就是说，,电子就像个旋转的陀螺,，但它必须是拥有角动量为+ /2或- /2的量子陀螺。符号表示的是上或下两个方向。因此，电子拥有了三个鉴别性的特征：,电荷e，质量m,自旋 /2。,每一个单独存在的电子均具有严格相同的三个内在特性。,39,泡利,海森伯,40,泡利在1925年1月提交的一篇论文中声称：“,在原子内部绝不可能存在着两个或两个以上所有量子数均一致的、完全等价的电子,”。这就是著名的泡利不相容原理。,一个原子中,不可能,有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向,完全相同,的两个电子。如氦原子的两个电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。,41,每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳的轨道数是n的2次方个。核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，然后进入能量较高的轨道。,同一轨道中,最多只能容纳两个电子,且这两个电子自旋状态相反。,42,这就是量子力学中自然界为电子制定的分区法则，它不允许电子过分拥挤，从而保证原子的稳定性和刚性。因此，原子内部的电子不可能像在经典力学中发生的那样全部落到最低能级，它们中的某些电子必须总是保持在高能级态。,如果一个带有恰当能量的光子碰巧提供了所需的能量，那么电子就可能跃迁到激发态上去，但它在激发态的时间非常的短暂，它很快又会跃迁回来，同时释放出一个光子。,43,因此，通过借助量子力学，人们终于弄清楚了电子的基本属性、分布情况、运动特征等一系列的问题。,44,5光到底是波还是粒子？,波动说：笛卡尔、惠更斯、麦克斯韦、玻尔,微粒说：牛顿、爱因斯坦,在1923年以前，双方平分秋色，谁也说服不了谁，但在这一年，德布罗意开始推测波粒二象性原理，即光既可以表现为波，也可表现为粒子。他还作出推测，根据爱因斯坦关于物质只不过是能量的另一种形式，又根据普朗克公式，给定的能量对应于一定的振动频率，那么他就想到：物质能量光振动。为什么物质不可以像光波那样振动呢？动量普朗克常数波长，能量普朗克常数角频率,45,德布罗意,的天才想法并没有引起人们的注意。他的博士论文直到答辩时，还没有人对此表现出多大兴趣，还差点没通过。不过一年以后，,他的论文被送到爱因斯坦手中时,，他写到：我深信这是在我们物理学游戏处于最槽糕的时候投下的第一缕闪电。,46,德布罗意的想法将意味着任何像电子那样的亚原子粒子应该具有固有的振荡行为。也就是说，,在量子水准上，物质必须振动！,以前被广泛接受的教义是,物质本性无活动力。,这里存在着一个真正革命的思想，这种思想又一次颠覆了我们的历史。,美国科学家,戴维孙,用实验证实了电子波在穿越晶体原子层并产生干涉条纹。,47,1925，玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学，进一步抛弃经典概念，揭示量子图像，精确的解释了许多现象，已经成为哥本哈根学派的镇门之宝量子界的“屠龙宝刀”。不过在当时懂矩阵的物理学家没有几个，所以矩阵力学的影响力仍然有限。事实上就是海森堡本人也并不懂“矩阵”，而只是在他的理论出炉之后哥本哈根学派的另一位弟子,玻恩告诉海森堡他用的东西在数学中就是,矩阵,。,48,一年以后，薛定谔 根据德布罗意的天才想法推导出薛定谔的波动方程量子界的”倚天剑”,事实上，海森堡的矩阵力学和他的波动方程表述的量子论其实只是不同的描述方式，它们的数学意义是一样的。,49,在某些情况下，一个电子或一个光子可以表现为波，在另外一些情况下，又可表现为粒子，它们具有双重特性。,20世纪最初的25年里所发生的物理学革命使人们,明白了大自然在最深层次上有基本的粒子性。,不仅物质是以一份一份的、非连续方式存在着，而且光、能量、自旋以及19世纪的科学家曾认为连续的许多其他量也都具有内在的非连续性。而这种内在的非连续性的一种不可避免的结果就是潜入到分子和原子世界里的麻烦的不确定性。,50,量子界的“屠龙宝刀” 矩阵力学与,”,倚天剑,”,薛定谔的波动方程合二为一,使得量子理论的威力巨大无穷。,量子论在物理界几乎每个角落都激起浪花。它使我们对固体机械和热性质的认识产生了巨大变化，打开了通向凝聚态物理的大门。,51,它成功解释了化学键和轨道杂化，开创了量子化学学科，材料科学插上量子论的双翼之后展翅飞翔。,指引我们真正认识电流的传导，研究半导体，走向微电子学的建立。我们还认识了超导和超流，掌握了激光技术，造出了晶体管和集成电路。,52,量子论微观上进入了粒子的世界，宏观上扩展到星球宇宙。恒星耗尽之后会向内坍缩，内部的抵抗源自泡利不相容原理的一种简并压力。简并压力足够抵挡坍缩时，恒星演化为白矮星。要是电子被征服而要靠中子来抵抗时，恒星变为中子星。如果一切防线都被突破，就坍缩成黑洞。,53,量子论比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术如果评选20世纪最深刻地影响人类的事件，既不是两次大战，也不是共产主义运动，不是联合国、女权运动或者探索太空它应该被授予量子理论的创立和发展。量子理论和相对论比较呢？不好比。但仅从实用角度而言，毫不犹豫地，到目前为止，,量子论,比,相对论,更加有用。,54,我们现在的认识水平，量子场论和广义相对论是相互不自洽的，因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。,量子理论能否和相对论统一起来？,55,弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是,电子,、,光子,、,中微子,和,夸克,之类的粒子。这些看起来像,粒子,的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或,闭弦,），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。,四种基本作用力“粒子”（强、弱作用力粒子，电磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成，超弦理论认为，粒子并不存在，存在的只是,弦在空间运动,；各种不同的粒子只不过是,弦的不同振动模式,而已。自然界中所发生的一切相互作用，,所有的物质和能量,，都可以用,弦的分裂和结合,来解释。,56,闭弦断开为开弦,闭 弦,57,简单的理解就是：物体最小单位被看成是一条能量，宇宙中任何物质都是由一根根的能量组成 。所有的思想都是全新的，不是从传统的力学发展来的，但是如何解释力的统一和它究竟怎么理解，地球上没人能说清楚。,我们想象所有的,物质粒子都是点状,的东西，没有空间大小。但现在我们明白了，那一个个,点粒子其实并不是一个个实体的点，而是包含有一片片更微小的空间结构,，这样的空间结构的振动乍看起来像是一个个点，是,因为我们目前还没有更精微的探测技术。,58,弦理论是目前最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力（包括引力）统一起来的理论，它第一次将20世纪的两大基础理论广义相对论和量子力学，结合到一个数学的框架内，有可能解决一些长期困扰物理学家的世纪难题，如：黑洞的本质和宇宙的起源。,59,本讲主要的知识点：,阴极射线管,伦琴射线,黑体辐射与量子概念的产生,量子假设,量子物理的出现,光到底是波还是粒子？,弦理论,60,谢谢大家！,本讲结束！,61,