Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 2

GIỚI THIỆU CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHƯƠNG II Cơ Bản Về Cơ Học Lượng Tử TỔNG QUAN Mục đích của tài liệu này là giúp người đọc hiểu về hoạt động và đặc tính của thiết bị bán dẫn. Một cách lí tưởng, chúng ta sẽ khảo sát những thiết bị này ngay tức khắc. Tuy nhiên, để hiểu đặc tuyến V-A, chúng ta cần hiểu biết về đặc tính chuyển động của electron trong tinh thể khi electron chịu sự tác động của các thế năng khác nhau. Chuyển động của các vật thể vĩ mô, chẳng hạn...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 2 CHƯƠNG II: GI ỚI THIỆU CƠ HỌC LƯỢNG TỬ CHƯƠNG II Cơ Bản Về Cơ Học Lượng Tử TỔNG QUANMục đích của tài liệu này là giúp ngư ời đọc hiểu về hoạt động và đ ặc tính của thiếtbị bán dẫn. Một cách lí tư ởng, chúng ta s ẽ khảo sát những thiết bị này ngay t ứckhắc. Tuy nhiên, đ ể hiểu đặc tuyến V-A, chúng ta c ần hiểu biết về đặc tính chuyểnđộng của electron trong tinh th ể khi electron ch ịu sự tác động của các thế năngkhác nhau. Chuyển động của các vật thể vĩ mô, ch ẳng hạn như các hành tinh và v ệ tinhcó thể được tiên đoán v ới độ chính xác cao dùng vật lí cổ điển dựa trên các đ ịnhluật chuyển động của Newton. Trong khi đó nh ững thực nghiệm với electron vàsóng điện từ tần số cao dẫn đến những kết quả mâu thuẫn với vật lí cổ điển. Tuynhiên, nh ững kết quả thực nghiệm này có th ể được tiên đoán b ằng các đ ịnh luật cơhọc lượng tử. Lí thuyết sóng cơ h ọc lượng tử là cơ sở cho lí thuyết vật lí bán d ẫn. Chúng ta s ẽ tập trung vào nh ững vật liệu bán dẫn mà tính ch ất điện của nóliên quan tr ực tiếp đến đặc tính chuyển động của electron trong m ạng tinh thể.Hành vi và đ ặc tính của những electron này có th ể được mô tả bằng cơ h ọc sóng.Cơ học sóng s ử dụng phương tr ình Schrodinger và ph ương trình này được giớithiệu trong chương này. Mục tiêu của chương này là gi ới thiệu vắn tắt về cơ học lượng tử để chongười đọc thu được kiến thức và dần dần quen v ới phương pháp phân tích. Nh ữngkiến thức nhập môn này hình thành nên c ơ sở của vật lí bán d ẫn.2.1|NHỮNG NGUYÊN LÍ C ỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬXem video và làm thí nghi ệm ảo tại:http://mientayvn.com/Dien%20tu/Sach/Va t%20li%20dien%20tu%20va%20ban%20dan/Chuong%20II/21.htmlTrước khi nghiên c ứu về cơ sở toán học của cơ học lượng tử, có ba nguyên lí màchúng ta c ần xem xét: nguyên lí lư ợng tử hóa năng lư ợng, nguyên lí lư ỡng tínhsóng-hạt và nguyên lí b ất định.2.1.1 Lượng tử hóa năng lư ợng Một thí nghi ệm chứng tỏ có sự mâu thu ẫn giữa kết quả thực nghiệm với líthuyết cổ điển của ánh sáng là hi ệu ứng quang đi ện. Nếu ánh sáng không đơn s ắcđược chiếu đến bề mặt sạch của vật liệu, thì nh ững electron (nh ững electronquang) có thể được phát ra t ừ bề mặt. Theo v ật lí cổ điển, nếu cường độ ánh sángđủ lớn, động năng của electron s ẽ lớn hơn công thoát và electron s ẽ thoát ra kh ỏibề mặt kim lo ại không ph ụ thuộc vào tần số của ánh sáng t ới. Điều này th ực tếkhông x ảy ra. Hiệu ứng quan sát đư ợc trong th ực tế là, với cường độ ánh sáng t ớikhông đ ổi, nếu tần số ánh sáng nh ỏ hơn một tần số υ0 nào đó (υ0 là tần số giới hạnphụ thuộc vào loại vật liệu cụ thể) thì sẽ không có electron nào đư ợc thoát ra t ừ bềmặt vật liệu. Còn khi υ ≥ υ0 động năng c ực đại của electron quang bi ến đổi tuyếntính theo t ần số. Kết quả này được biễu diễn trong hình 2.1. N ếu cường độ ánhsáng tới biến đổi còn tần số không đ ổi, tốc độ phát xạ electron quang thay đ ổi,nhưng động năng c ực đại vẫn giữ nguyên.Tiếp theo, chúng ta s ẽ thực hiện một thí nghi ệm ảo về hiệu ứng quang đi ện. Trướctiên, hãy xem hình v ẽ mô tả các bộ phận và cách đi ều khiển thí nghi ệm.Nhấp vào đây để thực hiện thí nghi ệm. Vào năm 1900, Planck đ ã giả thuyết rằng bức xạ nhiệt được phát ra t ừ bềmặt đun nóng thành nh ững lượng năng lư ợng nhỏ rời rạc được gọi là lượng tử.Năng lượng của những lượng tử này là E=h υ, ở đây υ là tần số của bức xạ và hđược gọi là hằng số Planck (h=6,625.10 –34 J-s). Sau đó vào năm 1905, Einstein đ ãgiải thích hiệu ứng quang đi ện bằng cách gi ả thiết rằng năng lượng trong sóng ánhsáng bao g ồm những lượng nhỏ rời rạc. Những lượng nhỏ rời rạc này được gọi làphoton có năng lư ợng là E=h υ. Do đó, một photon với năng lượng đủ lớn mới cóthể va chạm vào electron ở bề mặt vật liệu. Năng lư ợng nhỏ nhất để bứt electron rakhỏi bề mặt được gọi là công thoát c ủa vật liệu. Và phần năng lư ợng dư sẽ biến thành động năng c ủa electron quang. K ết quảnày đã được xác nh ận bằng thực nghiệm và được minh họa trong hình 2.1. Hi ệuứng quang đi ện chứng tỏ bản chất gián đo ạn của photon và ch ứng minh hành vigiống hạt của photon. Động năng c ực đại của electron quang có th ể viết là 1 2 Tmax m hv hv0 (2.1) 2 là năng lượng photon t ới và h 0 là năng lư ợng cực tiểu, hoặc công thoátở đây hcần để bứt electron ra kh ỏi bề mặt.2.1.2 Lưỡng tính sóng -hạt Chúng ta dã th ấy trong ph ần trước rằng trong hi ệu ứng quang đi ện, sóng ánhsáng hành x ử như thể chúng là h ạt. Hành vi gi ống như hạt của sóng đi ện từ cũng làcông cụ để giải thích hi ệu ứng Compton. Trong thí nghi ệm này, chùm tia X đư ợcchiếu tới chất rắn. Một phần của chùm tia X b ị lệch và tần số của sóng lệ ...