物理学教案模板（精选多篇）

推荐第1篇：课改物理学教案

牛顿第一定律教案

（一）引入新课

开门见山，阐述课题：前面几章学习了运动和力基础知识，这一章开始我们研究力和运动的关系。第一节课我们来学习牛顿第一定律。

（二）进行新课

教师活动：多媒体播放古代人劳动的漫画：

边播放边说，人推车走，不推车停，由此看来必须有力作用在物体上，物体才运动，没有力作用在物体上，物体就不运动——这是两千多年前亚里士多德说的，不是我说的。是这样吗？

学生活动：学生观看漫画：人推着车子，汗流侠背，推车的人放下车，一边擦汗，一边叹气。 通过看漫画思考问题。

教师活动：下面你就利用桌子上的器材来研究一下这个问题。 让学生利用桌子上的器材，自主设计实验，分别研究： l、力推物动，力撤物停。

2、力撤物不停。

教师巡回指导，提出问题：物体的运动是不是一定需要力？ 学生活动：利用桌子上的器材：小车、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺。做实验：

1、桌子上铺毛巾，小车放在毛巾上，推它就动，不推就停。

2、撤去毛巾，让小车在桌面上，推一下小车，小车运动一段才停下来。

教师活动：你还能举出其他的例子来说明这个问题吗？ 刚才的两个实验为什么会出现两种现象呢？矛盾出在哪呢？

学生活动：学生举例讨论，比如：自行车蹬一段时间后停止蹬车，自行车会滑行一段距离；溜冰；冰面上踢出去的冰块。等等。

点评：通过举例进一步理解物体的运动不需要力来维持。 教师活动：引导学生进行实验对比。通过对比实验可以进行逻辑推理，如果接触面非常光滑没有摩擦，那小球会怎样？ 学生活动：用小球做对比实验

A、使斜槽和桌面吻合，让小球从斜槽上滚下，标出滚动距离。B、在桌面上放玻璃板，使斜槽和玻璃板吻合，让小球从同样的高度滚下，标出滚动的距离。

对比发现，接触面越光滑，滚动距离越远。［总结得出］小球运动停下来的原因是摩擦力。如果接触面非常光滑小球会永不停止。

点评：

1、对比实验，找出问题的本质．从而理解物体的运动和力的关系．

2、在对比实验的基础上进行合理的逻辑推理． 教师活动：在学生回答的基础上，结合实验进一步总结：（并板书） 物体的运动是不需要力来维持的。（力撤物停的原因是因为摩擦力。如果没有摩擦力，运动的物体会一直运动下去）。最早发现这一问题的科学家是伽利略。伽利略是怎么研究这个问题的呢？

教师活动：边介绍边用多媒体播放伽利略的理想实验。要动态出以下效果：

（1）对称斜面，没有摩擦小球滚到等高。

（2）减小另一侧斜面倾角，小球从同一位置释放要滚到等高，滚动距离就会越远。

（3）把另侧斜面放平，小球要到等高，就会一直滚下去。 根据这一现象伽利略得出了什么样的结论？ 学生活动：观察并回答提出的问题： 运动的物体如果不受力物体将匀速运动下去。

点评：通过观察伽利略的理想实验，启发学生在研究科学问题时大胆的设想和科学的推理都是很有必要的。 教师活动：用气垫导轨消除摩擦。让滑块在导轨上滑动，利用光电门测出滑块在不同位置的速度。

学生活动：学生记录数据并比较。确信他的正确性。 教师活动：引导学生认识、总结力和运动的关系。 让学生阅读课文找出： l、伽利略的观点。

2、笛卡儿的补充和完善。

3、牛顿第一定律。

对比三个人的观点，他们都是叙述力和运动关系的，谁的更全面？ 学生活动：阅读课文，回答问题。

1、伽利略：物体不受力时，运动的物体一直作匀速直线运动。

2、笛卡儿：物体不受力时，物体将永远保持静止或运动状态。

教师活动：既然牛顿第一定律是最完善的，那么它从几个方面阐述了力和运动的关系？ 在学生回答的基础上，进一步总结：力不是维持物体运动状态的原因，力是改变运动状态的原因。

运动状态是指什么？

学生讨论回答：两个方面：不受力时，物体保持匀速直线运动状态或静止状态；受力时，力迫使它改变运动状态。 运动状态：速度的大小和方向。

点评：培养学生理解问题时能力。

教师活动：牛顿第一定律可不可以用实验来验证？ 什么时候可以看作不受力并举例说明。

学生活动：学生回答不能。因为不受力作用的物体是不存在的。 受力但合力为零时。比如：冰面上的滑动的冰块。冰壶球。 点评：培养学生刨根问底的严谨态度。 教师活动：牛顿定律又叫惯性定律，惯性是指什么？ 你又怎样理解这种性质呢？举例说明。

因为这是一个新概念，学生刚接受可能不是很好理解。通过实验来进一步的理解。

在小车上放一高的木块，让小车在光滑的玻璃上运动，前面固定一物块，当车运动到物块时被挡住，车上的木块前倾。为什么？ 再如，人站在匀速行使的车厢内竖直向上跳起，仍会落到原地。这都是惯性。

再让学生举例，学生就必然入门了。

学生活动：学生观察并思考，再进一步理解惯性：是指物体具有保持原来运动状态或静止状态的性质。 教师活动：列举惯性利用和危害的事例。

点评：通过生活中的例子进一步理解惯性。 教师活动：进一步总结：物体不受力时将保持匀速直线运动状态或静止状态，理解时可认为不受力和合力为零效果是一样的，如果某个方向不受力，那么在这个方向物体也会保持匀速直线运动状态或静止状态。培养学生灵活运用物理规律解决问题的能力。

教师活动：一切物体都具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，当力使它改变这种状态时，它就会有抵抗运动状态改变的的“本领”。这个本领与什么有关呢？比如货车启动时，由静止到运动得需要一段时间，是空车好启动还是满载时？你还能举出什么例子来？ 学生活动：学生思考

比如骑自行车，单人时和带人时的感觉相比。 从实例可看出，运动状态变化的难易程度与质量有关。 教师演示：弹簧穿过一细线与两质量不同的小车相连，剪断细线，观察小车的运动。

点评：通过生活中的一些例子理解惯性大小与质量有关．

（三）课堂总结、点评 教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。 学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。 点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。教师要放开，计学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。

（四）实例探究 ☆对惯性的理解

1、被踢出去的冰块在摩擦力可以忽略的冰面上运动受没受向前的力？为什么能够向前运动？

2、船在水中匀速行驶，一人站在船尾向上竖直跳起，它会落入水中吗？为什么？

3、为什么跳远运动员要助跑才能跳的远些？

4、在一向北匀速直线行驶的火车车厢中，一小球静止在水平桌面上，当坐在桌旁的人看到小球向南滚动时，火车做什么运动？

推荐第2篇：物理学

物理学是研究自然界的物质结构、物体间的相互作用和物体运动最一般规律的自然科学。物理学是自然科学中最基础的学科之一。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。 物理学有五个基本分支：力学，热学，电磁学，光线，原子物理学。

你所知道的物理学家。

推荐第3篇：物理学

物理学

学科：理学

门类：物理学类

专业名称：物理学

业务培养目标：本专业培养掌握物理学的基本理论与方法，具有良好的数学基础和实验技能，能在物理学或相关的科学技术领域中从事科研、教学、技术和相关的管理工作的高级专门人才。

业务培养要求：本专业学生主要学习物质运动的基本规律，接受运用物理知识和方法进行科学研究和技术开发训练，获得基础研究或应用基础研究的初步训练，具备良好的科学素养和一定的科学研究与应用开发能力。

毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

1．掌握数学的基本理论和基本方法，具有较高的数学修养；

2．掌握坚实的、系统的物理学基础理论及较广泛的物理学基本知识和基本实验方法，具有一定的基础科学研究能力和应用开发能力；

3．了解相近专业的一般原理和知识；

4．了解物理学发展的前沿和科学发展的总体趋势；

5．了解国家科学技术、知识产权等有关政策和法规；

6．掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有-定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。

主干学科：物理学

主要课程：高等数学、普通物理学、数学物理方法、理论力学、热力学与统计物理、电动力学、量子力学、固体物理学、结构和物性、计算物理学入门等。

主要实践性教学环节：包括生产实习，科研训练，毕业论文等，一般安排10-20周。

修业年限：四年

授予学位：理学学士

开设院校

全部高校>>北京工业大学 哈尔滨工业大学 北京交通大学 中央民族大学 辽宁大学 北京大学 云南大学 河北工业大学 中国人民大学 北京师范大学 内蒙古大学 长安大学 武汉大学 北京航空航天大学 河北大学 大连海事大学 西北大学 湖南大学 北京邮电大学 河北科技大学

推荐第4篇：《半导体物理学》课程辅导教案

《半导体物理学》课程辅导教案

关于教案的几点说明: 教案的基本内容:包括课程的课程重点,课程难点,基本概念,基本要求,参考资料,思考题和自测题,教学进度及学时分配.教材:采用高等学校工科电子类(电子信息类)规划教材《半导体物理学》,由刘思科,朱秉升,罗晋生等编写.本教材多次获奖,如全国高等学校优秀教材奖,电子类专业优秀教材特等奖,普通高等学校教材全国特等奖.

参考资料(书目) 叶良修(北大)《半导体物理学》 刘文明(吉大)《半导体物理学》 顾祖毅(清华)《半导体物理学》

格罗夫(美)A.S.Grove《半导体器件物理与工艺》 王家骅(南开)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《现代半导体器件物理》

目录

第一章 半导体中的电子状态

§1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 §1.2 半导体中的电子状态

§1.3 电子在周期场中的运动——能带论

§1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 §1.5 半导体的导电机构 §1.6 回旋共振 §1.7 硅和锗的能带结构 §1.8 化合物半导体的能带结构 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 §2.1 硅,锗晶体中的杂质能级 §2.2 化合物半导体中的杂质能级 §2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels) 第三章 半导体中热平衡载流子的统计分布 §3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度 §3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 §3.3 本征半导体的载流子浓度 §3.4 杂质半导体的载流子浓度 §3.5 一般情况下地载流子统计分布 §3.6 简并半导体 第四章 半导体的导电性 §4.1 载流子的漂移运动,迁移率 §4.2 载流子的散射

§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 §4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 §4.6 强电场效应,热载流子 §4.7 耿氏效应,多能谷散射 第五章 非平衡载流子 §5.1 非平衡载流子的注入 §5.2 非平衡载流子的复合和寿命 §5.3 准费米能级 §5.4 复合理论 §5.5 陷阱效应 §5.6 载流子的扩散运动

§5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 §5.8 连续性方程及其应用 第六章 p–n结

§6.1 p–n结及其能带图 §6.2 p–n结电流电压特性 §6.3 p–n结电容 §6.4 p–n结击穿 §6.5(*) p–n结隧道效应

第一章 半导体中的电子状态 §1.1 晶体结构预备知识 半导体晶体结构 ◆本节内容:

14学时 微14学时）（光 1.晶体结构的描述(有关的名词) 格点:空间(一维或多维)点阵中的点(结点) 晶列:通过任意;两格点所作的(晶列上有一系列格点) 晶向:在坐标系中晶列的方向(确定晶向的方法待定)用晶向指数表示;如[110].晶面:通过格点作的平面.一组平行的晶面是等效的,其中任意两晶面上的格点排列是相同的,且面间距相等.晶面用晶面指数(密勒指数)表示,如(111),(100)…… 反映晶体周期性的重复单元,有两种选取方法: 在固体物理学中——选取周期最小的重复单元,即原胞.在晶体学中——由对称性取选最小的重复单元,即晶胞(单胞) 基矢:确定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢为周期排列,因此,基矢的大小又成为晶格常数.晶轴:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢为坐标轴——晶轴 格矢:在固体物理学中,选某一格点为原点O,任一格点A的格矢 =++,,,为晶轴上的投影,取整数,,,为晶轴上的单位矢量.在结晶学中(用的较多),选某一格点为原点O,任一格点A的格矢 =++,,,为对应晶轴上的投影,取有理数,,,为晶轴上的单位矢量.晶列指数及晶向:格矢在相应晶轴上投影的称作晶列指数,并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固体物理学中,表示为[ ],投影为负值时,l的数字上部冠负号.等效晶向用表示.晶面:通过格点作的平面,用晶面指数表示.晶面指数:表示晶面的一组数.晶向与晶面的关系:在正交坐标系中,晶面指数与晶面指数相同时,晶向垂直于晶面.2.几种晶格结构 结晶学晶胞: 简立方:立方体的八个顶角各有一个原子.体心立方:简立方的中心加进一个原子.面心立方:简立方的六个面的中心各有一个原子.金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线相对位移体对角线的套构而成.每个晶胞含原子数:8(顶角)+6(面心)+4(体心)=8个 如果只考虑晶格的周期性,可用固体物理学原胞表示: 简立方原胞:与晶胞相同,含一个原子.体心立方原胞:为棱长a的简立方,含一个原子.面心立方原胞:为棱长a的菱立方,由面心立方体对角线的;两个原子和六个面心原子构成,含一个原子.金刚石结构原胞:为棱长a的菱立方,由体对角线的两个原子和六个面心原子构成棱立方,其内包含一个距顶角体对角线的原子,因此,原胞共含有2个原子.3.半导体硅,锗的晶体结构(金刚石型结构) 4.闪锌矿型结构

◆课程重点:半导体硅,锗的晶体结构(金刚石型结构)及其特点;半导体的闪锌矿型结构及其特点.◆课程难点: 1.描述晶体的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞区分开.在固体物理学中,只强调晶格的周期性,其最小重复单元为原胞,例如金刚石型结构的原胞为棱长a的菱立方,含有两个原子;在结晶学中除强调晶格的周期性外,还要强调原子分布的对称性,例如同为金刚石型结构,其晶胞为棱长为a的正立方体,含有8个原子.2.闪锌矿型结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金刚石型结构一样,都是由两个面心立方晶格套构而成,称这种晶格为双原子复式格子.如果选取只反映晶格周期性的原胞时,则每个原胞中只包含两个原子,一个是Ⅲ族原子,另一个是Ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元,但二者有所不同.在固体物理学中,原胞只强调晶格的周期性;而在结晶学中,晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性.◆基本要求:记住晶向与晶面的关系;熟悉金刚石型结构与闪锌矿型结构晶胞原子的空间立体分布及硅,锗,砷化镓晶体结构特点,晶格常数,原子密度数量级(个原子/立方厘米).

§1.2半导体中的电子状态 ◆本节内容: 1 原子中的电子状态 1.1玻耳的氢原子理论 1.2玻耳氢原子理论的意义

1.3氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径 1.4索末菲对玻耳理论的发展 1.5量子力学对半经典理论的修正 1.6原子能级的简并度 2 晶体中的电子状态 2.1电子共有化运动

2.2电子共有化运动使能级分裂为能带 3 半导体硅,锗晶体的能带 3.1硅,锗原子的电子结构 3.2硅,锗晶体能带的形成 3.3半导体(硅,锗)的能带特点 ◆课程重点: 1.氢原子能级公式 =-,氢原子第一玻耳轨道半径 =,这两个公式还可用于类氢原子(今后用到) 量子力学认为微观粒子(如电子)的运动须用波函数来描述,经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方.电子的状态可用四个量子数表示.晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动 半导体(硅,锗)能带的特点: 存在轨道杂化,失去能级与能带的对应关系.杂化后能带重新分开为上能带和下能带,上能带称为导带,下能带称为价带

低温下,价带填满电子,导带全空,高温下价带中的一部分电子跃迁到导带,使晶体呈现弱导电性.导带与价带间的能隙(Energy gap)称为禁带(forbidden band).禁带宽度取决于晶体种类,晶体结构及温度.当原子数很大时,导带,价带内能级密度很大,可以认为能级准连续

◆课程难点:原子能级的简并度为(2l+1),若记入自旋,简并度为2(2l+1);注意一点,原子是不能简并的.◆基本概念:电子共有化运动:原子组成晶体后,由于原子壳层的交叠,电子不再局限在某一个原子上,可以由一个原子转移到另一个原子上去,因而,电子将可以在整个晶体中运动,这种运动称为电子的共有化运动.但须注意,因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量,电子只能在相似壳层中转移.◆基本要求:掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式;掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点;掌握硅,锗能带的特点.

§1.3 电子在周期场中的运动——能带论 ◆本节内容: 1.自由电子的运动 电子在周期场中的运动 能带理论的应用 ◆课程重点: 熟悉晶体中电子的运动与孤立原子的电子和自由电子的运动有何不同:孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动,自由电子是在恒定为零的势场中运动,而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动,单电子近似认为,晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动,这个势场也是周期性变化的,而且它的周期与晶格周期相同.自由电子的运动状态:对于波矢为k的运动状态,自由电子的能量E,动量p,速度v均有确定的数值.因此,波矢k可用以描述自由电子的运动状态,不同的k值标志自由电子的不同状态,自由电子的E和k的关系曲线,呈抛物线形状.由于波矢k的连续变化,自由电子的能量是连续能谱,从零到无限大的所有能量值都是允许的.晶体中的电子运动服从布洛赫定理:晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播.这个波函数称为布洛赫波函数.求解薛定谔方程,得到电子在周期场中运动时其能量不连续,形成一系列允带和禁带.一个允带对应的K值范围称为布里渊区.用能带理论解释导带,半导体,绝缘体的导电性.◆课程难点: 布洛赫波函数的意义:晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数与自由电子的波函数形式相似,代表一个波长为1/k而在k方向上传播的平面波,不过这个波的振幅(x)随x作周期性的变化,其变化周期与晶格周期相同.所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的平面波在晶体中传播.显然,若令(x)为常数,则在周期性势场中运动的电子的波函数就完全变为自由电子的波函数了.其次,根据波函数的意义,在空间某一点找到电子的几率与波函数在该点的强度(即||=)成比例.对于自由电子,||=A,即在空间各点波函数的强度相等,故在空间各点找到电子的几率相同,这反映了电子在空间中的自由运动,而对于晶体中的电子,||=|(x)(x)|,但(x)是与晶格同周期的函数,在晶体中波函数的强度也随晶格周期性变化,所以在晶体中各点找到该电子的几率也具周期性变化的性质.这反映了电子不再完全局限在某一个原子上,而是可以从晶胞中某一点自由地运动到其它晶胞内的对应点,因而电子可以在整个晶体中运动,这种运动成为电子在晶体内的共有化运动.组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相似,常称为准自由电子.而内层电子的共有化运动较弱,其行为与孤立原子中的电子相似.最后,布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数的一样,它描述晶体中电子的共有化运动状态,不同的k的标志着不同的共有化运动状态.金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体,(见讲义图1-11),要注意图中特殊点的位置.◆基本概念及名词术语: 能带产生的原因: 定性理论(物理概念):晶体中原子之间的相互作用,使能级分裂形成能带.定量理论(量子力学计算):电子在周期场中运动,其能量不连续形成能带.能带(energy band)包括允带和禁带.允带(allowed band):允许电子能量存在的能量范围.禁带(forbidden band):不允许电子存在的能量范围.允带又分为空带,满带,导带,价带.空带(empty band):不被电子占据的允带.满带(filled band):允带中的能量状态(能级)均被电子占据.导带(conduction band):电子未占满的允带(有部分电子.) 价带(valence band):被价电子占据的允带(低温下通常被价电子占满).用能带理论解释导体,半导体,绝缘体的导电性: 固体按其导电性分为导体,半导体,绝缘体,其机理可以根据电子填充能带的情况来说明.固体能够导电,是固体中的电子在外场的作用下定向运动的结果.由于电场力对电子的加速作用,使电子的运动速度和能量都发生了变化.换言之,即电子与外电场间发生能量交换.从能带论来看,电子的能量变化,就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去.对于满带,其中的能级已被电子所占满,在外电场作用下,满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献,通常原子中的内层电子都是占据满带中的能级,因而内层电子对导电没有贡献.对于被电子部分占满的能带,在外电场作用下,电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的的能级去,起导电作用,常称这种能带为导带.金属中,由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的,所以金属是良好的导电体.半导体和绝缘体的能带类似,即下面是已被价电子占满的满带(其下面还有为内层电子占满的若干满带),亦称价带,中间为禁带,上面是空带.因此,在外电场作用下并不导电,但是这只是绝对温度为零时的情况.当外界条件发生变化时,例如温度升高或有光照时,满带中有少量电子可能被激发到上面的看到中去,使能带底部附近有了少量电子,因而在外电场作用下,这些电子将参与导电;同时,满带中由于少了一些电子,在满带顶部附近出现了一些空的量子状态,满带变成了部分占满的能带,在外电场作用下,仍留在满带中的电子也能够起导电作用,满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用,常称这些空的量子状态为空穴.所以在半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电,这是与金属导体的最大差别.绝缘体的禁带宽度很大,激发电子需要很大的能量,在通常温度下,能激发到导带中的电子很少,所以导电性很差.半导体禁带宽度比较小,数量级在1eV左右,在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去,所以具有一定的导电能力,这是绝缘体和半导体的主要区别.室温下,金刚石的禁带宽度为6～7eV,它是绝缘体;硅为1.12eV,锗为0.67eV,砷化镓为1.43eV,所以它们都是半导体.共价键理论: 共价键理论能够比较简单,直观,较好地解释晶体的某些性质.⑴共价键理论主要有三点: 晶体的化学键是共价键,如 Si,Ge.共价键上的电子处于束缚态,不能参与导电.处于束缚态的价电子从外界得到能量,有可能挣脱束缚成为自由电子,参与导电.⑵共价键理论应用 解释半导体掺杂的敏感性

例:掺入替位式五价元素,可提供导电电子; 掺入替位式三价元素,可提供导电空穴.解释半导体的热敏性,光敏性等.⑶两者理论的比较(能带理论与共价键理论的对应关系) 能带理论 共价键理论 价带中电子 共价键上的电子

导带中电子 挣脱共价键的电子(变为自由电子) 禁带宽度 键上电子挣脱键束缚所需的能量 定量理论 定性理论 (4)本征激发: 共价键上的电子激发成为准自由电子,亦即价带电子吸收能量被激发到导带成为导带电子的过程,称为本征激发.这一概念今后经常用到.

§1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 ◆本节内容: 导带中E(k)与k的关系 价带顶附近电子的运动 有效质量的意义 ◆课程重点: 掌握半导体中求E(k)与k的关系的方法:晶体中电子的运动状态要比自由电子复杂得多,要得到它的E(k)表达式很困难.但在半导体中起作用地是位于导带底或价带顶附近的电子.因此,可采用级数展开的方法研究带底或带顶E(k)关系.电子有效质量=/(一维情况),注意,在能带底是正值,在能带顶是负值.电子的速度为v=,注意v可以是正值,也可以是负值,这取决于能量对波矢的变化率.引入电子有效质量后,半导体中电子所受的外力与加速度的关系具有牛顿第二定律的形式,即a=f/.可见只是以有效质量代换了电子惯性质量.空穴的概念:在牛顿第二定律中要求有效质量为正值,但价带顶电子的有效质量为负值.这在描述价带顶电子的加速度遇到困难.为了解决这一问题,引入空穴的概念.价带中不被电子占据的空状态 价带顶附近空穴有效质量 >0 数值上与该处的电子有效质量相同,即=->0 ,空穴带电荷+q(共价键上少一个电子,破坏局部电中性,显正电).③空穴的能量坐标与电子的相反,分布服从能量最小原理.有效质量的意义:在经典牛顿第二定律中a=,式中f是外合力,是惯性质量.但半导体中电子在外力作用下,描述电子运动规律的方程中出现的是有效质量,而不是电子的惯性质量.这是因为外力f并不是电子受力的总和,半导体中的电子即使在没有外加电场作用时,它也要受到半导体内部原子及其它电子的势场作用.当电子在外力作用下运动时,它一方面受到外电场力f的作用,同时还和半导体内部原子,电子相互作用着,电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果.但是,要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到一定的困难,引进有效质量后可使问题变得简单,直接把外力f和电子的加速度联系起来,而内部势场的作用则由有效质量加以概括.因此,引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动运动规律时,可以不涉及到半导体内部势场的作用.特别是可以直接由实验测定,因而可以很方便地解决电子的运动规律.在能带底部附近,E/d>0,电子的有效质量是正值;在能带顶附近,E/d

导电机构(电子导电,空穴导电) ◆课程重点: 满带中的电子不导电:电子可以在晶体中作共有化运动,但是,这些电子能否导电,还必须考虑电子填充能带的情况,不能只看单个电子的运动.研究发现,如果一个能带中所有的状态都被电子占满,那么,即使有外加电场,晶体中也没有电流,即满带电子不导电.只有虽包含电子但并未填满的能带才有一定的导电性,即不满的能带中的电子才可以导电.绝对温度为零时,纯净半导体的价带被价电子填满,导带是空的.在一定的温度下,价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部附近,在外电场作用下,导带中电子便参与导电.因为这些电子在导带底部附近,所以,它们的有效质量是正的.同时,价带缺少了一些电子后也呈不满的状态,因而价带电子也表现出具有导电的特性,它们的导电作用常用空穴导电来描写.本征半导体的导电机构:对本征半导体,导带中出现多少电子,价带中就对应出现多少空穴,导带上电子参与导电,价带上空穴也参与导电,这就是本征半导体的导电机构.这一点是半导体同金属的最大差异,金属中只有电子一种荷载电流的粒子(称为载流子),而半导体中有电子和空穴两种载流子.正是由于这两种载流子的作用,使半导体表现出许多奇异的特性,可用来制造形形色色的器件.◆课程难点:价带电子导电通常用空穴导电来描述.实践证明,这样做是时分方便的.但是,如何理解空穴导电 设想价带中一个电子被激发到价带,此时价带为不满带,价带中电子便可导电.设电子电流密度密度为J,则 J=价带(k状态空出)电子总电流

可以用下述方法计算出J的值.设想以一个电子填充到空的k状态,这个电子的电流等于电子电荷-q乘以k状态电子的速度v(k),即 k状态电子电流=(-q)v(k) 填入这个电子后,价带又被填满,总电流应为零,即 J+(-q)v(k)=0 因而得到 J=(+q)v(k) 这就是说,当价带k状态空出时,价带电子的总电流,就如同一个正电荷的粒子以k状态电子速度v(k)运动时所产生的电流.因此,通常把价带中空着的状态看成是带正电的粒子,称为空穴.引进这样一个假象的粒子――空穴后,便可以很简便地描述价带(未填满)的电流.◆基本概念: 载流子:晶体中荷载电流(或传导电流)的粒子.金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴.◆基本要求:掌握半导体的导电机构,正确理解空穴的导电机理.

§1.6 回旋共振 ◆本节内容: k空间等能面 回旋共振

◆课程重点: 利用回旋共振实验测量有效质量.◆课程难点:回旋共振原理及条件.◆基本概念:回旋共振实验的目的是测量电子的有效质量,以便采用理论与实验相结合的方法推出半导体的能带结构.为能观测出明显的共振吸收峰,就要求样品纯度要高,而且实验一般在低温下进行,交变电磁场的频率在微波甚至在红外光的范围.实验中常是固定交变电磁场的频率,改变磁感应强度以观测吸收现象.磁感应强度约为零点几T.等能面的形状与有效质量密切相关,对于球形等能面,有效质量各向同性,即只有一个有效质量;对于椭球等能面,有效质量各向异性,即在不同的波矢方向对应不同的有效质量(可参考下节内容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半导体材料,其能带结构不同,而且往往是各向异性的,即沿不同的波矢方向,E～k关系不同.E～k关系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振实验原理及实验条件.

§1.7 硅和锗的能带结构 ◆本节内容: 硅和锗的导带结构 硅和锗的价带结构 ◆课程重点: 回旋共振的实验发现,硅,锗电子有效质量各向异性,说明其等能面各向异性.通过分析,硅有六个椭球等能面,分别分布在晶向的六个等效晶轴上,电子主要分布在这六个椭球的中心(极值)附近.仅从回旋共振的实验还不能决定导带极值(椭球中心)的确定位置.通过施主电子自旋共振实验得出,硅的导带极值位于方向的布里渊区边界的0.85倍处.n型锗的实验指出,锗的导电极小值位于方向的布里渊区边界上共有八个.极值附近等能面为沿方向旋转的八个椭球面,每个椭球面有半个在布里渊区,因此,在简约布里渊区共有四个椭球.硅和锗的价带结构:有三条价带,其中有两条价带的极值在k=0处重合,有两种空穴有效质量与之对应,分别为重空穴和轻空穴,还有第三个价带,其带顶比前两个价带降低了,对于硅,=0.04ev,对于锗=0.29ev,这条价带给出了第三种空穴.空穴重要分布在前两个价带.在价带顶附近,等能面接近平面.在硅,锗的能带图中指出导带底和价带顶的位置及禁带宽度.◆课程难点:对E(k)表达式和回旋共振实验有效质量表达式的处理.在k空间合理的选取坐标系,可是问题得到简化.如选取为能量零点,以为坐标原点,取,,为三个直角坐标轴,分别与椭球主轴重合,并使轴沿椭球长轴方向(即沿方向),则等能面分别为绕轴旋转的旋转椭球面.E(k)表达式简化为E(k)=;如果,轴选取恰当,计算可简单,选取使磁感应强度B位于轴和轴所组成的平面内,且同轴交角,则在这个坐标系里,B的方向余弦,,分别为=sin,=0,=cos ◆基本概念:横向有效质量沿椭球短轴方向,纵向有效质量沿椭球长轴方向.◆基本要求: 掌握硅,锗的能带结构,注意它们导带底和价带顶所处的位置.

§1.8 化合物半导体的能带结构 ◆本节内容: 化合物半导体的种类 化合物半导体的共同特性 化合物半导体能带结构的一般特征 锑化铟的能带结构 砷化镓的能带结构 磷化镓和磷化铟的能带结构 混合晶体的能带结构

◆课程重点:砷化镓的能带结构:导带极小值位于布里渊区中心k=0处,等能面为球面,导带底电子有效质量为0.067.在方向布里渊区边界还有一个导带极小值,极值附近的曲线的曲率比较小,所以此处电子有效质量比较大,约为0.55,它的能量比布里渊区中心极小值的能量高0.29ev.正是由于这个能谷的存在,使砷化镓具有特殊的性能(见第四章).价带结构与硅,锗类似.室温下禁带宽度为1.424ev.◆课程难点:无

说明:半导体的禁带宽度随温度变化,有两种计算方法,即 和

均为经验公式.◆基本概念:直接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应同一波矢;间接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化镓的能带结构,了解化合物半导体能带结构的一般特征.

第一章思考题与自测题: 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同

2.晶体体积的大小对能级和能带有什么影响

3.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性

4.一般来说,对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此 为什么

5.有效质量对能带的宽度有什么影响 有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄."是否如此 为什么

6.简述有效质量与能带结构的关系

7.对于自由电子,加速反向与外力作用反向一致,这个结论是否适用于布洛赫电子

8.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化 外场对电子的作用效果有什么不同

9.试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性

10.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系 为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度

11.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述

12.有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍.这两块晶体价带中的能级数是否相等 彼此有何联系

13.说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同.14.为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变存储反向时只能观察到一个共振吸收峰

第二章 半导体中杂质和缺陷能级 （光4学时 微5学时）

引言: 理想半导体:1,原子严格地周期性排列,晶体具有完整的晶格结构.2,晶体中无杂质,无缺陷.3电子在周期场中作共有化运动,形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上,禁带中无能级.由本征激发提供载流子

晶体具有完整的(完美的)晶格结构,无任何杂质和缺陷——本征半导体.(纯净半导体中,的位置和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的) 实际材料中,1,总是有杂质,缺陷,使周期场破坏,在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中,对半导体的性质起着决定性的影响.2,杂质电离提供载流子.

§2.1 硅 锗晶体中的杂质能级 ◆本节内容: 晶体中杂质基本情况

1.1 杂质来源 1.2 人为掺杂的目的 1.3 掺杂的方法

1.4 杂质在晶体中的位置(替位和间隙) 1.5 杂质浓度

硅,锗晶体中的施主杂质和受主杂质及其电离能 2.1 施主杂质及其电离能 2.2 受主杂质及其电离能

浅能级杂质电离能计算——类氢模型 3.1 施主杂质电离能计算 3.2 受主杂质电离能计算 杂质补偿作用 深能级杂质 5.1 深能级杂质特点

5.2深能级杂质产生多重能级的原因 5.3深能级杂质对半导体性能的影响 ◆课程重点: 在纯净的半导体中掺入一定的杂质,可以显著地控制半导体地导电性质.根据掺入杂质地分布位置可以分为替位式杂质和受主杂质.施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子,同时向导带提供电子,使半导体成为电子导电的n型半导体.受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子,同时向价带提供空穴,使半导体成为空穴导电的p型半导体.杂质元素掺入半导体后,由于在晶格势场中引入微扰,使能带极值附近出现分立的能级——杂质能级.V族元素在靠近导带底的禁带中引入施主能级,Ⅲ族元素在靠近价带顶的禁带中引入受主能级.类氢模型对浅能级的位置给出了比较满意的定量描述.经过修正后,施主杂质的电离能和轨道半径可以表示为: ,

受主杂质的电离能可以表示为:

式中,为氢原子的基态电离能;为晶体的相对介电常数.施主杂质和受主杂质有相互抵消作用,通常称为"杂质补偿"."杂质补偿"是制造各种半导体器件的基础.非Ⅲ,Ⅴ族杂质元素在半导体中也可能会产生能级或多能级.例如:金Au在硅中电离后产生两个能级,一个在价带上面0.35ev处的施主能级,它在P型硅中起主要作用.另一个在导带下面0.54ev处的受主能级,它在n型硅中起主要作用.6,深能级杂质和晶体缺陷形成的能级一般作为复合中心.◆课程难点:用类氢模型计算浅能级杂质的电离能;解释金在锗中产生多重能级的原因:金是Ⅰ族元素,中性金原子(记为)只有一个价电子,它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上.金比锗少三个价电子,中性金原子的这一个价电子,可以电离而跃迁入导带,这一施主能级为,因此,电离能为().因为金的这个价电子被共价键所束缚,电离能很大,略小于锗的禁带宽度,所以,这个施主能级靠近价带顶.电离以后,中性金原子接受就称为带一个电子电荷的正电中心.但是,另一方面,中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键,在形成共价键时,它可以从价带接受三个电子,形成,,三个受主能级.金原子接受第一个电子后变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).接受第二个电子后,变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).接受第三个电子后,变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).上述的,,分别表示成为带一个,两个,三个电子电荷的负电中心.由于电子间的库仑排斥作用,金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接受第一个电子时的大,接受第三个电子时的电离能又比接受第二个电子时的大,所以,>>.离价带顶相对近一些,但是比Ⅲ族杂质引入的浅能级还是深得多,更深,就几乎靠近导带底了.于是金在锗中一共有,,,,五种荷电状态,相应地存在着,,,四个孤立能级,它们都是深能级.以上的分析方法,也可以用来说明其它一些在硅,锗中形成深能级的杂质,基本上与实验情况相一致.◆基本概念: 施主杂质(n型杂质):杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电中心的杂质——施主杂质.施主杂质电离能:杂质价电子挣脱杂质原子的束缚成为自由电子所需要的能量——杂质电离能,用表示.正电中心:施主电离后的正离子——正电中心

施主能级:施主电子被施主杂质束缚时的能量对应的能级称为施主能级.对于电离能小的施主杂质的施主能级位于禁带中导带底以下较小底距离.受主杂质:能够向(晶体)半导体提供空穴并形成负电中心底杂质——受主杂质 受主杂质电离能:空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量.受主能级:空穴被受主杂质束缚时的能量状态对应的能级.浅能级杂质:电离能小的杂质称为浅能级杂质.所谓浅能级,是指施主能级靠近导带底,受主能级靠近价带顶.室温下,掺杂浓度不很高底情况下,浅能级杂质几乎可以可以全部电离.五价元素磷(P),锑()在硅,锗中是浅受主杂质,三价元素硼(B),铝(),镓(),铟()在硅,锗中为浅受主杂质.杂质补偿:半导体中存在施主杂质和受主杂质时,它们底共同作用会使载流子减少,这种作用称为杂质补偿.在制造半导体器件底过程中,通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率.高度补偿:若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等,则不能提供电子或空穴,这种情况称为杂质的高等补偿.这种材料容易被误认为高纯度半导体,实际上含杂质很多,性能很差,一般不能用来制造半导体器件.深能级杂质:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能级杂质有三个基本特点:一是不容易电离,对载流子浓度影响不大;二是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低(在第五章详细讨论).四是深能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减少,导电性能下降.◆基本要求:掌握浅能级杂质和深能级杂质的基本特点和在半导体中起的作用,特别注意金在硅中既有施主能级又有受主能级,它是有效的复合中心.

§2.2 化合物半导体中底杂质能级 ◆本节内容: 杂质在砷化镓中的存在形式

各类杂质在砷化镓,磷化镓中的杂质能级.◆课程重点:四族元素硅在砷化镓中的双性行为,即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用,当硅的浓度较高时,一部分硅原子将起到受主杂质作用.这种双性行为可作如下解释:实验测得硅在砷化镓中引入一浅施主能级(-0.002)ev,硅应起施主作用,那么当硅杂质电离后,每一个硅原子向导带提供一个导电电子,导带中的电子浓度应随硅杂质浓度的增加而线性增加.但是实验表明,当硅杂质浓度上升到一定程度之后,导带电子浓度趋向饱和,好像施主杂质的有效浓度降低了.这种现象的出现,是因为在硅杂质浓度较高时,硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用,而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用,因而对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用,从而降低了有效施主杂质的浓度,电子浓度趋于饱和.可见,在这个粒子中,硅杂质的总效果是起施主作用,保持砷化镓为n型半导体.实验还表明,砷化镓单晶体中硅杂质浓度为时,取代镓原子的硅施主浓度与取代砷原子的硅受主浓度之比约为5.3:1.硅取代砷所产生的受主能级在()ev处.◆课程难点:无

◆基本概念:等电子陷阱和等离子杂质在某些化合物半导体中,例如磷化镓中掺入V族元素氮或铋,氮或铋将取代磷并在禁带中产生能级.这个能级称为等离子陷阱.这种效应称为等离子杂质效应.所谓等离子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子,它们替代了格点上的同族原子后,基本上仍是电中性的.但是由于原子序数不同,这些原子的共价半径和电负性有差别,因而它们能俘获某种载流子而成为带电中心.这个带电中心就称为等离子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等离子陷阱呢 只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性,共价半径方面有较大差别时,才能形成等离子陷阱.一般说,同族元素原子序数越小,电负性越大,共价半径越小.等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时,取代后,它便能俘获电子成为负电中心.反之,它能俘获空穴成为正电中心.例如,氮的共价半径和电负性分别为0.070nm和3.0,磷的共价半径和电负性分别为0.110nm和2.1,氮取代磷后能俘获电子成为负电中心.这个俘获中心称为等离子陷阱.这个电子的电离能=0.008eV.铋的共价半径和负电性分别为0.146nm和1.9,铋取代磷后能俘获空穴,它的电离能是=0.038eV.◆基本要求:掌握等电子陷阱和等离子杂质的概念.能解释硅在砷化镓中的双性行为.

§2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels) ◆本节内容: 点缺陷(热缺陷)point defects/thermaldefects 1.1 点缺陷的种类: 弗仑克耳缺陷:原子空位和间隙原子同时存在 肖特基缺陷:晶体中只有晶格原子空位 间隙原子缺陷:只有间隙原子而无原子空位 1.2 点缺陷(热缺陷)特点: 热缺陷的数目随温度升高而增加

热缺陷中以肖特基缺陷为主(即原子空位为主).原因:三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可参阅刘文明《半导体物理学》p70～p73,或叶良修《半导体物理学》p24和p94) 淬火后可以"冻结"高温下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半导体器件生产工艺中,经高温加工(如扩散)后的晶片一般都需要进行退火处理.离子注入形成的缺陷也用退火来消除.1.3 点缺陷对半导体性质的影响: 缺陷处晶格畸变,周期性势场被破坏,致使在禁带中产生能级.热缺陷能级大多为深能级,在半导体中起复合中心作用,使非平衡载流子浓度和寿命降低.空位缺陷有利于杂质扩散

对载流子有散射作用,使载流子迁移率和寿命降低.位错(dislocation) 2.1 位错形成原因

2.2 位错种类:刃位错(横位错)和螺位错 2.棱位错对半导体性能的影响: 位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心,表现为受主;悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心,此时表现为施主,即不饱和的悬挂键具有双性行为,可以起受主作用,也可以起施主作用.位错线处晶格变形,导致能带变形 位错线影响杂质分布均匀性

位错线若接受电子变成负电中心,对载流子有散射作用.(第四章) 影响少子寿命,原因:一是能带变形,禁带宽度减小,有利于非平衡载流子复合;二是在禁带中产生深能级,促进载流子复合.(第五章) 偏离化学比缺陷:离子晶体或化合物半导体,由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷.◆课程重点:点缺陷和位错对半导体性能的影响(参阅本节内容).◆课程难点:无.◆基本要求:掌握点缺陷和位错缺陷对半导体性能的影响.

第二章思考题与自测题: 1.说明杂质能级以及电离能的物理意义.为什么受主,施主能级分别位于价带之上或导带之下,而且电离能的数值较小

2.纯锗,硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后,为什么使半导体电性能有很大的改变 杂质半导体(p型或n型)应用很广,但为什么我们很强调对半导体材料的提纯

3.把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中,杂质的电离能和轨道半径是否不同 把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中(例如锗和硅),杂质的电离能和轨道半径又是否都相同

4.何谓深能级杂质 它们电离以后有说明特点

5.为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级

6.说明掺杂对半导体导电性能的影响.7.说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同

8.什么叫杂质补偿 什么叫高度补偿的半导体 杂质补偿有何实际应用

第三章 半导体中热平衡载流子的统计分布

引言: 本章的主要任务:计算本征半导体和杂质半导体的热平衡载流子浓度及费米能级的位置,讨论,,与,,的关系.热平衡和热平衡载流子:在一定温度下,如果没有其它外界作用半导体中的导电电子和空穴是依靠电子的热激发作用而产生的,电子从不断热震动的晶格中获得一定的能量,就可能从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态,例如,电子从价带跃迁到导带(这就是本征激发),形成导电电子和价带空穴.电子和空穴也可以通过杂质电离方式产生,当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子;当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴等.与此同时,还存在着相反的过程,即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态,并向晶格放出一定能量,从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少,这一过程称为载流子的复合.在一定温度下,这两个相反的过程之间将建立起动态的平衡,称为热平衡状态.这时,半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子.当温度改变时,破坏了原来的平衡状态,又重新建立起新的平衡状态,热平衡载流子的浓度也将发生变化,达到另一稳定数值.解决问题的思路:热平衡是一种动态平衡,载流子在各个能级之间跃迁,但它们在每个能级上出现的几率是不同的.要讨论热平衡载流子的统计分布,是首先要解决下述问题: ①回顾几率的概念及几率的运算法则

载流子在允许的量子态上的分布函数(几率函数) 允许的量子态按能量如何分布——能量状态密度g(E) 载流子在允许的量子态中如何分布 然后讨论,,～,,T的关系

§3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度 (说明:本节内容对讲义§3.1和§3.2进行了整合) ◆本节内容: 几率的基本运算法则(简要回顾加法和乘法) 分布函数

2.1 Maxwell速率分布函数 2.2 Boltzmann能量分布函数

2.3 费米(Fermi)分布函数

能量状态密度 3.1 k空间的状态密度 3.2 导带和价带能量状态密度 ◆课程重点: 费米分布函数的意义:它表示能量为E的量子态被一个电子占据的几率,它是描写热平衡状态下电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数;费米分布函数还给出空穴占据各能级的几率,一个能级要么被电子占据,否则就是空的,即被空穴占据, 与对称于 可以证明:

这对研究电子和空穴的分布很方便.费米分布函数与波耳兹曼分布函数的关系: 当时,电子的费米分布函数转化为波耳兹曼分布函数.因为对于热平衡系统和温度为定值,则,这就是通常见到的波耳兹曼分布函数.同理,当时 ,空穴的费米分布函数转化为空穴的波耳兹曼分布函数.在半导体中,最常遇到的情况是费米能级位于价带内,而且与导带底或价带顶的距离远大于,所以,对导带中的所有量子态来说,被电子占据的几率,一般都满足,故半导体电子中的电子分布可以用电子的波耳兹曼分布函数描写.由于随着能量E的增大,f(E)迅速减小,所以导带中绝大多数电子分布在导带底附近.同理,对半导体价带中的所有量子态来说,被空穴占据的几率,一般都满足,故价带中的空穴分布服从空穴的波耳兹曼分布函数.由于随着能量E的增大,迅速增大,所以价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近.因而和是讨论半导体问题时常用的两个公式.通常把服从波耳兹曼统计率的电子系统称为非简并性系统.费米能级:称为费米能级或费米能量,它和温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量以及能量零点的选取有关.是一个很重要的物理参数,只要知道了的数值,在一定温度下,电子在各量子态上的统计分布就完全确定.它可以由半导体中能带内所以量子态中被电子占据的量子态数应等于电子总数N这一条件来决定,即,将半导体中大量电子的集体看成一个热力学系统,由统计理论证明,费米能级是系统的化学势,即,代表系统的化学势,F式系统的自由能.上式的意义是:当系统处于热平衡状态,也不对外界做功的情况下,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化,等于系统的化学势,所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级.一般可以认为,在温度不很高时,能量大于费米能级的电子态基本上没有被电子占据,而能量小于费米能级的几率在各温度下总是1/2,所以费米能级的位置比较直观的标志了电子占据量子态的状况,通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平.费米能级位置越高,说明有较多的能量较高的电子态上有电子.了计算电子和空穴的浓度,必须对一个能带内的所有能量积分,而不只是对布里渊区体积积分,为此引入状态密度概念即单位能量间隔内的量子态数.其表达式为:.可以通过下述步骤计算状态密度:首先算出单位k空间中的量子态数,即k空间中的状态密度;然后算出k空间中与能量E到E+dE间所对应的k空间体积,并和k空间中的状态密度相乘,从而求得在能量E到E+dE间的量子态数dE;最后,根据前式,求得状态密度g(E).◆课程难点: 能量状态密度与k空间量子态的分布即等能面的形状有关.在k 空间量子态的分布是均匀的,量子态的密度为V(立方晶体的体积).如果计入自旋,每个量子态可以允许两个自旋相反的电子占据一个量子态.换言之,k空间每个量子态实际上代表自旋方向相反的两个量子态,所以,在k空间,电子允许的量子态密度为2V.注意:这时每个量子态最多容纳一个电子.这样,与费米分布函数的定义就统一起来了(费米分布函数是能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率).状态密度表达式的推导过程作为课堂讨论的课程重点内容之一.◆基本概念:费米分布函数,k空间状态密度和能量状态密度的概念.◆基本要求:掌握费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及费米能级的意义.费米能级是一个参考能级,不是电子的真实能级,费米能级的位置标志了电子填充能级的水平.热平衡条件下费米能级为定值,费米能级的数值与温度,半导体材料的导电类型,杂质浓度及零点的选取有关,它是一个很重要的物理参数.要求学习好的同学能导出导带底能量状态密度的表达式.

§3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 ◆本节内容: 导带电子浓度 价带空穴浓度 ◆课程重点: 导出导带电子浓度和带空穴浓度表达式

理解,掌握电子浓度,空穴浓度表达式的意义(见基本要求) ◆课程难点:导出导带电子浓度的基本思路是:和计算状态密度是一样,认为能带中的能级是连续分布的,将能带分成一个个很小的能量间隔来处理.对导带分为无限多的无限小的能量间隔,则在能量到之间有个量子态,而电子占据能量为的量子态的几率是,则在到间有个被电子占据的量子态,因为每个被占据的量子态上有一个电子,所以在到间有个电子.然后把所有能量区间中的电子数相加,实际上是从导带底到导带顶对进行积分,就得到了能带中底电子总数,再除以半导体体积就得到了导带中的电子浓度.因为费米能级一般在禁带中,导带中的能级远高于费米能级,即当时,计算导带电子浓度可用玻耳兹曼分布函数.◆基本概念:电子浓度和空穴浓度的乘积与费米能级无关.对一定的半导体材料,乘积只决定于温度,与所含杂质无关.而在一定温度下,对不同的半导体材料,因禁带宽度不同,乘积也将不同.这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体,只要是热平衡状态下的非简并半导体,都普遍适用,在讨论许多许多实际问题时常常引用.对一定的半导体材料,在一定的温度下,乘积时一定的.换言之,当半导体处于热平衡状态时,载流子浓度的乘积保持恒定,如果电子浓度增加,空穴浓度就要减小;反之亦然.式和式是热平衡载流子浓度的普遍表示式.只要确定了费米能级,在一定温度时,半导体导带中电子浓度,价带中空穴浓度就可以计算出来.◆基本要求:掌握导带电子浓度和价带空穴浓度公式: 与分别是导带与价带底有效状态密度,相当于把导带中所有量子态都集中在导带底,而它的状态密度为;同理,相当于把价带中所有量子态都集中在价带顶,而它的状态密度为.上两式中的指数部分是具有玻耳兹曼分布函数形式的几率函数,前者是电子占据能量为的量子态几率,后者是空穴占据能量为的量子态的几率.则导带中的电子浓度是中电子占据的量子态数,价带空穴浓度是中有空穴占据的量子态数.

§3.3 本征半导体的载流子浓度 ◆本节内容: 本征半导体费米能级 本征半导体的载流子浓度 热平衡条件

◆课程重点:利于电中性条件(所谓电中性条件,就是电中性的半导体,其负电数与正电荷相等.因为电子带负电,空穴带正电,所以对本征半导体,电中性条件是导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度,即=,由此式可导出费米能级.)求解本征半导体的费米能级:本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体,在绝对零度时,价带中的全部量子态都被电子占据,而导带中的量子态全部空着,也就是说,半导体中共价键是饱和的,完整的.当半导体的温度大于零度时,就有电子从价带激发到导带中去,同时价带中产生空穴,这就是所谓的本征激发.由于电子和空穴成对产生,导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度,即=.2本征载流子浓度与温度和价带宽度有关.温度升高时,本征载流子浓度迅速增加;不同的半导体材料,在同一温度下,禁带宽度越大,本征载流子浓度越大.3,一定温度下,任何非简并半导体的热平衡载流子的浓度的乘积对于该温度时的本征载流子的浓度的平方,即,与所含杂质无关.因此,它不仅适用于本征半导体材料,而且也适用于非简并的杂质半导体材料.4,的意义:可作为判断半导体材料的热平衡条件.热平衡条件下,,均为常数,则也为常数,这时单位时间单位体积内产生的载流子数等于单位时间单位体积内复合掉的载流子数,也就是说产生率大于复合率.因此,此式可作为判断半导体材料是否达到热平衡的依据式.◆课程难点: 这是一个容易忽视的问题,即本征半导体中导带电子浓度等于价带空穴浓度,根据载流子的分布函数及费米年间的意义可知:本征半导体的费米能级应该位于导带底和价带顶之间的中间位置,即禁带中央处.只有这样,导带电子和价带空穴才能对称于费米能级,分布在导带和价带中,以满足=.但是由于导带有效状态密度()和价带有效状态密度()中分别含有电子状态浓度的有效质量()和价带空穴状态有效密度().由于两者数值上的差异,使本征半导体的费米能级偏离禁带中央.如果费米能级偏离禁带中很小,可以认为费米能级基本上位于禁带中央;如果和相差很大,本征半导体的费米能级就会偏离禁带中央很远.具体情况可用本征半导体费米能级表达式分析(参阅讲义式(3-30)即该式以下的说明).◆基本概念: 半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度,这个工作温度受本征载流子浓度制约:一般半导体器件中,载流子主要来源于杂质电离,而将本征激发忽略不计.在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围,如果杂质全部电离,载流子浓度是一定的,器件就能稳定工作.但是随着温度的升高,本征载流子浓度迅速地增加.例如在室温附近,纯硅的温度每升高8K左右,本征载流子的浓度就增加约一倍.而纯锗的温度每升高12K左右,本征载流子的浓度就增加约一倍.当温度足够高时,本征激发占主要地位,器件将不能正常工作.因此,每一种半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度,超过这一温度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室温电阻率为1·cm左右的原材料,它是由掺入的施主杂质锑而制成的.在保持载流子主要来源于杂质电离时,要求本征载流子浓度至少比杂质浓度低一个数量级,即不超过.如果也以本征载流子浓度不超过的话,对应温度为526K,所以硅器件的极限工作温度是520K左右.锗的禁带宽度比硅小,锗的器件工作温度比硅低,约为370K左右.砷化镓禁带宽度比硅大,极限工作温度可高达720K左右,适宜于制造大功率器件.总之,由于本征载流子浓度随温度的迅速变化,用本征材料制作的器件性能很不稳定,所以制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料.◆基本要求: 能够写出本征半导体的电中性方程,并导出费米能级的表达式;熟悉半导体半导体载流子浓度与温度和禁带宽度的关系;了解通过测量不同温度下本征载流子浓度如何得到绝对零度时的禁带宽度;正确使用热平衡判断式.经常用到的数据最好要记住.例如,300 K时硅,锗,砷化镓的禁带宽度分别为1.12ev,0.67ev,1.428ev.本征载流子浓度分别为,,均为实验值.

§3.4 杂质半导体的载流子浓度 ◆本节内容: 杂质浓度上的电子和空穴 杂质半导体中的载流子浓度 ◆课程重点: 半导体杂质能级被电子占据的几率函数与费米分布函数不同:因为杂质能级和能带中的能级是有区别的,在能带中的能级可以容纳自旋下凡的两个电子;而施主能级只能或者被一个任意自旋方向的电子占据,或者不接受电子(空的)这两种情况中的一种,即施主能级不允许同时被自旋方向相反的两个电子所占据.所以不能用费米分布函数表示电子占据杂质能级的几率.分析杂质半导体掺杂浓度和温度对载流子浓度和费米能级的影响.掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定.对于杂质浓度一定的半导体,随着温度的升高,载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程,相应地,费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处.譬如n型半导体,在低温弱电离区时,导带中的电子是从施主杂质电离产生的;随着温度升高,导带中的电子浓度也增加,而费米能级则从施主能级以上往下降到施主能级以下;当下降到以下若干时,施主杂质全部电离,导带中的电子浓度等于施主浓度,处于饱和区;再升高温度,杂质电离已经不能增加电子数,但本征激发产生的电子迅速增加着,半导体进入过渡区,这是导带中的电子由数量级相近的本征激发部分和杂质电离部分组成,而费米能级则继续下降;当温度再升高时,本征激发成为载流子的主要来源,载流子浓度急剧上升,而费米能级下降到禁带中线处这时就是典型的本征激发.对于p型半导体,作相似的讨论,在受主浓度一定时,随着温度升高,费米能级从在受主能级以下逐渐上升到禁带中线处,而载流子则从以受主电离为主要来源转化到以本征激发为主要来源.当温度一定时,费米能级的位置由杂质浓度所决定,例如n型半导体,随着施主浓度的增加,费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向.对于p型半导体,随着受主浓度的增加费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近.这说明,在杂质半导体中,费米能级的位置不但反映了半导体导电类型,而且还反映了半导体的掺杂水平.对于n型半导体,费米能级位于禁带中线以上,越大,费米能级位置越高.对于p型半导体,费米能级位于中线以下,越大,费米能级位置越低.◆课程难点: 根据电中性方程导出各个温度区间的费米能级和载流子浓度表达式.杂质电离程度与温度,掺杂浓度及杂质电离能有关,温度高,电离能小,有利于杂质电离.但杂质浓度过高,则杂质不能充分电离.通常所说的室温下杂质全部电离,实际上忽略了杂质浓度的限制.◆基本概念: 多数载流子和少数载流子(多子和少子):半导体中载流子为电子和空穴,n型半导体以电子导电为主,电子浓度远大于空穴浓度,故称电子为n型半导体的多数载流子,简称多子,空穴为n型半导体的少数载流子,简称少子;对于p型半导体,空穴为多子,电子为少子.平衡少子浓度正比于本征载流子浓度的平方,对于n型半导体,由可得少子浓度,它强烈的依赖于温度的变化.◆基本要求: 能够写出只掺杂一种杂质的半导体的一般性电中性方程,若只有施主杂质时,为,若只有受主杂质时为本征激发可以忽略的情况下,例如室温区,电中性条件为;当温度较高,杂质全部电离,本征激发不能忽略时,电中性条件为,在这种情况下,应和联立,方可解出和.能够较熟练地计算室温下地载流子浓度和费米能级(n型和p型) 在掺杂浓度一定地情况下,能够解释多子浓度随温度地变化关系.

§3.5 一般情况下地载流子统计分布 ◆本节内容: 电中性方程的一般形式及费米能级 用解析法求解咋了浓度及费米能级 ◆课程重点: 一般情况下,半导体既含有施主杂质,又含有受主杂质,在热平衡状态下,电中性方程为,此式的意义是:同时含有一种施主杂质和一种受主杂质情况下,半导体单位体积内的负电荷数(导带电子浓度与电离受主浓度之和)等于单位体内的正电荷数(价带空穴浓度与电离施主浓度之和).施主浓度大于受主浓度情况下,分析载流子浓度和费米能级与温度的关系.◆课程难点: 在不同的温度区间分析载流子密度和费米能级与温度的关系温度区间的划分不是我们传统意义的以温度的数值范围来划分,而是通过相关参量的比较,把要讨论的整个温度范围划分为极低温区,低温区……本征激发区.注意两个电中性方程的适用条件:杂质全部电离,本征激发可以忽略,即时,电中性方程为,(原始方程为).杂质全部电离,本征激发不能忽略即掺杂浓度与的数值相近,或由于温度升高使数值增大而导致与相近时,电中性方程为(原始方程为,式中,).使用上述两个电中性方程时,关键要判断是否要考虑本征激发对电中性方程的影响.◆基本要求:掌握半导体同时含有施主杂质和受主杂质情况下电中性方程的一般表达式,能较熟练地分析和计算半导体的载流子浓度和费米能级.

§3.6 简并半导体 Degenerate Semiconductor ◆本节内容: 1 简并半导体的载流子浓度 1.1导带电子浓度 1.2 价带空穴浓度 2 简并化条件 2.1 简并化条件

2.2 界简并情况下的杂质浓度 2.3 简并化温度范围

简并半导体杂质不能充分电离 杂质带导电 ◆课程重点: 简并半导体的载流子浓度:对于n型半导体,施主浓度很高,使费米能级接近或进入导带时,导带底附近底量子态基本上已被电子占据,导带中底电子书目很多,的条件不能成立,必须考虑泡利不相容原理的作用.这时,不能再用玻耳兹曼分布函数,必须用费米分布函数来分析导带中电子的分布问题.这种情况称为载流子的简并化.发生载流子简并化的半导体称为基本半导体,对于p型半导体,其费米能级接近价带顶或进入价带,也必须用费米分布函数来分析价带中空穴的分布问题.简并时的杂质浓度:对n型半导体,半导体发生简并时,掺杂浓度接近或大于导带底有效状态密度;对于杂质电离能小的杂质,则杂质浓度较小时就会发生简并.对于p型半导体,发生简并的受主浓度接近或大于价带顶有效状态密度,如果受主电离能较小,受主浓度较小时就会发生简并.对于不同种类的半导体,因导带底有效状态密度和价带顶有效密度各不相同.一般规律是有效状态密度小的材料,其发生简并的杂质浓度较小.◆课程难点:半导体发生简并对应一个温度范围:用图解的方法可以求出半导体发生简并时,对应一个温度范围.这个温度范围的大小与发生简并时的杂质浓度及杂质电离能有关:电离能一定时,杂质浓度越大,发生简并的温度范围越大;发生简并的杂质浓度一定时,杂质电离能越小,简并温度范围越大.◆基本概念: 简并半导体中杂质不能充分电离:通过分析计算,室温下,n型硅掺磷,发生简并的磷杂质浓度,经计算,电离施主浓度,因此硅中只有8.4%的杂质是电离的,故导带电子浓度.尽管只有8.4%的杂质电离,但掺杂浓度较大,所以电子浓度还是较大.简并半导体中杂质不能充分电离的原因:简并半导体电子浓度较高,费米能级较低掺杂时,远在施主能级之上,使杂质电离程度降低(参阅§3.4 杂质能级上的电子和空穴) 杂质带导电:在非简并半导体中,杂质浓度不算很大,杂质原子间距离比较远,它们间的相互作用可以忽略.被杂质原子束缚的电子在原子之间没有共有化运动,因此在禁带中形成孤立的杂质能级.但是在重掺杂的简并半导体中,杂质浓度很高,杂质原子互相间很靠近,被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠,杂质电子就有可能在杂质原子之间产生共有化运动,从而使孤立的杂质能级扩展为能带,通常称为杂质能带.杂质能带中的杂质电子,可以通过杂质原子之间的共有化运动参加导电的现象称为杂质带导电.简并化条件:简并化条件是人们的一个约定,把与的相对位置作为区分简并化与非简并化的标准,一般约定: , 非简并 , 弱简并 , 简并

注意:学过本节之后,在做习题时,首先要判断题目中给出的半导体材料是否发生弱简并或简并.然后才能确定采用相应的有关公式进行解题.◆基本要求: 对简并化半导体有最基本的认识,其主要特点是掺杂浓度高,使费米能级接近或进入导带或价带.能够分析半导体是否发生简并化和计算简并化半导体的载流子浓度.了解简并化对能带的影响及简并半导体的基本应用:简并化半导体由于杂质带的产生会使禁带宽度变小;简并化半导体的基本应用之一是用来制造隧道二极管,p-n结两侧,n型材料的费米能级进入导带,p型材料的费米能级进入价带(可参阅第六章最后一节).

第三章思考题与自测题: 1.半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态 其物理意义如何.2.什么叫统计分布函数 费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别 在怎样的条件下前者可以过渡到后者 为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描述

3.说明费米能级的物理意义.根据费米能级位置如何计算半导体中电子和空穴浓度 如何理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志

4.证明,在时,对费米能级取什么样的对称形式

5.在半导体计算中,经常应用这个条件把电子从费米能级统计过渡到玻耳兹曼统计,试说明这种过渡的物理意义.6.写出半导体的电中性方程.此方程在半导体中有何重要意义 7.若n型硅中掺入受主杂质,费米能级升高还是降低 若温度升高当本征激发起作用时,费米能级在什么位置 为什么

8.如何理解分布函数与状态密度的乘积再对能量积分即可求得电子浓度

9.为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高

10.当温度一定时,杂质半导体的费米能级主要由什么因素决定 试把强N,弱N型半导体与强P,弱P半导体的费米能级与本征半导体的费米能级比较.11.如果向半导体中重掺施主杂质,就你所知会出现一些什么效应

第四章 半导体的导电性(载流子的输运现象) 引言: 本章主要讨论载流子的运动规律(载流子的输运现象),载流子在电场中的漂移运动,迁移率,电导率,散射机构及强电场效应.

§4.1 载流子的漂移运动,迁移率 ◆本节内容: 1 半导体中载流子的运动形式 1.1 无规则运动(热运动) 1.2 有规则运动(定向运动) 2 载流子的漂移运动 2.1 欧姆定律的微分形式 2.2 载流子的迁移率

3 半导体中的电位差引起能带倾斜 ◆课程重点: 在半导体中,常遇到电流分布不均匀的情况,即流过不同截面的电流强度不相等.所以,通常用电流密度来描述半导体中的的电流.电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流,根据熟知的欧姆定律可以得到电流密度.它把通过半导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强度直接联系起来,称为欧姆定律的微分形式.漂移速度和迁移率:有外加电压时,导体内部的自由电子受到电场力的作用,沿着电场的反方向作定向运动构成电流.电子在电场力的作用下的这种运动称为漂移运动,定向运动的速度称为漂移速度.迁移率为单位场强下电子的平均漂移速度.因为电子带负电,所以电子的平均漂移速度的方向一般应和电场强度方向相反,但习惯上迁移率只取正值.◆课程难点:无 ◆基本概念: 半导体中的电流是电子电流和空穴电流的总和:一块均匀半导体,两端加以电压,在半导体内部就形成电场.因为电子带负电,空穴带正电,所以两者漂移运动的方向不同,电子反电场方向漂移,空穴沿电场方向漂移.但是,形成的电流都是沿着电场方向.因而,半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导电的总和.电子迁移率比空穴迁移率大:迁移率数值大小可表示载流子在电场作用下运动的难易程度,导电的电子是在导带中,它们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子;而导电的空穴是在禁带中,空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价键间运动时所产生的电流.显然,在相同的电场作用下,两者的平均漂移速度不会相同,而且,导带电子平均漂移速度要大些,就是说,电子迁移率与空穴迁移率不相等,前者要大些.◆基本要求:正确理解并会运用如下简单而又重要的基本公式: 一般半导体的总电流: 一般半导体的电导率: n型半导体(n>>p): p型半导体(p>>n): 本征半导体(n=p=):

§4.2 载流子的散射 ◆本节内容: 散射对载流子运动的影响 散射结构 2.1 电离杂质散射 2.2 晶格振动散射 2.3 等同的能谷间散射

2.4 其它散射机构(中性杂质散射,位错散射) ◆课程重点: 电离杂质散射:施主杂质电离后是一个带正电的离子,受主杂质电离后是一个带负电的离子.在电离施主或受主周围形成一个库仑势场.这一库仑势场局部地破坏了杂质附近地周期性势场,它就是使载流子散射地附加势场.当载流子运动到电离杂质附近时,由于库仑势场地作用,就使载流子运动地方向发生改变.电离施主和电离受主对电子和空穴散射,它们在散射过程中的轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线.常以散射几率P来描述散射地强弱,它代表单位时间内一个载流子受到散射的次数.具体的分析发现,浓度为的电离杂质对载流子的散射几率与温度的关系为:.晶格散射:晶格散射主要是长纵声学波和长纵光学波.长纵声学波传播时荷气体中的声波类似,会造成原子分布的疏密变化,产生体变,即疏处体积膨胀,密处压缩,如讲义图4-10(a)所示.在一个波长中,一半处于压缩状态,一半处于膨胀状态,这种体变表示原子间距的减小或增大.由第一章知道,禁带宽度随原子间距变化,疏处禁带宽度减小,密度增大,使能带结构发生波形起伏.禁带宽带的改变反映出导带底和价带顶的升高和降低,引起能带极值的改变.这时,同是处于导带底和价带顶的电子或空穴,在半导体的不同地点,其能量就有差别.所以,纵波引起的能带起伏,就其对载流子的作用讲,如同产生了一个附加势场,这一附加势场破坏了原来势场的严格周期性,就使电子从K状态散射到K状态.长纵光学波散射主要发生在离子晶体中.在离子晶体中,每个原胞内由正负两个离子,它们和纵声学波一样,形成疏密相间的区域.由于正负离子位移相反,所以,正离子的密区和负离子的疏区相合,正离子的疏区和负离子的密区相合,从而造成在一半个波长区域内带正电,另一半个波长区域内带负电,带正负电的区域将产生电场,对载流子增加了一个势场的作用,这个势场就是引起载流子散射的附加势场.◆课程难点:晶格散射主要是讨论格波与载流子的作用.格波的能量是离子化的,其能量单元称为声子,当格波能量减少一个能量子(能量单元),就称作放出一个声子;增加一个能量子就称吸收一个声子.声子的说法不仅生动地表示出格波能量的量子化特征,而且在分析晶格与物质作用时很方便.例如,电子在晶体中被格波散射便可以看作是电子与声子的碰撞.◆基本概念:散射几率:表示单位时间内一个载流子受到辐射的次数,其数值与散射机构有关.◆基本要求:熟悉电离杂质散射几率与电离杂质浓度和温度的关系,声学波和光学波几率与哪些因素有关.

§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 ◆本节内容:平均自由时间和散射几率的关系 迁移率与平均自由时间和有效质量的关系 迁移率与杂质浓度和温度的关系 ◆课程重点:平均自由时间和散射几率的关系:载流子在电场中作漂移运动时,只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动,这段时间 称为自由时间.自由时间长短不一,若取极多次而求得其平均值则称为载流子的平均自由时间,它与散射几率互为倒数的关系.迁移率与平均自由时间和有效质量的关系:通过计算外电场作用下载流子的平均漂移速度,对于有效质量各向同性的电子和空穴,其迁移率分别为 和.对等能面为旋转椭球的多极值半导体,因为沿晶体的不同方向有效质量不同,所以迁移率与有效质量的关系稍复杂些.例如对于硅:

称为电导迁移率,其值由三个主轴方向的三个迁移率的线性组合,即

, 称为电导有效质量,由下式决定:

迁移率与杂质浓度和温度的关系: 对掺杂的硅,锗半导体,主要散射结构是电离杂质散射和声学波散射.电离杂质散射特点是随温度升高,迁移率增大,随电离杂质增加迁移率减小;声学波散射特点是随温度升高迁移率下降.同时存在这两种散射机构时,就要考虑它们的共同作用对迁移率的影响.当掺杂浓度较低时,可以忽略电离杂质的影响.迁移率主要受晶格散射影响,即随温度升高迁移率下降;当掺杂浓度较高时,低温时晶格振动较弱,晶格振动散射比电离杂质散射作用弱,主要是电离杂质散射,所以随温度升高迁移率缓慢增大;当温度较高时,随温度升高,晶格振动加剧,晶格散射作用,所以高温时迁移率随温度升高而降低.◆课程难点:平均自由时间是统计平均值.迁移率与杂质浓度和温度的关系比较复杂,对硅,锗等原子半导体主要是电离杂质散射和晶格散射,抓住主要矛盾可对实验结果作出较好的解释(可参考课程重点中的第三条及讲义图4-13的解释).◆基本概念: 单位电场作用下载流子获得的平均漂移速度叫做漂移迁移率.在分析硅的六个能谷中的电子对电流的贡献时,又引入了电导迁移率,实质上它是漂移迁移率的线性组合,因此,电导迁移率仍具有漂移迁移率的意义.漂移迁移率可通过实验来测量.对于补偿材料,在杂质完全电离情况下,载流子浓度决定于两种杂质浓度之差,但迁移率决定于两种杂质浓度的总和.如果材料中掺有多种施主杂质和受主杂质,则迁移率决定于所有电离杂质浓度之和.总迁移率的倒数等于各散射机构迁移率的倒数之和.◆ 基本要求:掌握迁移率与杂质浓度和温度的关系;能正确地从讲义图4-13和图4-14查出迁移率.注意:上两图中杂质为材料所含各种杂质之和.对于掺杂浓度低于的材料,其室温时的迁移率可近似用本征材料(较纯材料)的迁移率表.能够熟练地计算不同导电类型材料的电导率. §4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 ◆本节内容: 电阻率与杂质浓度的关系 电阻率与温度的关系 ◆课程重点: 1.电阻率决定于载流子的浓度和迁移率,基本表示式如下: 当半导体中电子浓度远大于空穴浓度时, n型半导体,电子浓度远大于空穴浓度时, p型半导体,电子浓度远小于空穴浓度时, 本征半导体,电子浓度等于空穴浓度时, 2.电阻率与杂质浓度的关系.3.轻掺杂时(例如杂质浓度小于),室温下杂质全部电离,载流子浓度近似等于杂质浓度,而迁移率随杂质浓度地变化不大,与载流子浓度(即杂质浓度)的变化相比较,可以认为迁移率几乎为常数,所以随杂质浓度升高电阻率下降,若对电阻率表达式取对数,则电阻率和杂质浓度的关系是线性的.掺杂浓度较高时(杂质浓度大于),由于室温下杂质不能全部电离,简并半导体中电离程度下降更多,使载流子浓度小于杂质浓度;又由于杂质浓度较高时迁移率下降较大.这两个原因使电阻率随杂质浓度的升高而下降.本征半导体和杂质半导体的电阻率随温度的变化关系有很大不同:对纯半导体材料,电阻率主要是由本征载流子浓度决定.随温度上升而急剧增加,室温附近,温度每增加,硅的本征载流子浓度就增加一倍,因为迁移率只稍有下降,所以电阻率将相应的降低一半左右;对锗来说,温度每增加,本征载流子浓度增加一倍,电阻率降低一半.本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,这是本征半导体区别于金属的一个重要特征.对杂质半导体由杂质电离和本征激发两个因素存在,又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构的存在,因而电阻率随温度的变化关系要复杂些.一定杂质浓度的硅样品的电阻率和温度的关系曲线大致分为三个温度区段: 低温区段温度很低,本征激发可忽略,载流子主要由杂质电离提供,它随温度升高而增加;散射主要由杂质电离决定,迁移率也随温度升高而增大,所以,电阻率随温度升高而下降.电离饱和区段,温度继续升高(包括室温),杂质已全部电离,本征激发还不十分显著,载流子基本上不随温度变化,晶格振动散射上升为主要矛盾,迁移率随温度升高而降低,所以,电阻率随温度升高而增大.本征激发区段,温度继续升高,本征激发很快增加,大量本征载流子的产生远远超过迁移率的减小对电阻率的影响,这时,本征激发成为矛盾的主要方面,杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降,表现出同本征半导体相似的特性.◆课程难点:电阻率与载流子浓度和迁移率有关.在分析电阻率与温度的关系时,要注意载流子浓度和迁移率都与温度有关.在考虑载流子浓度对电阻率的影响时,温度对载流子浓度的影响可参考第三章图3-11.◆基本概念:可以用实验的方法测量半导体样品的电阻率,对于非补偿和轻补偿的材料,其电阻率可以反映出它的杂质浓度(基本上就是载流子浓度).对于高度补偿的材料,因为载流子浓度很小,电阻率很高,并无真正说明材料很纯,而是这种材料杂质很多,迁移率很小,不能用于制造器件.◆基本要求:掌握电阻率与杂质浓度的关系及电阻率与温度的关系,能熟练地计算不同导电类型半导体的电阻率,并注意杂质和温度这两个因素对电阻率的影响.讲义图4-15是锗,硅,砷化镓300K时电阻率与温度关系的实验曲线,适用于非补偿与轻度补偿的材料.

§4.5 (本节不作要求) §4.6 强电场效应,热载流子 ◆本节内容: 欧姆定律的偏离

平均漂移速度与电场强度的关系

◆课程重点:定向解释强电场下欧姆定律发生偏离的原因:主要可以从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明.在没有外加电场情况下,载流子和晶格散射时,强吸收声子或发射声子与晶格交换动量和能量,交换的净能量为零载流子的平均能量与晶格的相同,两者处于热平衡状态.有电场存在时,载流子从电场中获得能量,随后又以发射声子的形式将能量传给晶格,这时,平均的说,载流子发射的声子数多于 吸收的声子数.到达稳定状态时,单位时间载流子从电场中获得的能量同给予晶格的能量相同.但是,在强电场情况下,载流子从电场中获得的能量很多,载流子的平均能量比热平衡状态时的大,因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态.温度是平均动能的量度,既然载流子的能量大于晶格系统的能量,人们便引进载流子的有效温度来描述语晶格系统不处于热平衡状态的载流子,并称这种状态的载流子为热载流子.所以,在强电场情况下,载流子温度比晶格温度高,载流子的平均能量比晶格的大.热载流子与晶格散射时,由于热载流子能量高,速度大于热平衡状态下的速度,由看出,在平均自由程保持不变得情况下,平均自由时间减小,因而迁移率降低.当电场不是很强时,载流子主要和声学波散射,迁移率有所降低.当电场进一步增强,载流子能量高到可以和光学波声子能量相比时,散射时可以发射光学波声子,于是载流子获得的能量大部分又消失,因而平均漂移速度可以达到饱和.◆课程难点: 计算平均漂移速度与电场强度的关系:电场较弱时,平均漂移速度与电场强度成线性关系,即欧姆定律成立;当电场强度较大时,平均漂移速度按电场强度的二分之一次方增大,即开始便离欧姆定律;当电场强度再增大,使电子能量已高到和光学声子能量相比拟时,电子和晶格散射时便可以发射声学光子.稳态时,平均漂移速度与电场无关,达到饱和.◆基本概念: 热载流子:在强电场情况下,载流子从电场中获得的能量很多,载流子的平均能量比热平衡状态时的大,因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态.温度是平均动能的量度,既然载流子的能量大于晶格系统的能量,人们便引进载流子的有效温度来描述语晶格系统不处于热平衡状态的载流子,并称这种状态的载流子为热载流子.所以,在强电场情况下,载流子温度比晶格温度高,载流子的平均能量比晶格的大.,此式任何情况下均成立,形式上看,平均漂移速度与电场强度成正比,但是迁移率与场强有关.弱电场时迁移率为常数,强电场时迁移率不是常数,利用讲义图4-17可以求出不同场强下的迁移率.◆基本要求:能够定性解释强电场下欧姆定律的偏离原因.

§4.7 耿氏效应,多能谷散射 ◆本节内容: 耿氏器件伏安特性和速场特性 n-GaAs负阻效应解释 ◆课程重点: 耿氏效应:n型砷化镓两端电极上加以电压.当电压高到某一值时,半导体电流便以很高频率振荡,这个效应称为耿氏效应.耿氏效应与半导体的能带结构有关:砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心,在布里渊区边界L处还有一个能谷2,它比能谷1高出0.29ev.当温度不太高时,电场不太强时,导带电子大部分位于能谷1.能谷1曲率大,电子有效质量小.能谷2曲率小,电子有效质量大() .由于能谷2有效质量大,所以能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小,即.当电场很弱时,电子位于能谷1,平均漂移速度为.当电场很强时,电子从电场获得较大能量由能谷1 跃迁到能谷2,平均漂移速度为,由于,所以在速场特性上表现为不同的变化速率(实际上和是速场特性的两个斜率.即低电场时,高电场时).在迁移率由变化到的过程中经过一个负阻区.在负阻区,迁移率为负值.这一特性也称为负阻效应.其意义是随着电场强度增大而电流密度减小.◆课程难点:耿氏器件负阻效应解释可参阅《半导体物理学》§4.7中高场畴及耿氏振荡.◆基本概念: 尽区或耗尽层:半导体内某一区域内的载流子浓度比其他区域小很多或缺失载流子,就称该区域的载流子耗尽了,该区域称为耗尽区或耗尽层.例如,n型样品的某区域电子浓度比其他区域小很多很多或缺失电子,就称该区域为电子耗尽区或电子耗尽层.耗尽层这一概念在半导体物理及相关课程中出现频率较高.电荷:是指半导体中任一点附近的电荷,可以是正电荷,也可以是负电荷;正电荷可以是空穴,也可以是电离的施主杂质,负电荷可以是电子,也可以是电离的受主杂质.空间电荷密度是半导体中任一点附近单位体积中的静电荷数,或任一点附近单位体积中各种正负电荷的代数和(第三章§3.5) 空间电荷层或空间电荷区:半导体中任一点附近存在空间电荷的区域称为空间电荷层或空间电荷区.◆基本要求:掌握产生耿氏效应(负阻效应)的基本原理及定性描述砷化镓能带结构的特点.

第四章思考题与自测题

1.试从经典物理和量子理论分别说明散射的物理意义.2.比较并区别下述物理概念:电导迁移率,霍耳迁移率和漂移迁移率.3.什么是声子 它对半导体材料的电导起什么作用

4.强电场作用下,迁移率的数值与场强E有关,这时欧姆定律是否仍然正确 为什么

5.半导体的电阻系数是正的还是负的 为什么

6.有一块本征半导体样品,试描述用以增加其电导率的两个物理过程.7.如果有相同的电阻率的掺杂锗和硅半导体,问哪一个材料的少子浓度高 为什么

8.光学波散射和声学波散射的物理机构有何区别 各在什么样晶体中起主要作用

9.说明本征锗和硅中载流子迁移率温度增加如何变化

10.电导有效质量和状态密度有何区别 它们与电子的纵有效质量和横有效质量的关系如何

11.对于仅含一种杂质的锗样品,如果要确定载流子符号,浓度,迁移率和有效质量,应进行哪些测量

12.解释多能谷散射如何影响材料的导电性.13.为什么要引入热载流子概念 热载流子和普通载流子有何区别

第五章 非平衡载流子

§5.1 非平衡载流子的注入 ◆本节内容: 1 光注入非平衡载流子 2 电注入非平衡载流子 2.1 探针注入非平衡载流子 2.2 p-n结注入非平衡载流子 ◆课程重点: 非平衡载流子及其产生:处于热平衡状态的半导体,在一定温度下,载流子浓度时一定的.这种处于热平衡状态下的载流子浓度,称为平衡载流子浓度,前面各章讨论的都是平衡载流子.用和分别表示平衡电子浓度和空穴浓度,在非简并情况下,它们的乘积满足:.本征载流子浓度只是温度的函数.在非简并情况下,无论掺杂多少,平衡载流子浓度和必定满足,因而它也是非简并导体处于热平衡状态的判据式.半导体的热平衡状态是相对的,有条件的.如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态,称为非平衡状态.处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度也不再是和,可以比它们多出一部分.比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子,有时也称过剩载流子.在一定温度下,当没有光照时,半导体中电子和空穴浓度分别为和.假设是n型半导体,.当用适当波长的光照射该半导体时,只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度,那么光子就能把价带电子激发到导带上去,产生电子-空穴对,使导带比平衡时多出一部分电子,价带比平衡时多出一部分空穴.和就是非平衡载流子浓度.这时把非平衡电子称为非平衡多数载流子,而把非平衡空穴称为非平衡少数载流子.对p型材料则相反.用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法,称为非平衡载流子的光注入.光注入时.产生非平衡载流子的方法除光注入外,还可以用其他方法产生非平衡载流子,例如电注入或高能粒子辐照等.◆课程难点:小注入:在一般情况下,注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多.对n型材料,,,满足这个条件的注入称为小注入.即使在小注入的情况下,非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多,它的影响就显得十分重要了,而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略.所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用,通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子.◆基本概念: 非平衡状态:当半导体受外界(光或电的)作用,热平衡状态被破坏,载流子浓度偏离热平衡载流子浓度.这种情况称为非平衡状态.要使光产生非平衡载流子,要求光子的能量大于或者等于半导体的禁带宽度.光产生非平衡载流子的特点是产生电子-空穴对,价带电子受光激发跃迁到导带,在价带留下空穴,因此产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度,即.光注入产生非平衡载流子,导致半导体电导率增加,即引起附加电导率(有的参考书称为光电导率):.◆基本要求:熟悉以下要点:光注入条件:光子能量大于或等于半导体的禁带宽度.光注入产生非平衡载流子的特点,;光注入使半导体产生附加电导率,同理:其它注入方式也产生附加电导率.光注入非平衡载流子的现象可通过实验来观测.

§5.2 非平衡载流子的复合和寿命 ◆本节内容: 净复合率

非平衡载流子的衰减规律 非平衡载流子的寿命(少子寿命) ◆课程重点: 非平衡载流子复合:以光注入为例,光照时,价带电子被光激发到导带,产生电子-空穴对.光照停止后,注入的非平衡载流子并不能一直存在下去,也就是原来激发到导带的电子又回到价带,电子和空穴又成对的消失了,使半导体由非平衡态恢复到平衡态.非平衡载流子逐渐消失这一过程称为非平衡载流子的复合.单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的净复合率.类似有:单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率;单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数称为非平衡载流子的产生率.载流子的产生和复合在任何情况下都是存在的.在热平衡状态下也存在着产生与复合两个过程,只不过这个状态下载流子产生的原因是温度,相应的,描述这种产生过程用热产生率,即单位时间单位体积内热产生的电子-空穴对数称为热产生率,当热产生率等于复合率时,半导体就达到热平衡状态.如果复合率大于热产生率就存在净复合率.净复合率的数值等于复合率与热产生率之差(可参考顾祖毅《半导体物理学》第五章).可以证明净复合率为,这里为t时刻的非平衡载流子浓度,为非平衡载流子寿命.非平衡载流子寿命(少数载流子寿命,少子寿命,寿命):可以通过实验,观察光照停止后,非平衡载流子浓度随时间变化的规律.实验表明,光照停止后随时间按指数规律减少.这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失,而是有一个过程即它们在导带和价带中有一定的生存时间,有的长些,有的短些.非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命,用表示.由于相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子的影响处于主导的,决定的地位,因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命.简称少子寿命或寿命.◆课程难点:证明净复合率为 ◆基本概念: 复合率:单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数.净复合率:单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数.产生率:单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数

热产生率:由温度引起单位时间单位体积内热产生的电子-空穴对数 非平衡载流子的寿命:非平衡载流子平均生存的时间.由于在半导体材料及各种半导体器件(包括半导体集成电路)中,相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子起着十分重要的作用,因而非平衡载流子寿命常称为少数载流子寿命,简称为少子寿命或寿命.非平衡载流子在复合过程中按指数规律衰减,寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间.寿命越短,衰减越快.寿命是半导体材料的重要参数,它与材料的种类以及材料所含杂质和缺陷的数量等因素有关.◆基本要求:掌握上述基本概念.§5.3 准费米能级 ◆本节内容: 准费米能级的引入

准费米能级与费米能级的关系 ◆课程重点: 电子准费米能级和空穴准费米能级:当外界的影响破坏了热平衡,使半导体处于非平衡状态,就不再存在统一的费米能级,因为前面讲的费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态.事实上,电子系统的热平衡状态使通过热跃迁实现的.在一个能带范围内,热跃迁十分频繁,极短时间内就能导致一个能带内的热平衡.然而,电子在两个能带之间,例如导带和价带之间的热跃迁就稀少得多,因为中间还隔着禁带.当半导体得平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时,由于上述原因,可以认为,分别就价带和导带中得电子将,它们各自基本上处于平衡态,而导带和价带之间处于不平衡状态.因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的,可以分别引入导带费米能级和价带费米能级,它们都是局部的费米能级,称为"准费米能级".导带和价带间的不平衡就表现在它们的准费米能级是不重合的.导带的准费米能级也称电子准费米能级,相应地,价带地准费米能级称为空穴准费米能级,分别用和表示.非平衡载状态下地载流子浓度公式与平衡载流子浓度类似,只是用准费米能级代替费米能级在平衡载流子浓度公式中地位置.参见讲义式(5-9).◆课程难点:无

◆基本概念:准费米能级具有与费米能级类似地功能,即标准着载流子填充能带地水平.在非平衡状态状态下,若电子浓度比平衡状态时大,则电子准费米能级高于平衡状态时的费米能级,同理,如果空穴浓度比平衡状态时大,则空穴费米能级比平衡状态时的费米能级更接近价带顶.准费米能级偏离费米能级的大小,亦即反映了必定偏离热平衡状态的程度.它们偏离越大,说明不平衡情况越显著;两者靠得越近平衡态;两者重合时,形成统一的费米能级,半导体处于平衡态.因此引进准费米能级,可以更形象地了解非平衡态地情况.注意:小注入情况下,非平衡少数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越大,而非平衡多数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越小,在画非平衡能带图时应考虑它们的差异.◆基本要求:明确下列问题:为什么要引入准费米能级 准费米能级的意义是什么 对n型半导体或p型半导体,电子准费米能级和空穴准费米能级偏离费米能级的程度有什么不同 并用能带图表示出来.

§5.4 复合理论 ◆本节内容: 复合机构:直接复合,间接复合,表面复合 直接复合理论与寿命 间接复合理论与寿命 ◆课程重点: 直接复合:半导体中的自由电子和空穴在运动中会有一定几率直接相遇而复合,使一对电子和空穴同时消失.从能带角度讲,就是导带中的电子直接落入价带和空穴复合.同时,还存在着上述过程的逆过程,即由于热激发等原因,价带中的电子也有一定几率跃迁到价带中去,产生一对电子和空穴.这种由电子在导带与价带间直接跃迁哦引起非平衡载流子的复合过程就是直接复合.直接复合寿命:小注入条件下,少子寿命.对于n型半导体,即,少子寿命为.这说明在小注入条件下,当温度和掺杂一定时,寿命是一个常数.寿命与平衡多数载流子浓度成反比,或者说,半导体电导率越高,寿命就越短.大注入情况下,直接复合寿命,可见,寿命随非平衡载流子浓度增大而减小,因而,在复合过程中,寿命不再是常数.一般地说,禁带宽带越小,直接复合的几率越大.所以,在锑化铟()和碲()等小禁带宽度的半导体中,直接复合占优势.实验发现,砷化镓的禁带宽度虽然比较大一些,但直接复合机构对寿命有着重要的影响,这和它的具体能带结构有关.砷化镓是直接带隙半导体.然而,把直接复合理论用于锗,硅参考,得到的寿命值比实验结果大的多.这说明对于硅,锗寿命还不是由直接复合过程所决定,一定有另外的复合机构起着主要作用,决定着材料的寿命,这就是间接复合.间接复合与寿命

深能级杂质和缺陷在禁带中形成深能级,对非平衡载流子寿命有很大影响.实验发现,这样的杂质和缺陷越多,寿命就越短.这说明杂质和缺陷有促进复合的作用.这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心.间接复合指的是非平衡载流子通过复合中心的复合.禁带中有了复合中心能级,就好像多了一个台阶,电子-空穴的复合可分为两步走:第一步,导带电子落入复合中心能级;第二步,这个电子再落入价带与空穴复合.复合中心恢复了原来空着的状态,又可以再去完成下一次的复合过程.显然,一定还存在上述两个过程的逆过程.所以,间接复合仍旧是一个统计性的过程.相对于复合中心而言,共有4个微观过程: 甲:俘获电子过程.复合中心能级从导带俘获电子,使导带电子减少.乙:发射电子过程.复合中心能级上的电子被激发到导带(甲的逆过程),使导带电子增加.丙:俘获空穴过程.电子由复合中心能级落入价带与空穴复合.也可看成复合中心能级从价带俘获了一个空穴,使价带空穴减少.丁:发射空穴过程.价带电子被激发到复合中心能级上.也可以看出复合中心能级从价带俘获了一个空穴,使价带空穴减少.根据上述四个过程的描述,在稳定条件下(稳定条件是指复合中心能级上电子数不再发生变化,既不增加也不减少),甲-乙=丙-丁,显然,等式左端表示单位时间单位体积内导带减少的电子数,等式右端表示单位时间单位体积内价带减少的空穴数.即导带每损失一个电子,同时价带也损失一个空穴,电子和空穴通过复合中心成对地复合.因而上式正是表示电子-空穴对的净复合率,用U表示:

用此式可以分析各种情况的间接复合寿命.表面复合及有效寿命

在此之前研究非平衡载流子的寿命时,只考虑了半导体内部的复合过程.实际上,少数载流子寿命在很大程度上受半导体样品的形状和表面状态的影响.例如,实验发现,经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品,其寿命很短.而细磨后再经适当化学腐蚀的样品,寿命要长的多.实验还表明,对于同样的表面情况,样品越小,寿命越短.可见,半导体表面确实有促进复合的作用.表面复合是指在半导体表面发生的复合过程.表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级,因而,就复合机构讲,表面复合仍然是间接复合.所以,间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题.考虑了表面复合,实际测得的寿命应是体内复合和表面复合的综合结果.设这两种复合是单独平行地发生的.用表示体内复合寿命,则就是体内复合几率.若用表示表面复合寿命,则就表示表面复合几率.那么总的复合几率就是:

式中称为有效寿命.◆课程难点: 在直接复合理论中用热平衡状态下的复合率代替非平衡状态下的产生率是一种很好的近似,原因如下:在一定温度下,价带中的每个电子都有一定的几率被激发到导带,从而形成一对电子和空穴.如果价带中本来就缺少一些电子,即存在一些空穴,当然产生率就会相应地减少一些.同样,如果导带中本来就有一些电子,也会使产生率相应地减少一些.因为根据泡里原理,价带中的电子不能激发到导带中已被电子占据地状态上去.但是,在非简并情况下,禁带中的空穴数相对于价带中的总状态是极起微小的.这样,可认为价带基本上是满的,而导带基本上是空的,激发几率不受载流子浓度n和p的影响.因而产生率在所有非简并情况下,即热平衡和非平衡情况下,基本上是相同的,可以写为.间接复合理论中四个微观过程的分析以及关于寿命的讨论.◆基本概念: 电子俘获率:单位体积单位时间被复合中心俘获的电子数 电子产生率:单位体积单位时间复合中心向导带发射的电子数 空穴俘获率:单位体积单位时间被复合中心俘获的空穴数 空穴产生率:单位体积单位时间空的复合中心向价带发射的空穴数

有效复合中心:深能级在禁带中的位置不同,对促进非平衡载流子,复合所起的作用也不同,分析表明,复合中心能级位于禁带中央附近时,对非平衡载流子的复合作用最大,因此,位于禁带中央附近的深能级称为有效复合中心.对于有效复合中心,其电子俘获系数与空穴俘获系数相差不大.表面复合率和表面复合速度:通常用表面复合速度来描写复合的快慢.把单位时间内通过单位表面积复合掉的电子-空穴对数,称为表面复合率.实验发现,表面复合率与表面处非平衡载流子浓度成正比,即

比例系数s表示表面复合的强弱,显然,它具有速度的量纲,因而称为表面复合速度.可以给它一个直观而形象的意义:由于表面复合而失去的非平衡载流子数目,就如同表面处的非平衡载流子都以s大小的垂直速度流出了表面.◆基本要求:掌握直接复合,间接复合,表面复合机理以及各种因素对非平衡载流子寿命的影响.掌握(如上所述的)基本概念,了解金在硅中起的作用.

§5.5 陷阱效应 ◆本节内容: 陷阱效应

陷阱的复合中心理论 陷阱效应观测 ◆课程重点: 陷阱,陷阱中心,陷阱效应: 陷阱效应也是在有非平衡载流子的情况下发生的一种效应.当半导体处于热平衡状态时,无论是施主,受主,复合中心或是任何其它的杂质能级上,都具有一定数目的电子,它们由平衡时的费米能级及分布函数所决定.实际上能级中的电子是通过载流子的俘获和产生过程与载流子之间保持着平衡的.当半导体处于非平衡态,出现非平衡载流子时,这种平衡遭到破坏,必然引起杂质能级上电子数目的改变.如果电子增加,说明能级具有收容部分非平衡电子的作用;若是电子减少,则可以看成能级收容空穴的作用.从一般意义上讲,杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应.从这个角度看,所有杂质能级都有一定的陷阱效应.而实际上需要考虑的只是那些有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级,例如,它所积累的非平衡载流子的数目可以与导带和价带中非平衡载流子数目相比拟.把有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱,而把相应的杂质和缺陷称为陷阱中心.利用间接复合理论对陷阱性质的讨论.◆课程难点:利用间接复合理论对陷阱性质的讨论:陷阱中心与复合中心的性质有很大不同,例如,对于有效复合中心,电子俘获系数与空穴俘获系数的数值相差不大,而有效陷阱中心两者相差很大.若,陷阱俘获电子后,很难俘获空穴,因为被俘获的电子往往在复合前(即落入价带前)又被激发重新释放回导带.即落入陷阱中心的电子很难与空穴复合.这样的陷阱就是电子陷阱.电子陷阱中的电子要和空穴复合,它必须重新激发到导带,再通过有效复合中心完成和空穴的复合.若,陷阱就是空穴陷阱.◆基本概念:通过对陷阱的讨论,可以得到如下几点: 电子陷阱,;空穴陷阱, 陷阱中心非平衡载流子远远超过导带和价带中的非平衡载流子时才有显著的陷阱效应.而且陷阱效应主要是对非平衡少数载流子,而对非平衡多数载流子的陷阱作用不显著.对电子陷阱而言,陷阱能级在费米能级之上,且越接近费米能级,陷阱效应越显著.◆基本要求:明晰陷阱作用;陷阱中心和复合中心的区别;能解释存在陷阱效应时附加光电导的衰减规律.

§5.6 载流子的扩散运动 ◆本节内容: 扩散流密度与扩散系数 非平衡载流子扩散方程的建立 稳态扩散方程及其解 ◆课程重点: 扩散的概念: ① 扩散现象反映微观粒子在特定条件下的运动规律.分子,原子,电子等微观粒子均可在气体,液体,固体中产生扩散运动.② 产生扩散运动的原因(或动力)是各种因素造成的微观粒子的浓度梯度,微观粒子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散.③ 扩散运动与微观粒子的热运动密切相关,使无规则运动有序化,产生定向运动.④ 扩散运动的快慢与微观粒子本身的性质及其所处的环境有关,例如:电子和空穴在硅和锗中的扩散系数各不相同.非平衡载流子的扩散与扩散密度: 对于一块均匀均匀掺杂的半导体,例如n型半导体,电离施主带正电,电子带负电,由于电中性的要求,各处电荷密度为零,所以载流子分布也是均匀的,即没有浓度差异,因而均匀材料中不会发生载流子的扩散运动.如果用适当波长的光均匀照射这块材料的一面,并且假定在半导体的表面层内,光大部分被吸收.那么在表面薄层内将产生非平衡载流子,而内部非平衡载流子却很少,即半导体表面非平衡载流子浓度比内部高,这必然会引起非平衡载流子自表面向内部扩散.下面具体分析注入的非平衡少数载流子——空穴的扩散运动.考虑一维情况,即假定非平衡载流子的浓度只随x变化,写成,那么在x方向, 浓度梯度= 通常把单位时间通过单位面积(垂至于x轴)的粒子数称为扩散流密度.实验发现,扩散流密度与非平衡载流子浓度梯度成正比.若用表示空穴扩散流密度,则有

比例系数称为空穴扩散系数,单位是,它反映了非平衡少数载流子扩散本领的大小.式中负号表示空穴自浓度高的地方向浓度低的地方扩散.上式描写了非平衡少数载流子空穴的扩散规律,称为扩散规律.一维稳态扩散:一种情况是样品足够厚,非平衡少数载流子从光照表面开始,向样品内部扩散过程中也伴随着复合,使非平衡少数载流子浓度按指数规律衰减.第二种情况是样品很薄,非平衡少数载流子来不及复合就扩散到另一表面,并在此表面突然降为零.在这种情况下,非平衡少数载流子在扩散方向上是线性分布.◆课程难点: 非平衡少数载流子一维非稳态扩散方程的建立,其基本思路:取一个很小的体积元,计算单位时间内该体积元内非平衡少数载流子的变化量可以导出所要求的非稳态扩散方程.在考虑非平衡少数载流子的变化量时,有四个因素: 因扩散,在单位时间内流入体积元的非平衡少数载流子,对于n型样品就是空穴,下同).因光照,在单位时间内体积元中产生的非平衡少数载流子 因扩散,在单位时间内流出体积元的非平衡少数载流子

因复合,在单位时间内体积元中消失掉的非平衡少数载流子.显然,上述四条中,前两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量增加,而后两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量减少.所以前两条之和减去后两条之和再除以体积元的体积,就得到单位时间.单位体积中非平衡载流子的改变量,由此可导出一维非稳态扩散方程,以n型样品中的空穴为例,所求方程可表示为:

式中G为产生率,为体积元在扩散方向的线度.方程中右端四项分别对应上述引起空穴改变量时四个因素.如果很小,以致可以取极限,经过数字处理,上式可写作:

该方程的意义,方程右端: 表示由于扩散,单位时间单位体积中积累的空穴数, 表示由于复合,单位时间单位体积中消失的空穴数, 表示由于光照,单位时间单位体积中产生的空穴数, 方程左端则表示了单位时间单位体积中净增加的空穴数.◆基本概念

扩散,扩散流密度,扩散定律,扩散长度,扩散速度,扩散电流密度,探针注入比平面注入扩散效率高.◆基本要求: 明晰基本概念;扩散方程是研究半导体非平衡载流子运动规律的重要方程,因此要掌握扩散方程及其应用;掌握扩散电流密度的计算方法.

§5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 ◆本节内容: 载流子的扩散与漂移 爱因斯坦关系

◆课程重点:爱因斯坦关系:通过对非平衡载流子的漂移运动和扩散运动的讨论,明显地看到,迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量,而扩散系数反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度.爱因斯坦从理论上找到了扩散系数和迁移率之间的定量关系,即.◆课程难点:无

◆基本概念:爱因斯坦关系表面了非简并条件下载流子迁移率和扩散消失之间的关系.虽然爱因斯坦关系式是针对平衡载流子推导出来的,但实验证明,这个关系可直接用于非平衡载流子.这说明刚激发的载流子虽然具有平衡载流子不同的速度和能量,但由于晶格的作用,在比寿命短的多的时间内就取得了与温度相适应的速度分布,因此在复合前绝大部分时间中已和平衡载流子没有什么区别.◆基本要求:能导出爱因斯坦关系式并熟练应用.

§5.8 连续性方程及其应用 ◆本节内容: 连续性方程 连续性方程的应用 ◆课程重点: 连续性方程是非平衡少数载流子同时存在扩散运动和漂移运动时所遵守的运动方程.一般情况下,非平衡载流子浓度不仅是位置x的函数,而且也随时间变化,以空穴为例,连续性方程的一般表达式为: 式中各项的意义,右端: 第一项为由于扩散运动,单位时间单位体积中积累的空穴数 第二,三项为由于漂移运动,单位时间单位体积中积累的空穴数 第四项为由于存在复合过程单位时间单位体积中复合消失的空穴数 第五项为由于某种因素单位时间单位体积中产生的空穴数(产生率) 左端则为单位时间单位体积中空穴的改变量或者说单位体积中空穴随时间的变化率.连续性方程的应用:前面给出的连续性方式为一般表达式,在不同的条件下,具有不同的晶体形式,例如半导体中电场是均匀的,则含有电场偏导数的项应为零.因此,要根据具体情况,正确应用连续性方程.◆课程难点:少数载流子脉冲在电场下的漂移运动,通过解连续性方程并用来指导实验,可以测量载流子的迁移率.◆基本概念:牵引长度:载流子在电场作用下,在寿命时间内漂移的距离.要注意牵引长度与扩散长度的不同之处.◆基本要求:掌握基本概念,能较熟练地应用连续性方程解决具体问题.

第五章思考题与自测题

1.区别半导体平衡状态和非平衡状态有何不同 什么叫非平衡载流子 什么叫非平衡载流子的稳定分布

2.掺杂,改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率,它们之间有何区别 试从物理模型上予以说明.3.在平衡情况下,载流子有没有复合这种运动形式 为什么着重讨论非平衡载流子的复合运动

4.为什么不能用费米能级作为非平衡载流子浓度的标准而要引入准费米能级 费米能级和准费米能级有何区别

5.在稳定不变的光照下,半导体中电子和空穴浓度也是保持恒定不变的,但为什么说半导体处于非平衡状态

6.说明直接复合,间接复合的物理意义.7.区别:复合效应和陷阱效应,复合中心和陷阱中心,俘获和复合,俘获截面和俘获几率.

第六章 p–n结

§6.1 p–n结及其能带图 ◆本节内容: 空间电荷区平衡p–n结地能带图 接触电势差 p–n结内载流子分布

◆课程重点:平衡p–n结的能带图:p型半导体和n型半导体形成p–n结,p区能带相对n区能带上移,而n区能带相对p区下移,直至费米能级处处相等时,能带才停止相对位移.能带相对位移的原因是p–n结空间电荷区中存在内建电场.内建电场地方向由n区指向p区,即n区电势高,p区电势低.因此p区电子的电势能比n区高,所以p区能带高于n区能带.◆课程难点:平衡p–n结中载流子的分布:在p–n结形成过程中,n区的电子向p区扩散,p区的空穴向n区扩散,并伴随着产生内建电场,当p–n结达到平衡时,即费米能级处处相等时,在势垒区,电子和空穴形成一定的分布,它们都比n区和p区的多数载流子浓度小的多,好像已经耗尽了,所以通常也称势垒区为耗尽层,即认为其中的载流子浓度很小,可以忽略,空间电荷密度就等于电离杂质浓度.◆基本概念: 空间电荷区和平衡p–n结: 当n型半导体和p型半导体结合形成p–n结时,由于它们之间杂着载流子浓度梯度导致了空穴从p区到n区,电子从n区到p区的扩散运动.对于p区,空穴离开后,留下了不可动的带负电荷的电离受主,这些电离受主,没有正电荷与之保持电中性.因此,在p–n结附近p区一侧出现了一个负电荷区.同理,在p–n结 附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区,通常就把杂p–n结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷.它们所存在的区域称为空间电荷区.空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区,即从正电荷指向负电荷的电场,称为内建电场.在内建电场作用下,载流子作漂移运动.显然,电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的快扩散运动方向相反.因此,内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用.随着扩散运动的进行,空间电荷逐渐增多,空间电荷区也逐渐扩展;同时内建电场逐渐增强,载流子的漂移运动也逐渐加强.在无外加电压的情况下,载流子的扩散和漂移最终就达到动态平衡,即从n区向p区扩散过去多少电子,同时就将有同样的多电子在内建电场作用下返回n区.因而,电子的扩散电流和漂移电流的大小相等,方向相反或互相抵消.对于空穴,情况完全类似.因此,没有电流流过p–n结.或者说流过p–n结的净电流为零.这时空间电荷的数量一定,空间电荷区不再继续扩展,保持一定的宽度,其中存在一定的内建电场.一般称这种情况为热平衡状态下的p–n结,简称为平衡p–n结.势垒区:在p–n结的空间电荷区中能带发生弯曲,这是空间电荷区中电势能变化的结果.因能带弯曲,电子从势能低的n区向势能高的p区运动时,必须克服这一势能"高坡",才能到达p区;同理,空穴也必须克服这一势能"高坡",才能从p区到达n区,这一势能"高坡"通常称为p–n结的势垒,故空间电荷区也叫势垒区.◆基本要求:理解p–n结的形成原因,能够证明平衡p–n结中费米能级处处相等,能画出平衡p–n结载流子的分布图.

§6.2 p–n结电流电压特性 ◆本节内容: 非平衡p–n结能带图 理解p–n结伏安特性

影响p–n结伏安特性偏离理想方程的因素 ◆课程重点: 1,非平衡p–n结的能带图:非平衡p–n结的能带图与平衡p–n结有两点不同,一是势垒高度由变为,二是非平衡p–n结不再具有统一的费米能级,即产生了电子准费米能级和空穴准费米能级.2,理想p–n结的伏安特性 理想p–n结条件: 小注入条件 即注入少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多; 突变耗尽层条件 即外加电压和接触电势差都落在耗尽层上,耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成,耗尽层外的半导体是电中性的.因此,注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动; 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量,不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用; 玻耳兹曼边界条件 即在耗尽层两端,载流子分布满足玻耳兹曼统计分布.求解理想p–n结伏安特性方程的基本思路: 根据准费米能级计算势垒区边界及处注入的非平衡少数载流子浓度; 以边界及处注入的非平衡少数载流子的分布; 将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程,算出扩散密度后,再算出少数载流子的电流密度; 将两种载流子的扩散电流密度相加,得到理想p–n结模型的电流电压方程式,即伏安特性方程为: 式中

理想p–n结电流电压方程式又称为肖克莱方程.◆课程难点:对影响p–n结电流电压特性偏离肖克莱方程的各种因素的分析:①势垒区产生的电流 p–n结处于热平衡状态时,势垒区内通过复合中心的载流子产生率等于复合率.当p–n结加反向偏压时,势垒区内的电场加强,所以再势垒区,由于热激发的作用,通过复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被强电场驱走了,也就是说势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率,具有净产生率,从而形成另一部分反向电流,称为势垒区的产生电流.②势垒区的复合电流 再正向偏压下,从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴,再势垒区内复合了一部分,构成了另一股正向电流,称为势垒区复合电流.③大注入情况下,外加电压的一部分降在空穴扩散区,它形成的电场产生空穴漂移电流.所以,在空穴扩散区同时存在扩散电流和漂移电流.◆基本概念: 在正向电压下p–n结势垒的变化:p–n结加正向偏压V(即p区结电源正极,n区结负极)时,因势垒区内载流子浓度很小,电阻很大,势垒区外的p区和n区中产生了与内建电场方向相反的电场,因而减弱了势垒区中的电场强度,这就表明空间电荷相应的减少.故势垒区的宽度也减小,同时势垒高度从下降为.势垒区电场减弱,破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡,削弱了漂移运动,使扩散流大于漂移流.所以在加正向偏压时,产生了的从n区向p区以及空穴从p区向n区的净扩散流.在反向电压下p–n结势垒的变化:当p–n结加反向偏压V时,反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致,势垒区的电场增强,势垒区也变宽,势垒高度由增高为.势垒区电场增强,破坏了扩散运动的漂移运动之间的原有平衡,增强了漂移运动,使漂移流大于扩散流.在反向电压下,p–n结的电流较小并且趋于不变.◆基本要求:掌握非平衡p–n结能带图及其与平衡p–n结能带图的主要不同之处.掌握肖克莱方程.了解影响p–n结电流电压特性方程偏离肖克莱方程的方程的原因.

§6.3 p–n结电容 ◆本节内容: p–n结电容的来源 1 垒电容 1,2 扩散电容 突变结势垒电容

2,1突变结势垒电场及其分布 2,2平衡突变结的势垒宽度 2,3平衡突变结的势垒电容

线性缓变结的接触电势差,势垒宽度,势垒电容 势垒电容公式应用 4,1用突变结势垒电容测, 4,2利用线性结势垒电容测杂质浓度梯度和 扩散电容 ◆课程重点: 势垒电容:当p–n结加正向偏压时,势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱,势垒区的宽度变窄,空间电荷数量减少.因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的,所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主.这就是说,在外加正向偏压增加时,将有一部分电子和空穴"存入"势垒区.反之当正向偏压减小时,势垒区的电场增强,势垒区宽度增加,空间电荷数量增多,这就是有一部分电子和空穴从势垒区中"取出".对于加反向偏压的情况,可作类似分析.总之,p–n结上外加电压的变化,引起了电子和空穴在势垒区的"存入"和"取出"作用,导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化,这和一个电容器的充放电作用相似.这种p–n结的电容效应称为势垒电容,以表示.对于突变结为:

对于线性缓变结:

◆课程难点: 扩散电容:正向偏压时,有空穴从p区注入n区,于是在势垒区与n区边界n区一侧一个扩散长度内,便形成了非平衡空穴和电子的积累,同样在p区也有非平衡电子和空穴的积累.当正向偏压增加时,由p区注入到n区的空穴增加,注入的空穴一部分扩散走了,一部分则增加了n区的空穴积累,增加了浓度梯度.所以外加电压变化时,n区扩散区内积累的非平衡空穴也增加与它保持电中性的电子相应增加.同样,p区扩散区内积累的非平衡电子与它保持电中性的空穴也相应增加.这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,称为p–n结的扩散电容.用符号表示:

扩散电容随频率增加而减小,所以上式只适用于低频情况.利用势垒电容可以测量,, ◆基本概念: 因为半导体是电中性的,所以,势垒区内电离的受主总数与电离的施主总数相等,即势垒区内单位面积上的正负电荷数相等.单边突变结的势垒宽度主要在轻掺杂的一边,外加电压变化时,势垒区宽度的变化也主要发生在重掺杂一边.突变结和线性结势垒电容均可等效为平板电容器

◆基本要求:明晰p–n结电容的来源(即产生p–n结电容的原因),掌握基本概念,能够计算势垒高度,势垒宽度,能导出突变结电场分布,以及用突变结势垒电容公式,指导测量轻掺杂一边的杂质浓度和p–n结接触电势差.

§6.4 p–n结击穿 ◆本节内容: 1,p–n结击穿现象 研究p–n结击穿的意义 击穿机理 3,1 雪崩击穿 3,2 隧道击穿 3,3 热电击穿 ◆课程重点: 雪崩击穿:在反向偏压下,流过p–n结的反向电流,主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成.当反向偏压很大时,势垒区中的电场很强,在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用,具有很大的动能,它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时,能把价键上的电子碰撞出来,成为导电电子,同时产生一个空穴.从能带观点来看,就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生了电子–空穴对.p–n结结势垒区中电子1碰撞出来一个电子2和一个空穴2,于是一个载流子变成了三个载流子.这三个载流子(电子和空穴)在强电场作用下,向相反的方向运动,还会继续发生碰撞,产生第三代的电子–空穴对.空穴1也如此产生第二代,第三代的载流子,如此继续下去,载流子就大量增加,这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应.由于倍增效应,使势垒区单位时间内产生大量载流子,迅速增大了反向电流,从而发生p–n结击穿.这就是雪崩击穿的机理.雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外,还与势垒区的宽度有关,因为载流子动能的增加,需要有一个加速过程,如果势垒区很薄,即使电场很强,载流子在势垒区中加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能,就不能hsh雪崩击穿.热电击穿:当p–n结上施加反向电压时,流过p–n结的反向电流要引起热损耗.反向电压逐渐增大时,对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大,这将产生大量的热能.如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去,则将引起结温上升.反向饱和电流密度随温度按指数规律上升,其上升

推荐第5篇：物理学与人类文明 教案（材料）

绪言

物理学与人类文明

一、教学目标

1.了解物理学对人类文明、社会进步的影响

2.在总体上认识物理学，认识到物理学是现代科学和技术的重要基础

3.知道高中物理和初中物理在内容上和方法上的区别

4.知道怎样学好高中物理。

二、重点

理解学习物理的方法

三、难点

物理学的研究范围和学习方法

四、教学方法

讲授法、讨论法、结合多媒体

教学过程

一、自我介绍

简要介绍自己的情况，学习经历，介绍个人研究兴趣，研究成果，使学生熟悉老师，拉近

二、导入新课

1.通过阅读课文，讲解高科技技术的应用，展示物理学美好的发展前景，激发

学生学习物理的兴趣，开拓学生的知识视野。

2．播放序言的视频文件

三、新课教学

1.物理学的研究对象：物理学是研究物质的内部结构、物质存在的基本形式以及它们的性质和运动规律的学科，物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的自然科学。

2.物理学与其他科学技术的关系：物理学是现代自然科学的基础之一，物理学在自然科学的各个领域都起着重要作用。

3.物理学与社会进步：物理学的发展孕育了技术的革新，促进了物质生产的繁荣，改变了人类的生产和生活方式，推动了社会的进步。

4.物理学与思维观念：丰富了人类对物质世界的认识，也改变和扩展着人类的思维方式。是人类思维观念进步的伟大阶梯。

5.物理学的未来：自然界中最常见的运动状态，往往既不是完全确定，也不是完全随机的，而是介于二者之间，但为理解这类现象的混沌理论还远未成熟。

6.高一新生物理学习方法指导

(1)初中物理和高中物理的区别：内容、思维方式、解题方式

(2)如何学好高中物理：基本态度、基本方法、基本要求

(3)学习用品的要求

(4)高中物理课程结构

三、总结与鼓励

四、作业：预习下一节课：第一章 运动的描述 第一节 质点 参考系和坐标系

推荐第6篇：物理学职业规划

职业生涯规划书

姓名:

学号:

学院:

班级:

撰写时间：

年月日 1

一、引言

当代中国社会中大学生的就业形式极其严峻，就业大军不断

壮大，大学生的就业问题因而也成为了国家和社会关注的焦点问

题之一，作为一名大一的学生，我深刻理解职业生涯发展所面临

的严峻和会形式，因此，大学生活的职业生涯规划在此显得尤为

重要。

我作为一名沈阳师范大学物理学专业的师范生，将来的职业

发展肯定是一名物理教师，那么如何成为一名优秀的物理教师

呢？如何在激烈的就业竞争中求得一片立足之地？如何在短暂

的大学生涯中规划好自己的学习发展？如何完成每一步小小的

任务？这些严肃的问题都将是这份职业生涯规划书需要探讨和

解决的问题。

二、自我认知

1、我的性格

优点：乐观、外向、积极开朗，待人处事真诚。做事有上进心。

乐于助人，甘于奉献。讲信用，诚实守信。

尊敬别人，待人礼貌，比较认真负责。做事积极认真。

缺点：做事缺乏耐心和持久的毅力，常常是一时兴起；

说话表达能力较差，不善于展示自我和表达思想。

有事自信心不足，出现问题是会怀疑自己，否定自我的实力，

缺少信心。

2、我的才能

学习能力较强，空间想象能力还可以。同时动手实践能力较好！喜欢在钻研问题。

三、环境分析

1、家庭环境

我来自于一个农村家庭，父母都是农民，家庭经济状况不是很好，父母依靠务农和打工维持生计，同时家庭负担较重。选择师范专业能很大程度缓解父母的家庭负担，减轻家庭经济压力，也能减少我大学学习的心理压力。

2、社会环境

当今社会大学生就业压力巨大，想找一份稳定的工作十分困难。大学本科毕业生就业率总体比较低。但是中华人民共和国正处于光荣复兴的道路上，我们生活在共和国历史上最辉煌的时代，国家经济飞速发展，经济实力不断提升，国家财政对教育事业的投入逐年增大，中央和地方政府非常重视中小学教育发展，教师待遇和社会地位有所提升。

3、学校环境

我就读于沈阳师范大学，这是一所二本师范院校，具好良好的教学理念，而且很注重学生师范技能的培养，可以使我有更多的工作经验。并且，学校拥有偌大的图书资源，可供我们拓宽知识面，学习更多的知识。学校还有很多如家教的兼职，可以使我减 轻家里的经济负担和积累经验。

四、未来人生职业规划

根据自己的兴趣和所学专业，在未来应该会向教师方面发展。围绕这个方面，本人特对未来作初步职业生涯规划如下：

1、学业目标及规划

在大学期间，努力学习，顺利通过每学年的学科测评。大一:通过英语四级考试。充分利用校园环境及条件优势，认真学好专业知识，培养学习、工作、生活能力，全面提高个人综合素质，并做一些兼职，积累一些工作经验，为将来就业做好准备。大二：通过英语六级，计算机二级考试，教师口语考试。并努力学好专业知识，继续学好乐器，并尽量过级。能够去农村支教一次。大三：继续学好专业知识，并了解就业方面的知识和求职技巧。完善教师有关方面的技能，形成自己的教学模式。大四：准备实习，并且准备找工作，有条件的话可以准备考研。

2、评估调整

这只是目前对自己职业人生大致的一个规划，肯定存在很多的不足，我会根据现实的改变做出相应的调整。但我会一直朝着这个目标努力，坚持不懈。任何目标，只说不做到头来都会是一场空。然而，现实是未知多变的，定出的目标计划随时都可能遭遇问题，要求有清醒的头脑。一个人，若要获得成功，必须拿出勇气，付出努力、拼搏、奋斗。成功，不相信眼泪;未来，要靠自己去打拼!

推荐第7篇：物理学个人简历

个人简历姓名：

性别：

籍贯：

民族：汉族 出生年月：

政治面貌：

学历：专业：毕业学校： 联系电话：******* 电子邮箱：@*****.com家庭地址：

专业介绍

物理（师范）专业【本科，学制4年】本专业注重课程教学内容和课程体系改革与建设，以优化专业结构，突出专业优势和特色.实施“通识教育+专业教育+特长教育”的人才培养模式，努力培养学生的综合素质和创新能力.更着重培养了学生师范技能，在讲课、说课、三笔字等方面着重进行了培训，为学生在师范教育一块打下坚实的基础 主修课程

高等数学、力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、理论力学、理论物理导论、概率论与数理统计、线性代数、数学物理方法、电子线路、教育科研方法、物理课程与教学论、现代教育技术理论与应用、教育概论、教育心理学、教师口语、班主任与德育、中学物理实验技能训练微格课、中学物理课程标准解读与教材研究、中学物理教学策略与教学设计、中学物理高考与竞赛专题、中学物理创新实验设计、等中学物理教学的相关课程，并选修了量子力学、固体物理、电工学等专业课程 个人概况

本人性格热情开朗，待人友好，为人诚实谦虚工作勤奋，认真负责，能吃苦耐劳，尽职尽责，有耐心具有亲和力，平易近人，善于与人沟通 学习刻苦认真，成绩优秀，品学兼优

曾担任班级文娱委员，还积极参加课外文体活动，各种社会实践活动和兼职工作等，以增加自己的阅历，提高自己的能力在工作中体会办事方式，锻炼口才和人际交往能力

在平时学校生活中，做过很多兼职例如：家教、电话访问员、酒楼服务员、派传单、问卷调查，还到工厂打过暑期工，锻炼成了吃苦耐劳的精神，并从工作中体会到乐趣，尽心尽力 四年的大学生涯，让我的组织协调能力、管理能力、应变能力等大大提升，使我具备良好的心理素质，让我在竞争中拥有更大的优势，让我在人生事业中走得更高更远 专业能力：物理学教师资格证

三笔字：合格（钢笔字、毛笔字、粉笔字）

计算机能力：全国非计算机专业计算机高级office二级,熟悉Office等应用办公软件 语言能力：有良好的沟通技能，交际能力较强

英语四级，听说读写能力较强◇普通话国家二级乙等

综合能力：责任心强，独立工作能力强，吃苦耐劳，有团队精神

具有良好的策划、组织、协调、管理能力,做事细心和有条理.数学运算能力较好，思考、逻辑能力较强

推荐第8篇：物理学论文

重庆理工大学

改变生活的物理学（结课小论文）

作品名称：物理学与管理学

题

目 物理学与管理学

学

院 会计学院

学 号 112060201

学生姓名 杨雪珂

日 期 2013.11.23 摘 要

管理学是系统研究管理活动的基本规律和一般方法的科学。管理学是适应现代社会化大生产的需要产生的，它的目的是：研究在现有的条件下，如何通过合理的组织和配置人、财、物等因素，提高生产力的水平。管理学是一门综合性的交叉学科。既然是交叉性的学科就与生活中的物理学有许多相通的地方。

本文简略的介绍管理学利用物理现象所取得的一些成就和一些管理学离不开的物理知识。

关键词：管理与物理 人工降雨 汽车上的物理

其实在管理学中利用物理想象来达到理想的管理目的的例子很多，下面我就通过以下几个例子来介绍管理学与物理之间的不可分割的联系。

人工降雨。

“„„傍晚可能有雷阵雨。”8月8日的北京，潮湿闷热，像是憋着一场暴雨，让人无法不相信这样的天气预报。

“这雨怎么还不下？先下了晚上就不会有影响了！”对于晚上将要上演的奥运会开幕大戏，天气这个角色将如何上场，所有人都揪着心，盼望着天公作美。

直到8月9日凌晨，北京奥运会开幕式结束，国家主体育场“鸟巢”滴雨未下。有人认为是气象台预报错了，有人说是老天爷开眼了。其实，所有功劳都应该记在气象人身上———这是中国有史以来最大规模的有组织、有计划成功实施的人工影响天气作业，也是奥运史上在开幕式阶段首次实现人工消雨。【1】

这也是人们在管理的过程中利用物理现象而达到的一个重要而且完美的管理与物理结合的例子。

下面就介绍一下人工降雨所利用的物理学知识和好处。

一、人工降雨的方式

呼风唤雨曾经是人们的美好愿望，随着现代科技的进步，这一梦想已变成了现实，人工降雨便是其中一种实用的方式。炎热的夏天，一场大雨滂沱而至，温度下降，空气湿润又凉爽，该是如何的惬意！同理，冬季里人工降雪即可以水土保墒，又可以净化空气，减少细菌的产生，还可以给人们带来雪中的情趣。 目前，我国的人工降雨方法有三种：一种是利用飞机把冷却剂（干冰、液氮等化学药剂）播洒到云中，使云层温度下降，同时细小水滴冰晶迅速增多加大，最后形成降雨；另一种是在云中播洒吸湿性强的凝结核（如食盐、氯化钙、碘化银、硫化铜等无机盐），使云滴增大为雨滴降落下来；还有就是利用高射炮、火箭等向云层轰击产生强大的冲击波，使云与云发生碰撞，合并增大成雨滴降落下来。【2】

我国的人工增雨始于1958年，当时吉林省遭遇百年未遇的大旱，国家和吉林省的有关科学家们在地方政府的支持下，开展了第一次飞机人工增雨试验。辽宁省在20世纪50年代就开展了高炮人工增雨、防雹作业。全省潜在春旱发生面积达到2200多万亩，1991年正式开展飞机人工增雨作业，每年发射炮弹2万多发，平均为辽宁增加降水12亿立方。从原先负责朝阳和沈阳增雨作业的第一架飞机正式进驻阜新进场开始。发展到现在的火箭增雨系统3架飞机将和360门高炮、56套火箭发射系统。2005年厂家提供608发火箭弹，1万发“37”高炮人工降雨弹，增雨催化剂准备充足，已经形成一个较完整的人工影响天气作业体系。【3】

但人造雨水是不是像自来水龙头那样拧开就来呢？目前我国还办不到，只有俄罗斯、美国等少数几个国家掌握无云降雨技术。所以我们的方式是把云留住，只要有云彩才能够降雨。干旱时，如果天空飘来一片云，就是人工降雨的好条件。早期的人工降雨对自然气候的要求较高，必须有足够厚实的云层，合适的温度和风向等条件。随着技术的进步，我国已经能在各种气候条件下实施人工降雨。针对不同的气象条件，有不同的降雨方法，但惟一不可缺少的前提是大气中必须有足够的水蒸气。也就是说，天空中的云层是水蒸气最好的载体，只要干旱地区上空有充足的云层，便可进行人工降雨。无论用哪种方法进行人工降雨，有利的气象状况都是必要条件。如果届时天空万里无云或云层不多、不厚，气象部门也只能是巧妇难为无米之炊，望天而生叹。另外，人工降雨的成本相对较高，其中包括租用飞机和机场的资金，因此只能是应需而为之。

二、人工降雨的好处： 好处之

一、一场人工降雨可降温5℃以上！

实践表明，火箭降雨降温的效果极其明显，在夏季采取人工降雨过后，气温一般要下降5℃—1O℃。南京曾为缓解干旱采取了人工降雨的方法。降雨前南京的最高气温达到了38．1℃，火箭降雨后，南京的最高气温降至29．5℃，一场人工降雨竟让气温降了8．6℃。

好处之

二、采用人工降雨手段，缓解夏天的用电压力！

夏天人工降雨以降低气温应对缺电，减少开空调耗电的压力。上海今年夏天有约500家企业面临避峰让电的境况，并前后有7批企业进行轮休。杭州市政府甚至号召各企业到北方度假旅游避暑。夏天，我就曾经接待过两批浙江的网友，因为当地高温酷暑，单位集体放假到沈阳度假。后来因为实施人工降雨，江浙一带解决了这个问题。

好处之

三、实施人工降雨向天借水。

由于科技的发展，由过去的旱季作业扩展到雨季作业，从单纯农业抗旱转向水库蓄水、用以改善水资源生态。专家介绍：实施人工降雨，作业后回波强度会增大5dBZ左右(什么东东我也不清楚)，会出现小到中雨，对于增加地表蓄水，改善生态环境十分有利。据测算，一片约30立方千米的云块，若按每立方米含水量为1.74克计算，这片云大约有5.2万吨降水量，对干旱地区而言，可谓是“液体黄金”。每年我国都有大部分地区出现干旱，特别是云南、广东、台湾等省纷纷遭遇严重旱情。面对干旱形势，人工降雨几乎成了具有立竿见影之效的最后一道法宝。为了解决农田干旱灌溉问题，北京市就利用飞机在密云和官厅水库上游羊河、桑乾河、潮河、白河流域5万平方公里进行了22次液氮人工增雨作业，创造了1.7962亿元的产值。工作人员乘安—26专用飞机飞赴北京西部和河北怀来、宣化等地进行增雨作业。三小时内，在北京上风方向4000米高空处共播洒液氮400升。北京喜降入夏以来头一场通透的大雨。人工降雨缓解了旱情，庄稼“喝”得过瘾。目前，北京市已在海淀、延庆、平谷、昌平等区县设立19个作业点，拥有高炮37门、火箭发射器6部，地面作业人员150余人。今年，北京市还将积极实施人工消雾、消雨的影响天气作业。各省气象部门陆续成立了人工降雨办公室，浙江省今年又借助热带风暴，实施了两次增雨。浙江省气象局消息说，人工增雨的效果明显，对缓解浙江全省性的干旱和高温天气起到了一定的作用。飞机从杭州笕桥机场升空，飞往绍兴、台州、温州、丽水东部、金华、杭州南部等。据气象部门监测，在实施人工增雨作业后，浙江的温州、台州地区下了中到大雨，局部暴雨，绍兴及丽水东部、宁波南部的部分地区下了小到中雨，金华局部地区下了阵雨。

好处之

四、防止冰雹、大雾、霜冻

在冰雹形成期间人工降雨，会使冰雹变成雨水，当天空大雾弥漫，实施人工降雨，会使雾气结成雨滴，很快消散。当霜冻来临，人工降雨会迅速化解霜冻。 好处之

五、人工降雨还可以救火

大兴安岭根河地区曾发生火灾，由于在火场上空实施了人工降雨，大兴安岭原始森林火灾得到全面控制。以前森林发生火灾，完全靠人力去扑救，效果甚微，还容易发生伤亡，而且一烧就是很多天，救火其实主要靠开辟防火通道。如今，人工降雨，帮了大忙。发生森林大火的天空云量较多，水气含量较高，实施人工降雨，出动增雨飞机，在云层上面投洒碘化银，促使云层中的水滴增大，形成降雨。【4】

汽车上的物理。

汽车生产者、司机还是交警对于汽车来说都是不同的管理者，这些管理者通过掌握和利用不同的物理只是来维持正常的交通秩序。下面介绍一下其中的一些物理知识与其应用。【5】

1、汽车的底盘质量都较大，这样可以降低汽车的重心，增加汽车行驶时的稳度。

2、汽车的车身设计成流线型，是为了减小汽车行驶时受到的阻力

3、汽车前进的动力——地面对主动轮的摩擦力（主动轮与从动轮与地面的摩擦力的方向相反）

4、汽车在平直路面匀速前进时——牵引力与阻力互相平衡，汽车所受重力与地面的支持力平衡

5、汽车拐弯时：①司机要打方向盘——力是改变物体运动状态的原因；②乘客会向拐弯的反方向倾倒——由于乘客具有惯性

6、汽车急刹车（减速）时，①司机踩刹车——力是改变物体运动状态的原因；②乘客会向车行方向倾倒――惯性 ;③司机用较小的力就能刹住车――杠杆原理；④用力踩刹车——增大压力来增大摩擦；⑤急刹车时，车轮与地面的摩擦由滚动变摩擦成滑动摩擦

7、不同用途的汽车的车轮还存在大小和个数的差异——这与汽车对路面的压强大小相关

8、汽车的座椅都设计得既宽且大，这样就减小了对坐车人的压强，使人乘坐舒服

9、汽车快速行驶时，车的尾部会形成一个低气压区，这是我们常常能在运动的汽车尾部看到卷扬的尘土形成原因

10、交通管理部门要求：①小汽车的司机和前排乘客必须系好安全带——这样可以防止惯性的危害；②严禁车辆超载——不仅仅减小车辆对路面的破坏，还有减小摩擦、惯性等；③严禁车辆超速——防止急刹车时，因反应距离和制动距离过长而造成车祸

11、简单机械的应用：①方向盘、车轮、开窗摇柄等都是轮轴，②调速杆，自动开关门装置是杠杆

结论

本文主要采用文献法论述了物理知识与管理学结合的成功例子，根据已有的文献进行归纳、总结，目的是让读者通过本文能够更好的了解物理与生活实际的联系。

本文的基本结构是这样的：首先简单的介绍了一个管理与物理结合的完美的例子，用来说明管理学的实施和物理学的密切关系。然后介绍了人工降雨的物理原因与其好处，再介绍了一些物理知识在汽车上的应用。

论文存在很多不足之处有待完善，但我还是希望通过这些介绍能让更多的人了解物理学给我们带来的便利，我们的生活离不开物理只是，也希望更多的人能够注意，了解，掌握更多的物理知识和现象。

参考文献

[1] 人民日报.北京奥运会开幕专题.2008.08.09 [2] :董国华,孟宪起,等, 物理百科(中学生百科丛书), 中国经济出版社, 2006-6-1.[3] 《环境标准》-降雨自动监测仪技术要求及检测方法，2005年 [4] 中国自然资源丛书气候卷,中国环境科学出版社, 2010-12-23 [5] 唐杰.杨沿平.钟志华.童一帆, 汽车先进技术论坛丛书.机械工业出版社, 2010-1-1

致谢

学了八周的改变生活的物理学，我坚持每节课必上，不迟到不早退，在老师寓教于乐的教学中，我在物理方面的收获确实不少。在初高中的我是对物理学充满着浓厚的兴趣，其中的一个志愿就是大学攻读理论物理，可惜，很遗憾的事与愿违。不过庆幸的是在大学的选修课中能够有幸上到周密老师的课，有幸在大学生活中得窥物理学冰山一角实属荣幸。

心得

我认为要掌握好这门知识要做到

一、善于观察, 在观察的过程中学习物理。 物理学是研究自然界中物理现象的科学。这些现象包括力现象，声音现象，热现象，电和磁现象，光现象，原子和原子核的运动变化等现象。学习物理的主要任务就要研究这些现象，找出其中的规律,了解产生这些现象的原因，并且掌握，以更好地为生产和生活服务。我们知道，我们周围的世界就是由物质构成的，许多生产和生活现象都是物理现象，要学好物理，就要认真观察周围存在的各种物理现象。

二、要勤于思考, 注意培养自己的逻辑思维能力。 物理学是研究物质运动的最基本、最普遍的规律，它的规律性很强，单靠死记硬背是学不好物理的，一定要勤于思考，增加理解，掌握其规律。

推荐第9篇：物理学史

物理学简史

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3、我国春秋战国时期的墨子在《墨经》中最早记录了小孔成像。我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中最早记录了磁偏角。 英国物理学家焦耳测定了热和机械功之间的当量关系；1840年通过实验

最先精确确定电流的热量跟电流、电阻和通电时间的关系（即焦耳定律），因此功和能量的单位命名为“焦耳”（J）。

1820年丹麦物理学家奥斯特发现通电导体周围存在磁场，即发现了电流的磁效应（即首先发现电和磁有联系）。

1831年英国科学家法拉第发现电磁感应现象（进一步揭示电和磁的联系），导致发动机的发明，实现了机械能转化为电能。

1897年英国物理学家汤姆生发现“电子”，卢瑟福提出了原子核式结构模型，类似太阳系。

英国物理学家牛顿建立了牛顿第一定律（又叫惯性定律）、用三棱镜做光的色散实验，提出自然光是复色光。为了纪念他，力的单位命名为“”牛顿（N）

法国物理学家帕斯卡发现了帕斯卡定律，为了纪念他，压强的单位命名为“帕斯卡”（Pa）

法国科学家安培被后人誉为“电学的牛顿”，他发明了电流表、总结了判定通电螺线管的极性跟电流方向关系的法则（即安培定则），为了纪念他，电流的单位命名为“安培”（A）。

德国物理学家欧姆首先通过实验得到电流跟电压、电阻定量关系（即欧姆定律），为了纪念他，电阻的单位命名为“欧姆”（Ω）。

1864年英国青年物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，建立了电磁场理论；1888年德国青年物理学家赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在，为了纪念他，频率的单位命名为“赫兹”（Hz）

意大利物理学家伏特发明了伏打电池，为了纪念他，电压的单位命名为“伏特”（V）

英国物理学家瓦特改进了蒸汽机，为了纪念他，功率的单位命名为“瓦特”（W）

意大利物理学家托里拆利第一次用实验测出了大气压强的值，由于首先发现了真空，被称为“真空的鼻祖”。

意大利伽利略发现了等时性原理、首先用望远镜观察、总结了天体运动规律，被誉为“经典力学和实验物理学的先驱”。

20世纪杰出物理学家爱因斯坦提出了相对论，总结了质能方程。美国发明大王爱迪生发明的白炽灯泡

古希腊哲学家阿基米德总结了浮力定律（阿基米德原理）和杠杆平衡条件（又叫杠杆原理）。提出“给我一个足够长的杠杆，我可以撬动地球！” 1865年德国马德堡市长奥托·格里克发明了抽气机，通过马德堡半球实验证明了大气压的存在。

1844年莫尔斯发明了电报机。1876年贝尔发明了电话。

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20、1911年荷兰物理学家昂尼斯首先发现超导现象（零电阻效应）；1933年迈斯纳和奥

森菲尔德首先发现超导磁悬浮现象

推荐第10篇：浙大物理学

浙江大学物理系简介

浙江大学物理系成立于1928年，王淦昌、束星北、顾功叙、胡宁、吴健雄、胡济民、卢鹤钹、程开甲、李政道、吕敏、贺贤土等物理学家先后在此工作和学习，创造了中国物理学历史上的辉煌。1991年，诺贝尔物理学奖获得者李政道在浙江大学创建了浙江近代物理中心并亲自担任主任, 为物理系的发展带来了新的契机。1998年，教育部倡导在杭四所重点高校合并为新浙大，中国科学院贺贤土院士任理学院院长和浙江近代物理中心副主任，大大推动了物理系的发展，使物理系的科研教学全面走上了新台阶。

浙大物理系现有教职工118人（其中教授42人），在校学生近600人，（其中本科生约320人，硕士生约120人，博士生约160人）。教师中包括中国科学院院士3人（贺贤土、唐孝威、王育竹），千人计划学者2人（张富春、陈骝），教育部长江学者特聘/讲座教授6人（李有泉、郑波、许祝安、罗民兴、刘荧、袁辉球、陈启瑾、斯其苗），国家杰出青年基金获得者5人（李有泉、郑波、许祝安、罗民兴、刘荧），教育部跨世纪人才和新世纪人才5人（李有泉、罗民兴、陈庆虎、王晓光、赵道木），中科院百人计划引进人才2人（吴惠桢，马志为），以及二十多位活跃在各个研究领域、年龄在40岁左右的青年教授。此外，16位国际著名物理学家也加盟浙大，先后受聘为浙大物理系曹光彪讲座教授或曹光彪特聘教授。如张富春（香港大学）、E W Plummer（美国科学院院士，橡树岭国家实验室）、D.P.Landau（美国乔治亚大学）、陈骝（加州大学）、朱诗尧（香港浸会大学）、张首晟（斯坦福大学）、汤子康（香港科技大学）、来颖诚(亚历桑那州立大学)、文小刚（麻省理工大学）等。他们有的与物理系教授长期合作，有的每年多次来访举办讲座，使物理系的研究课题始终保持在国际前沿。与此同时，一批优秀的海外年轻学者正在奔赴浙大，成为浙江大学物理系新的成员。

浙大物理系的学科方向涵盖理论物理、粒子物理与核物理、凝聚态物理、光学、电子与无线电物理、原子分子物理、等离子体物理。其中理论物理、凝聚态物理是国家重点学科，光学是浙江省重点学科。浙大物理系具有物理学一级学科的博士学位授予权，并有物理学一级学科博士后流动站。浙大物理学科在2006年教育部一级学科评估中，名列全国高校物理学科排名第五。物理系下设五个研究实体：浙江近代物理中心、凝聚态物理研究所、光学研究所、电子与无线电物理研究所、浙江大学聚变理论与模拟中心。还设有学科会聚中心，如唐孝威院士组织的\"交叉学科实验室\"和筹备成立的\"量子科学与量子工程中心\"等。2009年与美国Rice大学等国际单位合作成立了浙江大学国际量子物质合作中心。学科的发展和会聚紧紧围绕国际科技的前沿领域、国家中长期科学发展规划以及高层次创新型人才的培养三个主题。浙大物理系设有大学物理实验中心和大学物理教学中心，负责全校的物理教学和实验。中心的实验和教学设备先进，是教育部211工程和世界银行贷款的建设重点。物理系还是国家理科人才培养基地和国家工科大学物理教学基地。在基地的建设过程中，\"物理学与人类文明\"被评为国家级精品课程，\"大学物理\"被评为浙江省省级精品课程。近五年来，浙大物理系承担国家级科研项目80多项。其中，主持国家自然科学基金重点项目1项，参与的国家自然科学基金重大研究计划项目6项。教育部跨世纪和新世纪人才基金3项，教育部优秀人才培养计划1项，教育部优秀青年基金1项，国家量子调控重大专项和973项目(子项目负责人或学术骨干)9 项，863重大项目课题等项目12项，教育部创新团队一个，国家自然科学基金面上项目50余项。年科研经费达到1000万元。浙大物理系在物理学前沿学科领域取得了突出成果，李有泉教授等人关于SU（4）自旋轨道理论方面的研究工作获得了2002年度国家自然科学二等奖，吴惠桢等人关于ZnO基材料生长和p型掺杂方面的研究工作获得了2007年度国家自然科学二等奖，王绍民教授等人完成的真空激光自动监测大坝变形技术获得了2000年国家科技进步二等奖。其它获奖有教育部的全国高等学校自然科学一等奖1项、二等奖1项，中国青年科技奖1项，教育部提名国家科学技术二等奖1项，教育部科技进步三等奖1项，霍英东青年教师三等奖1项。浙大物理系教师已在《NATURE》《、PHYSICAL REVIEW LETTERS》《ADVANCED、

MATERIALS》、《APPLIED PHYSICS LETTERS》、《PHYSICAL REVIEW A,B,C，D,E》、《OPTICS LETTERS》、《OPTICS EXPRES》等物理学国际顶级刊物上发表高水平学术论文。罗民兴教授关于标准模型精确检验和超对称统一场论的工作单篇论文已被引用超过千次；许祝安教授关于铜氧化合物高温超导材料能斯特效应的实验工作在《NATURE》发表，单篇引用次数已超过230次；郑波教授关于非平衡态动力学的一组研究论文被引用1000余次，陈启瑾教授关于强相互作用下费米冷原子气体的热力学相变的研究自2005年于《SCIENCE》上发表以来已被引用200多次。近五年浙大物理系教师在PHYSICAL REVIEW LETTERS上发表论文21篇，完成的单篇SCI论文引用次数超过50次的10余篇。此外，近三年来，物理系研究生论文入选全国百篇优秀博士论文奖3人次，入选浙江省研究生优秀论文奖5人次，获得竺可桢奖学金等各种高层次奖学金的研究生人数一直持续增长。

浙大物理系的发展优势在于有一大批国际知名学者在近八十年发展历程中留下的治学理念，有其它各门类学科专业与物理学科相互交融和促进的传统，有能够吸引海内外学者不断加盟的学术环境和条件。浙大物理系曾有过历史上的辉煌，浙大物理系培养的物理学人才也一直受到社会的赞誉和重视。今天，浙大物理系师生员工正为创建新的辉煌而努力奋斗着，浙大物理系也正在承前启后地走向生机无限的未来。

第11篇：物理学翻译

人类现代科技发展距今才短短300年，现代社会日新月异，造就了人类文明的巅峰。其中物理学的作用不言而已。物理学是自然科学的带头学科，是现代技术革命的先导，是科学的世界观和方法论的基础。瓦特的热机让人类社会由手工业进入大工业时代——蒸汽时代；法拉第的电磁感应定律让使人类社会进入到电气化时代。到了21世纪的信息社会，诸多前沿物理学理论转化成创新型的生产力。可以说物理学贯穿了人类文明的发展史。

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第12篇：物理学简介

物理学简介（各专业，各方向）

物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。

物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。

随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。

物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这?目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。

物理学介绍---物理学

物理学

物理学早期称为自然哲学，是自然科学中与自然界的基本规律关系最直接的一门学科。它以研究宇宙间物质各层次的结构、相互作用和运动规律以及它们的实际应用前景为自己的任务。

从17世纪牛顿力学的建立到19世纪电磁学基本理论的奠定，物理学逐步发展成为独立的学科，当时的主要分支有力学、声学、热力学和统计物理学、电磁学和光学等经典物理。本世纪初，相对论和量子论的建立使物理学的面貌焕然一新，促使物理学各个领域向纵深展，不但经典物理学的各个分支学科在新的基础上深入发展，而且形成了许多新的分支学科，如原子物理、分子物理、核物理、粒子物理、凝聚态物理、等离子体物理等。在近代物理发展的基础上，萌发了许多技术学科，如核能与其它能源技术、半导体电子技术、激光和近代光学技术、光电子技术、材料科学等，从而有力地促进了生产技术的发展和变革。

19世纪以来，人类历史上的四次产业革命和工业革命都是以对物理学某些领域的基本规律认识的突破为前提的。当代，物理学科研究的突破导致技术变革所经历的时间正在缩短，从而在近代物理学与许多高技术学科之间形成一片相互交叠的基础性研究与应用性研究相结合的宽广领域。物理学科与技术学科各自根据自身的特点，从不 同的角度对这一领域的 研究，既促进了物理学的发展和应用，又加速了高技术的开发和提高。

我国的物理学专业，从来就不是纯物理专业，它是包括应用物理和技术物理在内的基础研究和应用研究相结合的专 业。建国以来，我国的许多新技术学科如半导体、核技术、激光、真空技术等的大部分，都是在物理学科中萌芽、形成和发展起来的。基础性工作与应用性工作同时并存、相互结合是我国物理学科的特点.

物理学科是一门基础学科。在物理学基础研究过程中形成和发展起来的基本概念、基本理论、基本实验手段和精密测量方法，已成为其他学科诸如天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学等学科的组成部分，并推动了这些学科的发展。物理学还与其他学科相互渗透，产生了一系列交叉学科，如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等。这种相互渗透过程一直在进行之中，例如量子计算问题是当前的一个研究热点，有可能对信息科学产生重要的影响。数学对物理学的发展起了重要的促进作用，反过来物理学也促进了数学和其他交叉学科的发展。

物理学也是各种技术学科和工程学科的共同基础，物理量测量的规范化和标准化已成为计量学的一个重要研究内容。依据上述认识，物理学科可包含如下几个分支∶理论物理、粒

子物理与原子核物理、原子和分子物理、凝聚态物理、等离子体物理、声学、光学以及无线电物理。

理论物理

1.概况

理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构、微观相互作用和物质运动的基本规律的学科。一个国家的理论物理学水平，在一定程度上反映了民族的科学素养和独立发展高水平科学技术的潜力。理论物理的研究领域涉及粒子物理与原子核物理、统计物理、凝聚态物理、宇宙学等。几乎包括物理学所有分支的基本物理问题。

2.学科的研究范围

理论物理是在实验现象的基础上，以理论的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子、等离子体和凝聚态物质运动的基本规律，解决科学本身和高科技探索中提出的基本理论问题。研究范围包括粒子物理理论、原子核理论、凝聚态理论、统计物理、光子理论、原子分子理论、等离子体理论、量子场论与量子力学、引力理论、数学物理、理论生物物理、非线性物理、计算物理等。

凝聚态物理

1.概况

凝聚态物理学是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。经过半个世纪的发展，目前已形成了比固体物理学更广泛更深入的理论体系。特别是八十年代以来，凝聚态物理学取得了巨大进展，研究对象日益扩展，更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入，各分支之间的联系更趋密切；另一方面许多新的分支不断涌现，如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一，从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指，每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。目前凝聚态物理学正处在枝繁叶茂的兴旺时期。并且，由于凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系，凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材

料和新器件，在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用。近年来凝聚态物理学的研究成果、研究方法和技术日益向相邻学科渗透、扩展，有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。

2.学科研究范围

研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄

膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。

粒子物理与原子核物理

1.概况

本学科研究粒子（重子、介子、轻子、规范粒子和夸克等）和原子核的性质、结构、相互作用及运动规律, 探索物质世界更深层次的结构和更基本的运动规律。从根本意义上讲，粒子物理和核物理的研究处于整个物理学研究的最前沿。由于宇宙中大量核过程的存在，这门学科对于认识物质世界的另一极端，即天体的形成和演化的规律起着重要的作用。核物理

的研究曾导致了核能的广泛利用。粒子物理和核物理的实验研究对极为精密和极为复杂的仪器设备以及先进实验术的需求是高新技术发展的推动力之一。近

二、三十年来，由于各种大型加速器的建立和各种新型探测技术的发展，以及基于规范场理论（量子色动力学（QCD）和弱电统一规范理论）的创立，我们能够从夸克和胶子的动力学出发来研究强相互作用、强子和原子核结构以及新的强子物质的形成和性质。高能重粒子碰撞形成的极高温度和密度条件下可能产生的强子物质，即夸克－胶子等离子体的研究，对QCD为基础的新的强子态的研究，对超新星爆炸核物理的研究，对新元素

的合成，奇异核的产生及原子核的超形变和高自旋态的研究，以及对QCD非微扰问题的研究等引起了人们广泛的关注。随着对这些具有挑战性的问题的深入了解，人类对物质世界更深层次的结构和运动规律的认识必将进一步深化。

2.学科的研究范围

原子核物理和粒子物理的理论研究和实验研究; 原子核物理与粒子物理同其他学科交叉领域的研究。例如∶核天体物理与高能天体物理等; 核技术在其他学科和工、农业生产部门的应用。

原子与分子物理

1.概况

原子分子物理学研究原子分子结构、性质、相互作用和运动规律，阐明物理学基本定律，提供各种原子分子信息和数据。原子分子物理学是揭示微观世界奥秘的先驱，是现代物理学创立的奠基石。原子、分子和团簇是物质结构从微观过渡到宏观过程的必经层次和桥梁。从天体到凝聚态、等离子体，从化学到生命过程都与原子分子过程息息相关。 原子分子物理学是基础性强、渗透面宽、应用范围广的物理学分支学科。不仅为现代科学各分支学科提供基础理论、实验方法和基本数据，而且在能源、材料、环境、医学和生命科学以及国防研究中发挥重要作用，在开拓高新技术产业和推动科技发展和促进社会进步方面占有不可忽视的重要地位

2.学科研究范围

原子与分子物理学研究原子分子的结构、性质、相互作用和运动规律，阐明物理学基本定律，提供各种各样的原子分子信息和数据。原子结构与原子光谱，分子结构与分子光谱，原子分子与电磁场的相互作用，原子分子的非线性光学性质，物理学基本定律的验证和基本物理学常数的精密测量，原子分子碰撞物理，粒子束与物质的相互作用，单原子分子测控科学与技术，激光束与离子束相互作用，电子和离子、原子、分子间碰撞动力学，负离子产生及其特性，与原子分子物理有关的新概念、新理论、新方法、新技术、新设备及其在国民经济领域中的应用。

光 学

1.概况

光学是研究光辐射的性质及其与物质相互作用的一门基础学科，具有悠久的历史。本世纪六十年代初激光问世，这一划时代的成就为光学学科本身开创了新的纪元。不仅使光学再度成为人类探索大自然奥秘的主要手段及前沿学科，也带动了科学技术和工业的革命性变化。光学作为一门既古老又年轻的学科在基础科学与高新技术的发展

中正占有越来越重要的地位。 激光为人类提供了性能奇特的相干光源，新的光学效应随之不断涌现，新的分支学科如非线性光学、量子光学、光电子学、原子光学等层出不穷。激光与其它学科的结合又使诸如激光化学、激光生物学、激光医学、光量子信息科学等交叉学科应运而生。激光的应用从核聚变、光通信、光信息处理到印刷、记

录技术几乎无所不在，给人类社会的文明进程产生了深远的影响。近年来飞秒高功率激光、X射线激光、光集成、光纤技术、激光冷却、光量子通讯、量子计算机和量子密码术等的迅

速发展更展示了光学学科的深厚潜力和广阔前景，使光学学科的地位与作用与日俱增，必将为人类社会生产力的发展发挥极其重要的作用，成为“科学技术是第一生产力”的生动例证。 光学学科的发展与理论物理、凝聚态物理及材料科学等的发展密切相关，也对信息科学、生物、化学及医学等的进步产生深刻影响。

2.业务范围

研究光辐射的基本性质及其与物质相互作用的基本特征，包括光的产生、传输与探测规律，光与原子、分子、凝聚态物质、等离子体相互作用的线性和非线性光学过程及光谱学特征。研究光学与其它学科交叉的有关问题及应用。

等离子体物理学

1.概况

等离子体物理学主要研究等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相互作用。等离子体物理学是二十世纪发展起来的一门新的物理学独立分支学科。

等离子体是宇宙中最广泛存在的物质状态，认识和掌握各种条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种现象的基本前提。所以，等离子体物理是向我们提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基石之一。

等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希望。地球能源枯竭和现有化石燃料与核电站带来的环境污染、生态危机一直是威胁人类生存的全局性问题。通过受控核聚变来发展用之不竭的清洁能源已成为人类解决能源危机的主要选择。然而，聚变概念的改进和聚变实验堆的优化均要求改善约束和加热等离子体的方法。掌握高温等离子体的运动规律是实现受控聚变的关键。

等离子体物理学研究也是人类认识和控制地球环境变化、开发空间产业、维持全球通讯的重要保证。研究太阳等离子体热核能量的输出和传输，研究磁层和电离层中能量的转化和分配，对于认识和保障地球环境有深远的意义。空间等离子体物理学研究能为保障航天安全和空间应用的正常进行提供理论依据。研究电离层等离子体环境及其对电波传播的影响，起着保障和改善通讯、导航和授时精度的重要作用。

等离子体物理学研究促进了低温等离子体技术以极为迅猛的势头在国民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等等方面的应用已创造了极大的经济效益。等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子加速器新概念的提出。这些项目已初见成效并将在能源、国防、通讯、材料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展的关键。

等离子体物理学各领域的研究还提出了一些带有共性、密切相关的基本问题，诸如波和粒子相互作用与等离子体加热、混沌、湍流和输运、等离子体鞘层和边界层、磁场重联和发动机效应等。这些问题构成了等离子体物理进一步发展的核心内容。

2.研究范围

磁约束聚变等离子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘埃等离子体、基础等离子体等。

声 学

1.概况

声学主要研究声波的产生、接受机理和其在各种媒质中的传播规律与相互作用原理。近代声学，如非线性声学、声与光、声与热等与近代物理学的其它分支有密切的关系。声学是

一门交叉性极强的边缘学科，声学与电子学、计算技术、信息科学等相结合，渗透到国民经济、国防建设、科学研究乃至文化艺术的不同的领域和学科中，既致力于当今科学的前沿领域又重视应用基础研究，使声学成为与前沿科学、高新技术密不可分的应用学科。

2.学科研究范围

a.非线性声学

声孤子混沌，声与物质的非线性相互作用，声空化、声凝聚、声制冷，流体、生物媒质、固体及界面的非线性声特性以及非线性声参量表征与成象。

b.光声科学

光声、光热谱及显微成象技术，固体表面及亚表面结构的分层检测，对半导体材料和器件及其它凝聚态物质的定量无损评价，新型声成象方法及其逆问题，脉冲激光超声激发和检测在材料无损评价中的应用。

c.超声学

声波传播理论和声器件，及在通讯、雷达和电子对抗中的应用，多相媒质中声传播理论，生物媒质及固体中超声检测和声测井新技术、声化学、声传感、新型超声换能器等超声电子器件，以及超声的工业应用等。

d.环境声学与电声学

建筑声学、噪声与振动的有源控制，环境噪声声评价与扬声器等电声器件和系统的振动分析、计算机辅助设计和测试以及电声参数测量新技术。

e.语音信号处理

噪声中语言信息提取，汉语分析、合成、识别、混沌编码通信、数字声频技术等 无线电物理

1.概况

电磁场和波是自然界最基本的物理现象，现代电子信息科学技术的发展有力地促进了作为信息和能量载体的电磁场和波的研究和应用。无线电物理研究电子信息科学技术中电磁场和波(光、红外、毫米波、微波等)与物质相互作用和信息传输的理论、方法及技术, 是现代电子信息科学的基础，在电子高科技中有极为广泛的应用。例如, 现代高频高速电子技术、空间和城市无线通讯、雷达与天线技术、广播与电视、空间全球遥感、电子计算机技术、电子信息计算技术、光声电耦合技术、电磁兼容技术、微波超导、新型复合材料诊断、生物医学电子工程、地球物理能源资源探测、射电天文等等，都是无线电物理的研究领域。当今高科技的发展已促使电子信息科学的研究从简单物质到复杂系统、定性或解析解到定量和数值解、线性或稳态问题到非线性和瞬态问题、正向研究或一般性参数计算到逆向反演和可视化仿真的转化。这不仅创建了无线电物理新的基础理论，而且形成了电子信息科学技术、应用物理、地球、空间、材料等不同学科的广泛交叉和应用。无线电物理中电磁和电子信息的获取、传输、处理和利用形成了众多交叉学科高科技的应用基础，同时，它的广泛应用又促进了物理学基础理论的深入发展。

2.学科研究范围

电磁场与微波、天线与电波传播、复杂系统中电磁散射辐射与传输、空间遥感理论与技术、计算电磁和计算电子学、通讯中的波传输、数字传输理论与技术、毫米波理论与测量技术，微波超导、微波等离子体等

第13篇：原子物理学

原子物理学（专业基础课）

Atomic Physics

以下部分标题填写用黑体五号字体，具体填写内容字体为宋体五号）

【课程编号】BJ2622

5【学分数】3.5

【学时数】66 = 62 + 4 【课程类别】专业基础 【编写日期】2010.3.30 【先修课程】高数、力学、热学、电磁学、光学

【适用专业】物理学

一、教学目的、任务

原子物理是高等院校物理等专业的必修课。通过本课程教学，使学生初步了解物质的微观结构和运动规律，了解可无限分割的物质世界中三个递深的结构层次，为学习量子力学和有关课程打下基础。

二、课程教学的基本要求

本课程从实验事实出发，以阐述原子结构为中心，联系物理学发展史和科研前沿，讨论原子和原子核这一物质结构层次的基本内容。引进量子化概念，探讨原子、原子核与基本粒子的结构和某些运动规律，解释它们的表现性质。强调物理实验的分析，物理概念和物理图象的建立。理解原子壳式结构，了解原子物理学的发展和学习方法。掌握原子能量级概念和光谱的一般情况。理解氢原子的波尔理论，了解伏兰克-赫兹实验。了解氢原子能量的相对论效应。了解盖拉赫实验，理解原子的空间取向量子化，理解物质的波粒二象性了解不确定原则。理解波函数及其物理意义和薛定谔方程。了解碱金属光谱的精细结构，电子自旋轨道的相互作用。理解两个价电子的原子态，了解泡利原理。理解原子磁矩及外磁场对原子的作用，了解顺磁共振和塞曼效应，掌握原子的壳层结构和原子基态的电子组态。了解康普顿效应，理解X射线的衍射及原子核物理。

三、教学内容和学时分配 1+ 3 + 10 + 10 + 6 + 3 + 8 + 8 + 10 + 3 + 4 = 66

（一）理论教学内容及时数（62）

绪论 （1学时）

1、原子物理学的研究对象、基本内容和发展简史

2、原子物理学与其它学科、工程技术学科的关系

3、原子物理学在物理专业教学中的地位与作用

4、学习注意事项和常用参数介绍

第一章原子的基本状况（3学时）

1.1 原子的质量和大小

1.2 原子的核式结构

1.3 同位素

第一章小结和习题课

第二章原子的能级和辐射（10学时）

2.1 光谱——研究原子结构的重要途径之一

2.2 氢原子的光谱和原子光谱的一般情况

2.3 玻尔的氢原子理论和关于原子的普遍规律

2.4 类氢离子和光谱

2.5 夫兰克－赫兹实验与原子能源

2.6 量子化通则

2.7 电子的椭园轨道和氢原子能量的相对论效应

2.8 史特思－盖拉赫实验与原子空间取向的量子化

2.9 对应原理和玻尔理论的地位

第二章小结和习题课

第三章 碱金属原子和电子自旋（10学时）

3.1 碱金属原子的光谱

3.2 原子实的极化和轨道贯穿

3.3 碱金属原子光谱的精细结构

3.4 电子自旋同轨道运动的相互作用

3.5 单电子辐射跃迁的选择定则

3.6 氢原子光谱的精细结构

第三章小结和习题课

第四章多电子原子（6学时）

4.1 氦及周期系第二族元素的光谱和能源

4.2 具有二个价电子的原子态

4.3 泡利原理

4.4 复杂原子光谱的一般规律

4.5 辐射跃迁的普用选择定则

第四章小结和习题课

第五章原子的壳层结构（3学时）

5.1 元素性质的周期性变化

5.2 原子的电子壳层结构

5.3 原子基态的电子组态

第五章小结和习题课

第六章在磁场中的原子（8学时）

6.1 原子的磁矩

6.2 外磁场对原子的作用

6.3 史特思－盖拉赫实验的结果

6.4 顺磁共振

6.5 塞曼效应

第六章小结和习题课

第七章X射线（8学时）

7.1 X射线的产生及波长和强度的测量

7.2 X射线在晶体中的衍射

7.3 X射线的发射谱

7.4 同X射线有关的原子能源

7.5 X射线的吸收

7.6 康普顿效应

第七章小结和习题课

第八章原子核（10学时）

8.1 原子核的基本性质

8.2 原子核的放射衰变

8.3 射线同实物的相互作用和放射性作用

8.4 核力

8.5 原子核结构模型

8.6 原子核反应

第八章小结和习题课

※第九章基本粒子（3学时）

9.1 基本粒子和粒子的相互作用

9.2 粒子的观测

9.3 宇称定律和对称原理

9.4 共振态

9.5 强子分类和层子模型

9.6 关于电磁相互作用

9.7 弱相互作用

（二）研究教学内容及时数（4）

1、原子物理学方面的前沿介绍

2、原子物理学有关问题的讨论

※--机动章节，可以按照实际情况适当调节。

四、教学重点、难点及教学方法

重点和难点：对微观科学的描述不能按宏观规律。了解在原子领域中经典物理遇到的主要困难，为克服这些困难而引入的一些全新的分析方法和推理方法，一些与经典物理不同的新概念：原子的壳式结构，原子能级，空间取向量子化，电子自旋轨道相互作用，泡利不相容原理，磁场对原子的作用，原子壳层结构及原子的电子组态，X射线在晶体中的衍射。

教学方法：通过具体例题讲解、详细分析、归纳各种题型解题的基本思路和方法，并抓紧严格的习题作业训练，提高学生应用理论解决实际问题的能力、实现融会贯通；适当增加原子物理学研究的动向和发展趋势，开拓学生的视野和思路。

五、考核方式及成绩评定方式：考试

六、教材及参考书目

1、推荐教材：

褚圣麟编．原子物理学．北京：高等教育出版社，1988

2、主要参考书：

[1] 顾建中编．原子物理学．北京：高等教育出版社，1986

[2] 杨福家著．原子物理学．北京：高等教育出版社，2000

[3] 神承复.原子物理学(大学物理学自习丛书).上海：知识出版社，1986

[4] 苟清泉．原子物理学.北京：高等教育出版社，1982

[5] 褚圣麟.原子核物理学导论.北京：高等教育出版社，1987

[6] 周邵森.原子物理学学习指导.南昌：江西高校出版社，1993

[7] 赵信.原子物理学习指导.开封：河南大学出版社，1990修（制）订人：审核人：

2010年 3 月30日

第14篇：物理学概论

物理与文化

物理学是一门以实验为基础的自然科学，它是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议《物理学对社会的重要性》指出的，物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。

在自然科学群体中，物理学处于基础和领导地位。进入21世纪的今天，物理学仍是一门充满生机和活力的学科，它的创造性进展仍日新月异，遇到的挑战也愈来愈大。同时，21世纪科学技术的发展将在极大程度上依赖于物理学的发展，物理学仍将在科学技术的发展中占主导地位，物理学对当代以及未来高新技术的发展也将会提供更大的推动力。

在我看来，物理实际就是研究事物的内在规律和事物的道理的一门学科，说明白了，如果你可以把物理学好，把当今科学家的研究成果都有所了解，那么你就会明白所有发生在你周围的事情，如果你是一个对现在的科技都有所关注，那么，你就更会了解物理的魅力所在了，从古到今，从中国到外国所有的科学家都没有忘记对科学的探索。

物理学的发展引发了一次又一次的产业革命，推动着社会和人类文明的发展。可以说社会的每一次大的进步都与物理学的发展紧密相连。

一、物理学与第一次技术革命

物理学的贡献：世纪从英国发起的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，是以蒸汽机被广泛使用为标志的。它开创了以机器代替手工工具的时代，这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革，这次工业革命是牛顿力学与生产技术的结合，在研究提高蒸汽机效率的基础上才创立了热力学的理论，热力学的理论又促进了热机的发展。

对社会的影响：从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代替了手工工场，机器代替了手工劳动；从社会关系方面来说，工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，使工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。

18世纪中叶，在热学发展的基础上发明并改进了蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，促成了手工业向机械化的大生产的转变，并使陆上和海上的大规模的长途运输成为可能。大大推动了社会的发展。古人云：一日千里。火车、飞机的使用使每一个地球人实现了“一日千里”甚至日行万里的梦想。蒸汽机的使用是第一次产业革命。

二、物理学与第二次技术革命

物理学的贡献，丹麦物理学家奥斯特在一次讲座快结束时，发现电流接通时附近的小磁针转动了一下，这一现象被人们称做电流的磁效应；1840年，法拉第发现了电磁感应现象，并逐渐形成了完整的电磁场理论。

对社会的影响，世纪前期创立的电磁学解决了机械能与电能转化的问题。电磁感应现象的发现，使发电机和电动机的制造成为可能，为人类找到了一种新能源，打开了电力时代的大门。在此基础上发展起来的电力工业，使人类进入电气化的时代，给人类的生产和生活带来翻天覆地的变化。大家想想现在使用的电灯、电话、电视、微机等一切的电力设施就能体会了。这是第二次产业革命。

三、物理学与第三次技术革命

晶体管与计算机，晶体管的发明促进了集成电路的发展，使计算机业飞速发展在更多领域得到广泛应用，然而也带来了新能源的应用。

20世纪70年代，微观物理方面取得重大突破，开创了微电子工业，使世界开始进入了以电子计算机应用为特征的信息时代。这是第三次产业革命。

可以说社会的每一次巨大的进步都是在物理学发展的基础上完成的。没有物理学的发展就没有人类社会和文明的巨大进步。

物理文化就在你我的身边，如果我们善于发现我们身边的数理文化美，善于把我们学的知识运用到生活里，去解决我们的或者别人的实际问题，那么我们就是学以致用，如果我们能够学的更加深一些，不断培养我们对物理的兴趣，也许我们就真的可以实现我们小时侯随便夸下的海口，成为一个科学家，即使不然，“学好数理化，走遍天下也不怕”。

第15篇：物理学谜语

物理学谜语

1、你声小它装哑 你高声它回答， 专要俏学腔调，搜索

找遍天涯不见它 （猜一物理学现象）回声

2、房间只有绿豆大， 万千兄弟都住下， 电子器件新一代， 生来追求小型化。

（猜一无线电元件）集成电路

3、闪闪一银河， 风吹不起波， 遇热河水涨， 遇冷河水落。

（猜一物理实验仪器）温度计

4、一个老汉， 肩上挑担， 为人公正， 偏心不平。 （猜一物理实验仪器）天平

5、来无影， 去无踪， 能传景， 能传声。 （猜一物理现象）电磁波

6、顺风耳，千里眼

两种绝技一身兼， 交谈不愁隔天涯，

有它宛如面对面 （猜一物）电视电话

7、通道还比头发细

保密性好容量巨， 能打电话能发报，

互不干扰极便利。 （猜一物）光导纤维通信

8、横看成岭侧成峰， 远近高低各不同，

可制电影和电视。 军事医疗都运用。

（猜一物）全息照相

9、嘉奖胜利（打一物理名词）夸克

10、无词歌（打一物理名词）光谱

11、浪打浪（打一物理名词）冲击波

12、一心只读圣贤书（打一物理名词）光学

13、杯弓蛇影（打一物理名词）视差

14、光阴似箭（打一物理名词）时速

15、退居二线（打一物理名词）位移

16、破涕为笑（打一物理名词）变相

1

17、我自巍然不动（打一物理名词）固体

18、外强中干（打一物理名词）表面能

19、暑假补课（物理学科名）热学 20、淘汰赛（打一物理名词）输出

21、火炬接力（打一物理名词）热传递

22、两耳不闻窗外事（打一物理名词）抗干扰

23、心切切盼儿归（打一物理名词）等离子

24、喜怒哀（打物理过程）三态变化

25、疏通河道（打物理名词）整流

26、考工（打一物理名词）核技术

27、攻书不畏难（打一物理名词）应用技术

28、谢绝送礼（打一物理名词）反馈

29、心有灵犀一点通（打一物理名词）互感

30、一人唱万人合（打一物理名词）共鸣

31、车如流水马如龙（打一物理名词）行频

32、明察秋毫（打一物理现象）毛细现象

33、等量齐观（打一物理过程）长度测量

34、取长补短（打一物理名词）平均值

35、半斤八两（打一物理过程）质量单位换算

36、物换星移（打一物理名词）机械运动

37、习与性成（打一物理名词）惯性

38、势均力敌（打一物理名词）二力平衡

39、事半功倍（打一物理名词）效率

40、热火朝天（打一物理名词）空气对流

41、近朱者赤，近墨者黑（打一理名词）扩散

42、一孔之见（打一物理现象）小孔成像

43、不分青红皂白（打一物理名词）色盲

44、随声附和（打一物理现象）回声

45、回光反照（打一物理现象）光的反射

46、万变不离其宗（打一物理现象）能的转化和守恒

47、一手遮天（打一物理现象）光沿直线传播

2

48、以静制动（打一物理名词）静摩擦

49、表里如一（打一物理名词）密度 50、闹矛盾（打一物理名词）摩擦

52、给聋子带耳机（打一物理名词）无用功

53、咱们工人有力量（打一物理名词）功

54、千里相逢，一日一里（打一物理名词）重量

55、半斤八两玩压板（打一物理名词）天平

56、泵上去石，石浮水上（打二字表示一物器械）水泵

57、支起半吨（打一物理器材）千斤顶

58、上下一体（打一物理单位）卡

59、自相矛盾（打一物理名词）开关 60、山重水复疑无路，柳暗花明又一村(打两物理过程）断路通路 6

1、捷径（打一物理名词）短路 6

2、一模一样（打一物理过程）平面镜成像

6

3、馒头入屉（打一物理过程）蒸发 6

4、小小铜帽头上戴，亮亮锌衣穿起来

顶天立地一根柱，呼电呼流它全才 （打一物理器材）干电池 6

5、安全线保险丝

6

6、潜入敌人心脏工作（打一物理学家名）伏特

6

7、卧倒射击（打一物理学家名）伏打 6

8、异口同声（打一物理名词）共鸣

6

9、面目全非（打一物理名词）变形 70、越走越快（打一物理过程）加速运动

7

1、两队拔河实力相当（打一物理名词）平衡 7

2、景德镇的作坊．（打一物理名词）磁场 7

3、黑白倒置（打一物理器材）底片 7

4、一变七，七合一，

一就是七，七就是一。（打一物理名词）白光 7

5、外面口字少一，里边口字多一，

上面正差一笔，下面少欠一点。（打一物理名词）同步

3 7

6、说它是钟不是钟，不报时来不出声。

表针表盘全齐全，电路测试它全能。（打一物理仪器）万能表 7

7、明察秋毫（打一物理仪器）显微镜 7

8、一个小铜人，臂在肚子里，

电荷一下去，双手就举起。验电器 7

9、对红（打一物理单位）赫

80、孔明的儿子拍照（打一光学名词）小孔成像 8

1、心有余而力不足（打一光学名词）光心 8

2、俺大人不在（打一电学名词）电 8

3、抑制怒火（打一物理单位）大气压 8

4、只见熊走，不见足迹（物理名词一）能 8

5、敢怒不敢言（物理名词一）空气 8

6、闹矛盾（物理名词一）摩擦 8

7、抵押品（物理名词一）物质 8

8、冲胶卷（物理名词一）现象 8

9、咱们工人有力量（物理名词一）功 90、大脚走路，一分为二（物理名词一）距离 9

1、千里相逢，三星伴月（物理名词一）重心 9

2、歪脖子（物理名词一）斜面 9

3、屡教不改（物理名词一）惯性 9

4、计时秒表（物理名词二）能量，度 9

5、我的本领真高强，人人没我活不成，

天天与你相接触，看不见来摸不着，

不得烧来不得吃，你猜我是啥名堂。（物理名词一）大气压 9

6、最近照片（物理名词一）现象 9

7、弱者制强（物理名词一）压强 9

8、木匠干活（物理名词一）杠杆

9

9、指头触电，手有感觉（物理名词一）摩擦 100、不会走的“动物”（物理器材一）砝码

4 10

1、尺子（打一物理名词）能量 10

2、瀑布（打一物理名词）直流 10

3、离婚（打一物理名词）绝缘 10

4、死胡同（打一物理名词）断路 10

5、交上坏朋友（物理名词一）接触不良 10

6、岿然不动（打一物理名词）静止 10

7、谜底作谜面（打一物理名词）反射 10

8、势均力敌（打一物理名词）平衡 10

9、稍微放心（打一物理量单位）微安

110、悄悄过河（打一物理名词）密度

1

11、谁敢砸瓮救溺童（物理名词一）（司马）光能 1

12、捷径（打一物理名词）短路 1

13、归途（打一物理名词）回路

1

14、功课不好怎么办（物理名词）（应-用力-学） 1

15、不重生男重生女（物理名词）轻子 1

16、哈哈镜（打一物理名词）失真 1

17、苦修圣言先贤书（物理名词）经典力学 1

18、大家都来量体温（打一物理名词）比热 1

19、屡战屡败（打一物理名词）负极 1

23、处处闻啼鸟（打一物理名词）共鸣 1

24、咫尺天涯（电学名词）短路、绝缘 1

25、风平浪细（打一物理名词）微波 1

26、天涯若比邻（打一物理名词）遥感短路

1

27、待到朱颜改物理名词（打一物理名词）等容变化 1

28、两情经由恳谈来物理学家连理论一爱因斯坦、相对论 1

29、胎教物理名词二导体、中子 130、待产物理名词一等离子体 1

31、谜底作谜面物理名词一反射

1

32、唤起鳞鳞细浪物理名词三声能、振荡、微波

5 1

33、日照香炉生紫烟物理名词二太阳能、蒸汽 1

34、单行道物理名词一不可逆过程 1

35、三闾大夫才出众物理名词一原子能 1

36、本人物理名词二固体、位移

1

37、我住江之头，君住江之尾物理名词二遥感、波长 1

38、铜雀春深锁二乔物理学家一居里夫人 1

39、妙手回春医盲人物理名词一可见光 140、咫尺天涯电学名词二短路、绝缘 1

41、称雄一时物理名词一强子 1

42、思想抵触电磁学名词一感抗 1

43、好为人师物理名词一热传导 1

44、促膝而谈物理名词一相对论 1

45、夏练三伏猜物理学科名一热学 1

46、水面轻风生细鳞物理名词二气流、微波 1

47、心有灵犀一点通物理名词互感 1

48、双方一直有来往物理名词串联 1

49、心潮逐浪高物理名词波的叠加 150、空空如也物理名词虚象 1

51、如屡教不改物理名词惯性 1

52、异口同声物理名词共鸣 1

53、闹矛盾物理名词摩擦 1

54、四季如春物理名词一恒温

1

55、用暴力干涉婚姻物理名词二压强、绝缘 1

56、急剧老化物理名词二衰变、时速 1

57、爱好体育物理名词一热运动 1

58、半斤八两物理名词一平衡 1

59、静静的顿河物理名词一恒流 160、林冲被逼上梁山物理名词一高压 16

1、只准前进物理名词一不可逆过程

6 16

2、婴儿出世三十天猜天文名词一满月 16

3、那里并不遥远猜天文名词一近地点 16

4、天涯海角猜天文名词一远地点

第16篇：第11课《物理学的重大进展》教案

第11课《物理学的重大进展》教案

【课标要求】

了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位。知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。 【教学重点、难点】

重点：伽利略对物理学发展的重大贡献；经典力学的建立； 相对论的提出；量子论的诞生。

难点：物理学各阶段发展的原因；对科学发展创新性的理解。 【教学方法】讲授法、问题探究法、案例教学法 【教学过程】

【导入新课】（略） 【讲述新课】

近代科学诞生的历史背景是什么？（教师引导学生集体回答）

一、经典力学篇

【合作学习】学生用2分钟时间阅读教材54页——55页内容，回答伽利略为人类认识自然创立了什么新研究方法？在物理学和天文学方面有那些贡献，分别产生了哪些重要影响？

1.经典力学的奠基者——伽利略

（1）成就：①创立科学的研究方法：实验和观察。

②物理学：实验证明力与运动状态的关系，发现自由落体定律等。

③天文学：自制望远镜观察天体并取得大量成果的第一人，证明了哥白尼“日心说”的正确性。

（2）意义：①大大改变了古希腊哲学家亚里士多德以来有关运动的观念，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。

②伽利略在天文学上的发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。

2、牛顿创立经典力学

【自主学习】阅读教材第55页相关内容，总结牛顿经典力学创立的标志、特点及意义。

（1）标志：1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律和万有引力定律。

（2）特点：以实验为基础，以数学为表达形式。

（3）意义：①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。 ②经典力学体系具有科学性和预见性：牛顿力学体系对解释和预见物理现象具有决定性意义，根据牛顿力学体系，人们发现了海王星。

二、20世纪的物理学革命——相对论篇 【质疑与思考】：以牛顿的理论为代表的经典物理学理论是不是就绝对正确、无所不能的呢？据此总结相对论创立的背景。

1、历史背景：

（1）19世纪科学得到了飞速发展； （2）经典力学无法解释研究中遇到的一些问题，如高速运动的微观粒子等。

2、相对论的提出及主要内容：

（1）提出：20世纪初，爱因斯坦提出了著名的相对论，引发了20世纪物理学的一场重大革命。

（2）内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。 狭义相对论认为，物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。

广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。（学生了解，能抓住特点即可）

3、意义：

（1）相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。

（2）爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。

【问题】基于以上问题的探讨，请说明相对论与牛顿力学的关系？ 相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而狭义相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论的一种特例（物体低速运动状态），包括在相对论体系中。

【过渡】19世纪经典物理学达到巅峰状态，在人们心目中，经典物理学已经达到近乎完美的程度。这时，年轻的普朗克和他的老师发生了一段对话：

普朗克：“老师，我准备把我的一生都 献给物理理论学！”

老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展，把一生都献给这门学科，太可惜了。”

【质疑与思考】：那么，物理学是不是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展呢？

三、量子论篇

采用学生自学的形式，让学生自己去归纳学习要点。 【自主学习】请同学们应用经典力学篇和相对论篇的方式，自主完成对量子论提出的背景、诞生的标志、发展的表现、量子论与量子力学的影响的总结。（限时3分钟）

1、诞生的背景：

2、量子论的诞生、发展和量子力学：

3、量子论和量子力学的影响：

4、教师小结：相对论和量子论是现代物理学的两大支柱，共同构成了经典物理学的基础。这两种理论的提出，解决了经典物理学在微观领域及宏观世界方面所面临的问题。，改变了人们看世界的方式和角度，它们不仅对物理学本身，对自然科学，而且对人类的思维都产生了重大影响。

【精神启示】通过对伽利略、爱因斯坦、普朗克等人事迹的学习，给我们的学习和生活有什么启发？

第11课《物理学的重大进展》板书设计

一、经典力学篇

1.经典力学的奠基者——伽利略

（1）成就： ①创立科学的研究方法：

②物理学： ③天文学：

（2）意义：

2、牛顿创立经典力学 （1）标志： （2）特点： （3）意义：

二、20世纪的物理学革命——相对论篇

1、历史背景：

2、相对论的提出及主要内容： （1）提出：

（2）内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。

3、意义：

4、相对论与牛顿力学的关系

三、量子论篇（自学，归纳要点）

1、诞生的背景：

2、量子论的诞生、发展和量子力学：

3、量子论和量子力学的影响：

4、小结：

第11课《物理学的重大进展》学案

一、经典力学篇

【合作学习】用2分钟时间阅读教材54——55页内容，总结回答伽利略为人类认识自然创立的新研究方法、在物理学和天文学方面的贡献及其重要意义。 1.经典力学的奠基者——伽利略

（1）成就：①创立科学的研究方法：

②物理学： ③天文学： （2）意义： ①

②

2、牛顿创立经典力学

【自主学习】阅读教材第55页，总结牛顿经典力学创立的标志、特点及意义。 （1）标志： （2）特点： （3）意义：

二、20世纪的物理学革命——相对论篇

【质疑与思考】：以牛顿的理论为代表的经典物理学理论是不是就绝对正确、无所不能的呢？据此总结相对论创立的背景。

1、历史背景：

2、相对论的提出及主要内容： （1）提出： （2）内容：

3、意义：

【问题】基于以上问题的探讨，请说明相对论与牛顿力学的关系？ 【质疑与思考】：物理学是不是一门已经完成了的学科，为什么？

三、量子论篇 【自主学习】请同学们应用经典力学篇和相对论篇的方式，自主完成对量子论提出的背景、诞生的标志、发展的表现、量子论与量子力学的影响的总结。（限时3分钟）

1、诞生的背景：

2、量子论的诞生、发展和量子力学：

3、量子论和量子力学的影响：

【精神启示】通过对伽利略、爱因斯坦、普朗克等人事迹的学习，给我们的学习和生活有什么启发？

第17篇：原子物理学教学大纲

原子物理学 课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；

课程名称：原子物理学 所属专业：物理学专业 课程性质：基础课 学

分：4

（二）课程简介、目标与任务；

原子物理学是物理类专业本科生的专业必修课，以物质结构的第一个微观层次（原子）为研究对象，是联接经典物理和近代物理的一门承上启下的课程。在理论方法上，该课程揭露经典理论在原子这一微观层次遭遇到的困难，并且为了解决这些困难而引入量子力学，学生将在本课程中较为系统地学习到量子力学的基本概念、基本原理、基本思想和方法。在应用实践上，通过本课程的学习，学生将系统性地了解和掌握原子物理学的发展历史，获得有关原子的电子结构、性质及其与外场相互作用的系统性知识，为以后从事相关的科学研究、生产应用和教学工作打下良好的基础。

（三）先修课程要求，与先修课之间的逻辑关系和内容衔接；

先修课程：《高等数学》、《数学物理方法》、《力学》、《理论力学》、《热学》、《电磁学》、《光学》

关系：《高等数学》和《数学物理方法》是学习原子物理学的数学基础。《力学》、《理论力学》、《热学》、《电磁学》和《光学》包含了学生在学习原子物理学之前需要掌握的必要的经典物理知识。有了这些准备知识才能理解为何不能用经典理论来研究原子体系，从而必须引入量子力学。

（四）教材与主要参考书；

选用教材：杨福家, 《原子物理学》 第四版, 高等教育出版社, 2010 主要参考书： 1, C.J.Foot， 《Atomic Physics》， Oxford University Pre， 2005 2, H.Friedrich， 《Theoretical Atomic Physics》， Springer， 2006 3, 褚圣麟， 《原子物理学》，高等教育出版社， 1987 4, 曾谨言， 《量子力学》， 科学出版社， 2000 5, 卢希庭， 《原子核物理》， 原子能出版社， 1981

二、课程内容与安排

绪 论 原子物理学的发展历史（2学时）【了解】

第一章 原子的组成和结构（5学时）

第一节 原子的质量和大小【掌握】 第二节 电子的发现【了解】 第三节 原子结构模型【了解】

第四节 原子的核式结构，卢瑟福散理论【重点掌握】【难点】 第五节 卢瑟福理论的成功和不足【掌握】

第二章 原子的量子态，玻尔理论（8学时）

第一节 背景知识：黑体辐射、光电效应和氢原子光谱【掌握】 第二节 玻尔的氢原子理论【重点掌握】【难点】 第三节 玻尔理论的实验验证【掌握】

第四节 玻尔理论的推广：椭圆轨道理论和碱金属原子光谱【重点掌握】 第五节 玻尔理论的成功与缺陷【掌握】

第三章 量子力学导论（18学时）【重点掌握】【难点】

第一节 波粒二象性 第二节 不确定关系 第三节 波函数及其统计解释 第四节 态叠加原理 第五节 薛定谔方程 第六节 薛定谔方程应用举例 第七节平均值和算符 第八节 量子力学总结

第九节 氢原子／类氢离子的量子力学解法 第十节 爱因斯坦关于辐射和吸收的唯象理论 第十一节 量子跃迁理论，含时微扰论 第四章 原子的精细结构，电子自旋（14学时）【重点掌握】【难点】

第一节 电子的轨道磁矩 第二节 施特恩－盖拉赫实验 第三节 电子的自旋和自旋磁矩

第四节 相对论量子力学初步，狄拉克方程 第五节 自旋轨道相互作用，原子的精细结构 第六节 外场对原子的作用，定态微扰论

第七节 外磁场对原子的作用，塞曼效应，帕邢－巴克效应 第八节 外电场对原子的作用，斯塔克效应，运动电场

第五章 多电子原子，泡利原理（10学时）【重点掌握】【难点】

第一节 多电子的耦合 第二节 氦原子的光谱和能级 第三节 泡利不相容原理

第四节 量子多体理论初步，平均场近似 第五节 原子的壳层结构，元素周期表 第六节 原子基态，洪特定则，朗德间隔定则 第七节 氦原子／类氦离子的量子力学解法

第六章 Ｘ射线（5学时）

第一节 Ｘ射线的发现和波动性【了解】 第二节 Ｘ射线的产生机制【掌握】 第三节 康普顿散射【重点掌握】 第四节 Ｘ射线在物质中的吸收【了解】

第七章 原子核物理概论（10学时）

第一节 原子核物理的研究对象和发展历史【了解】 第二节 核的基态性质一：核质量，结合能【掌握】 第三节 核力的介子理论【了解】 第四节 核的基态性质二：核矩【掌握】 第五节 原子核多体问题的困难【了解】

第六节 核结构模型：费米气体模型、液滴模型、壳模型、集体运动模型【了解】 第七节 放射性衰变的基本规律【掌握】

第八节 阿尔法衰变、贝塔衰变和伽玛衰变【掌握】 第九节 穆斯堡尔效应【掌握】 第十节 核反应，Ｑ方程【掌握】

第十一节 核反应模型：复合核模型、光学模型、黑核模型、蒸发模型【了解】 教学方法：教学中始终突出以学生为本的教育理念，重视课程的规划和建设，按照课程体系制定规范的教学大纲和教学进度表；因材施教使学生掌握物理学的发展脉络和做科研的方法，使学生变被动学习为主动学习，真正达到从会学到好学；通过启发式教学培养学生较强的主动思考习惯，注重对大学生创新思维和解决实际问题能力的培养；及时与学生进行有效沟通，布置课后作业，必要时进行习题讲解；将科研前沿引入课堂，使学生了解原子物理、量子力学和量子多体理论的研究现状和发展前景；开发并实施多媒体教学手段，使得课程的教学实施建立在现代教育技术平台之上。

考核方式：采用平时作业、课堂提问、和期末闭卷考试相结合的方式综合评价学生的成绩。

制定人：房铁峰审定人： 批准人： 日 期：

司明苏

第18篇：物理学知识点总结

液体的表面现象

掌握表面张力系数、表面能（概念、计算）、弯曲液面的附加压强（计算）、毛细现象（概念） 毛细管内液面升高或下降的高度（计算）

流体力学基础

想流体的定常流动的有关名词（概念）、连续性原理（计算）、伯努利方程及其应用（计算）

气体分子运动的统计规律

理想气体状态方程（概念、计算）、理气压强和温度公式（概念、计算）、能量均分原理（概念）

理想气体的内能表达式（概念、计算）、气体分子速率分布规律（概念、计算）、特征速率（概念、计算）平均碰撞次数、平均自由程（概念、计算）、

热力学基础

名词(系统 环境 内能 热量 体积功 准静态过程) （概念、计算）、热力学第一定律及其对理想气体的应用（概念、计算）、四个热力学过程中吸热、做功、内能增量、状态图及过程方程（计算）

热机（卡诺和非卡诺）循环过程及效率（计算）、致冷机（卡诺和非卡诺）循环过程及效率（概念、计算） 热力学第二定律及其统计意义（概念）、熵，熵增加原理（概念、计算）

机械振动

判断物体做简谐振动的方法（物体受力、动力学方程和运动学方程）（概念、计算）、三个特征量（概念） 旋转矢量（概念、计算）、理解谐振动的能量（机械能守恒）（概念、计算）

掌握振动的合成（同方向，同频率）（计算）

机械波

掌握简谐波的概念和方程（概念、计算）、波的能量（概念）

掌握惠更斯原理（概念）、波的干涉和衍射（概念）.

光的干涉

可见光波长范围（概念）、相干光（概念）、光程、光程差（概念、计算）、半波损失（概念） 杨氏双缝干涉（概念、计算）

劈尖干涉（概念、计算）

等倾干涉（概念）

光的衍射

惠更斯-菲涅耳原理（概念）、单缝夫琅禾费衍射（概念、计算）

光栅衍射（光栅常量、光栅方程、（概念、计算）

圆孔衍射, 光学仪器的分辨本领（概念、计算）

光的偏振

掌握光的偏振态（概念）、马吕斯定律（概念、计算）、布儒斯特定律（概念、计算）

第19篇：趣味物理学读后感

《趣味物理学》读后感

这个假期，我阅读了一本很有趣的关于物理学的书，它便是前苏联的雅科夫.伊西达洛维奇.别莱利曼所写的《趣味物理学》了。这本书作于二十世纪三四十年代。虽然它很老，但它很经典，读起来便更加兴趣盎然了，如饮甘露，如食甘贻。

书很厚，翻了翻，足足有550页。细细一看，每一页都有一个物理知识的讲解，还有很多黑白插图。我立刻被吸引，竟一口气看了将近100页。全书大致分为19章，有的章节会专门对一个问题进行讨论。每一则知识都会举一个例子或者讲一个故事，不像很多教科书那样地只讲抽象的、空洞的概念。

里面提到了一些很典型的问题：如十月的铁路有多长？为什么电线在冬天会被“偷走”？假如地球突然停止，会发生什么现象？这些问题看似简单，其实其中蕴含了许多物理知识：由于热胀冷缩，铁路夏天会比冬天长300多米，电线冬天会比夏天短200多米；由于惯性，地球如果突然停止，地球上的所有物质都会被甩向太空„„

在读书的过程中，其中有一章尤为吸引了我的注意力，那就是“视觉错觉”这一章。这一章中图片丰富，主要为实验图片。比如有一幅测试错觉的图片，

是黑格被白线分开成许多块，结果看时发现白线的交叉点居然有灰点闪现，定睛一看，又不见了。作者还特意提到当时印这一章时，查锌版的人居然让人把白线交叉点上的灰点去掉，正好作者进去，跟他讲明白了才避免一场误会。

读着这本书，我发现物理和生活息息相关。一些我以前不知道的知识，读完它，我全都了如指掌。但是我却一点也不觉得它枯燥无味，反而对它爱不释手。正如作者在自序中就提到：“我所努力希望做到的，不是要‘教会’读者多少新知识，而是要帮助读者‘认识他所知道的事物’”。

读完这本书，我明白了一个道理：一个人一旦对于一门学科发生兴趣，就会加倍注意，也就能够自觉地去深入探索与学习，在兴趣的引导下所学到知识才更加“牢固”，更加有趣。

第20篇：物理学职业规划书

天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。

职业生涯规划书

一、前言

一个不能靠自己的能力改变命运的人，是不幸的，也是可怜的，因为这些人没有把命运掌握在自己的手中，反而成为命运的奴隶。而人的一生中究竟有多少个春秋，有多少事是值得回忆和纪念的。生命就像一张白纸，等待着我们去描绘，去谱写。作为当代大学生，若是带着一脸茫然，踏入这个拥挤的社会怎能满足社会的需要，使自己占有一席之地？因此，我试着为自己做一份有用的职业规划书，将自己的未来好好的设计一下。有了目标，才会有动力。

二、自我认知及朋友建议

1、自我认知

我的控制欲强,希望控制生活与学习环境，喜欢别人按照自己的指示来行事，因此，有时会忽略其他人的感受；我很自信，喜欢显示自己的能力,显露自己的理念；我很乐观，常看到事情积极的一面；我身体素质很好，有冲劲，干劲十足，休息时间少，做事效率高。

我渴望能力能受到肯定，有强烈的掌控支配欲，希望能享有不受拘束的发展空间。我有正确的世界观、人生观、价值观，并通过在大学的学习，使自己具备良好的的价值倾向。

我平日喜欢阅读历史、人物传记、管理以及一些励志的书籍，我

1 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 的床头每天放着几本这些书籍，睡觉前都要阅读一点，以使自己保持终身学习的良好习惯。

我喜欢文体运动，特别篮球、长跑和音乐。通过这些文体运动来调节心情、状态，使自己时时充满激情与活力。

我平时喜欢与人交往，以诚待人。所以跟从小学到大学的很多同学朋友都经常保持沟通联系，这是我非常巨大的财富。

2、朋友建议

人，是一个永恒的话题。朋友，在每个人的一生中都至关重要。朋友，永远是我最大的财富之一；友情，是我人生路上一笔受益非浅的储蓄，这储蓄，是患难中的倾囊相助，是错误道路上的逆耳忠言，是跌倒时候的一把真诚的搀扶，是痛苦时抹去泪水的一缕春风。

在小学时代，由于小时候我们都生活在农村，一起玩着长大，所建立起来的友谊是非常纯洁和美好的。平日里彼此都保持联系、通讯，逢年过节大家都会一起相聚、畅谈。遇到谁有困难、危机彼此都能够倾力相助。这一点是我非常骄傲自豪的。在中学时代，这个期间的朋友，因为大家思想已经比较成熟，在一起相处的日子中所建立的友谊比较深厚，所以这个期间有幸结识的好几个挚友。我想这个期间的好友在我今后日子中将起很大的作用和帮助。现在呢，由于语言和地域不同的关系等等，一般情况之下，彼此的友谊比起中学、小学来说，相对的没有那么的纯洁和美好。但这些朋友中，大家普遍基础好，起点比较高，发展潜力比较大。因此这些朋友对自己今后的发展帮助也是非常大的。

2 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。

三、解决自我认知中的劣势和缺点

所谓江山易改，本性难移，虽然恒心不够，但可凭借那份积极向上的热情鞭策自己，久而久之，就会慢慢培养起来，充分利用一直关心支持我的庞大亲友团的优势，真心向同学、老师、朋友请教，及时指出自己存在的各种不同问题并制定出相应计划以针对改正。经常锻炼，增强体质，以弥补各类不足带来的负面影响。

四、SWOT分析

1、我的优势(strength)

性格优势：责任心强，做事认真负责，细致入微，有爱心，做事很耐心。对于自己要求严格，工作追求完美。有很好的组织能力，注重团队精神。有探险精神、创造意识以及克服困难的勇气。独立自主，工作时全神贯注，能够客观地分析和处理问题，交际能力较强.具有敏感的观察能力。十分热爱教师这个职业。

专业优势:当今“以人为本”的教育理念呼唤教师的自我发展意识，要求教师首先是全面发展和人格完善的人，应努力成为自觉创造自身职业生命的主体。教师的自我发展需要和意识是自我专业发展的内在主观动力，使教师本人在专业发展中的能动作用得到极大地发挥，也使得实践终身教育思想成为可能，并可促使自我专业发展能力的形成，成为促进专业发展的新因素。全民族素质的提高是建立人力资源。提高全民族的素质是建立人力资源强国的基础。这个任务很大程度落在农村教育上。因为扫除青壮年文盲和提高义务教育的水平，主要在农村。长期以来城乡二元结构造成农村教育的落后需要今天我们来改

3 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 变。教师的任务更重大，更艰苦，也更光荣。由此来看，教师肩负的历史使命也为自身职业的发展创造了前所未有的机会。

教师要注重创新性。改革现有教师教育类课程，课程体系从单一学科纵深发展型向完整型、综合型和系统型课程结构的方向发展。教育实习是促进理论联系实践的重要环节，因此，改革传统的教育实习，赋予实习以新的内涵是当务之急。

我觉得有时会“当局者迷，旁观者清”所以我参考亲人、朋友、同学、师长多方面的意见，力争对自己有个全面的认知。我的兴趣爱好广泛，擅长书法、绘画。喜欢集邮、各类体育运动比如:跑步、跳远、游泳等等。善于和同学交流，平时喜欢和同学踢踢足球，打打羽毛球。喜欢安静地听歌晒太阳并惬意的遐想；上网冲浪；去阅览室看名著、杂志、报刊之类的；喜爱做数独等逻辑性强的益智游戏；爱好参加各类活动包括比赛、社会公益活动等。我生性活泼，开朗乐观。我的人缘很好，别人眼中的我是幽默、阳光的，总是面带微笑，偶尔有些深沉。这也使我养成了做事认真负责、原则性强的个性特点。最值得我骄傲的是渐渐的我喜欢怀着一颗感恩的心做事。

2、我的弱势(weakne)

性格方面的盲点和弱势是办事总是遵循原有的模式，创新意识还有待提高，还需要提高办事效率。 抗压能力也比较弱，需要多多锻炼，提高自己对各种压力的抗压力。其次，遇事总是很消极的面对，处世观太悲观，这需要我慢慢改这样消极的观念。最后就是对自己还 4 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 不够自信，有轻微的自卑，这需要我发觉自己跟多的优点，从而肯定自己，提高信心。

对于本专业的知识技能还不是很扎实，需要不断地努力学习从而充实自己，为以后奠定一个坚实的基础。

3、我的机会(opportunity)

教师发展的有利因素为教师的职业发展创造了极大的发展空间。教师应从自身的特点出发，审时度势，明确发展方向，确定发展目标，不断提高自身素质创造良好的发展空间和条件。

因此，首先，教师的发展应适应社会的发展，真正做到与时俱进。教师的发展依赖于自身知识水平的不断提高才能适应复杂的脑力劳动。教学生“半桶水”，自身必须有“一桶水”。教师可以通过各种学习方式，不断提高研修水平。

其次，教师的职业发展是促进全民族素质的不断提高，人力资源的不断发展必须依靠教育的发展与提高，站在这一历史发展的基础上，教师要明确自身所肩负的使命，提高认识，明确责任。 最后，教师职业道德的素质的不断提高，与全社会尊师重教是有机联系在一起的。教师职业道的关键是爱岗敬业，爱生是体现教师职业道德的重要环节。教师爱生的主要内容，是传授知识，教会学生做人。为此，教师应尽最大能力掌握现代化教学手段，掌握先进的教育理念，不断更新教育观念，适应社会发展需要，不断进步，做合格人民教师。

5 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 其他方面机会有，国家每年组织的教师招考，为我们提供了一个很好的的机会。其次现在所学习的专业知识，学校为我们提供了很多锻炼自己的机会，诸如大二时的的实习，可以很好的锻炼自己。最后，国家对师范生的不住较多，为我们提供类给多的经济资源，可以使我们有更多的精力学习和补习其他的科学知识。同时，我也很清楚的认识到主动的重要性，我会为自己争取许多机会，并且要很好的完成每次的任务，我相信这些机会对我一后的工作有着十分重要的作用，我一定会好好把握每一的机会。

4、面临的威胁(threat)

我们这一年的师范生毕业人数比较上一年增加了很多，这大大增加了我们的就业压力，另外，由于我是二本毕业，这更加增加了以后就业的竞争力，因此，我还需要不断深造，不但要取得更高的学历而且还要提高自己只是深度与广度。

不同于其他职业的特殊要求。教师专业化发展，要求教育机构由只注重专业知识的培养转向对专业态度、专业技能、专业价值和专业精神等方面的综合训练。教育的发展在于改革，教育的改革在于创新，教育的创新在于学习。教师的发展更上在于专业技能的不断发展。而创新型的教师在适应社会的发展中尤为重要。现代教育不是简单地传授知识，重要的是要培养学生的能力。科技快速发展要求教师有高深的专业知识。为此，掌握现代化的教学手段，也是促进教师转型的重大策略。正应为如此，教师就需要有不断进修的意识和能力。不断学 6 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。习，终身学习、不断创新。善于在工作中不断反思、钻研，成为研究型的，自我发展型的教师。教师要在教学实践中不断自我充实与更新。

五、专业、环境及职业分析

1、专业分析

物理师范类专业的就业前景是相对较好的。目前中学及高中的物理教师还未饱和，空缺是比较大的。而且我就读学校非常注重教师技能的培养，这对于我未来的发展是很不错的。

2、环境分析

现在我就读于乐山师范学院，主要培养师范类人才。而我所学正好是师范类专业，有助于就业质量的保障。学院开展的各类活动，如：物理师范技能培训及比赛，对我日后就业十分有益。学校的学习氛围非常不错，且有丰富的图书及电子资源，有助于我专业知识的积累和提高。

3、职业分析

在当今中国，教师作为一种职业，还不具有足够的吸引力，诸如待遇不高、工作繁琐、心理压力大、劳动时间长等。但这些都是相对的，教师这个职业仍有它的优势，首先，教师生涯是一种平和的人生，不需要顶峰的研究，也不需要官场或商场的尔虞我诈。同样教师可以在认真钻研教学过程中不断提高自身素质，同学生一起学习，可以拥有年轻的心理，拥有帮助他人的成就感。随着国家对教育投资的加大和父母对子女教育问题的重视，相信教师行业的待遇各方面会有所提

7 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 高。

4、职业分析小结

未来的职业道路虽然不是很平坦，虽然看起来一路将是崎岖的，不过我相信以我自身的优势还有自己的不断努力，我相信一定一步步迈向成功的。现在我需要做的就是提高自身的师范技能，为将来能更好的胜任这个职业做好准备。

六、近年职业规划

1、大一规划及目标

认真学习专业基础知识，因大一上课时间很少，有大量的时间可以在图书馆看各种书籍，提高自身的知识面。认真学习计算机和普通话，并参加学校的各种社团，以锻炼自己各方面的能力，为将来就业打好基础。

2、大二规划及目标

努力学习，通过计算机二级及英语四级考试，并拿到普通话二甲证书。同时，找一些兼职工作，为自己将来工作积累经验并为家里减轻负担。

3、大三规划及目标

开始准备考研，每天到图书馆看自己专业方面的书籍，提高自己专业知识技能和认识。练习考研的各种题型，及做题技巧。与此同时，找一份家教的兼职，积累教学经验，为实习及将来就业打基础。

4、大四规划及目标

8 天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。 通过实践积累经验，写好毕业论文，并为自己开始联系工作，为踏入社会做好准备。

七、职业规划后期更正

如果在职业生涯中期不能达到我预期人生目标我也不会认就此放弃，我会认真详细分析自己与所任职位的差距，然后作出决策。如果是自己能力的问题，我会先就业，再在工作期间认真学习人力资源方面的专业书籍，不断提升自己能力。再修正新的职业规划。

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