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[162]出于这次讨论的目的,我们忽略了电子的自旋。如果想象两个电子的自旋相同,则我们所说的仍然适用。(原书注)
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[163]鲍里斯·波多尔斯基,1896年生于今天俄罗斯罗斯托夫州的塔甘罗格,1966年卒于美国俄亥俄州辛辛那提,犹太裔美籍物理学家。
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[164]纳森·罗森,1909年生于美国纽约,1995年卒于以色列海法,犹太裔美籍以色列籍物理学家。
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[165]这里的民主和平等是西方20世纪以来的政治理论中的提法。
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[166]前面说过,我们考虑两个全同电子,即它们的自旋也相等。(原书注)
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[167]倒置部分与正置部分绝对值相等,符号相反。
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[168]只要质子的相对运动不太快。(原书注)
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[169]这对驻波成立;这种情况下,钟的大小和指针在12点方向的投影成正比。(原书注)
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[170]你会认为有四个波函数,是对应于已绘出波函数的上下倒置;但如前所述,它们与已经画出的是等价的。(原书注)
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[171]这里原文有歧义。对于三维空间中的锂原子组成的原子链,n=2能带可以有l=0和l=±1三种情形;只有l=0的能带是半满的(称为2s能带),其他两种情形对应的能带都是空的。但是如果考虑一维中的势阱链模型,则只有n这一个量子数,没有l等,因此原文表述也可以接受。
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[172]来自格奥尔格·欧姆(Georg Ohm),1789年生于今天德国的巴伐利亚州埃尔朗根,1854年卒于今天的巴伐利亚州慕尼黑,德国物理学家。
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[173]指绝对温标,等于摄氏-273.15度;不存在比这更低的热力学温度。
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[174]snakes and ladders,一种源自古印度的图版游戏;玩家在方格棋盘上轮流掷骰子移动到相邻格子,若抵达有蛇或梯的格子,就会移动到相连的其他格。
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[175]volt,电压单位,得名自亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta),1745年生于现在的意大利伦巴底大区科莫,1827年卒于同地,意大利物理学家。
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[176]在讨论原子中的电子时,电子伏特是非常方便的单位;它也广泛用于核物理和粒子物理。它是一个电子在被1伏特电势差加速的过程中所获得的能量。这个定义并不重要,重要的是,它是一种量化能量的办法。要感受其大小,可以考虑一个处于基态的氢原子:要从它那里完全释放一个电子,需要13.6电子伏特。(原书注)
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量子宇宙 第九章 现代世界
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1947年,人们造出了世界上第一个晶体管[177]。直至今天,厂商每年制造超过10 000 000 000 000 000 000个晶体管,这相当于全球70亿人每年消耗米粒总量的100多倍。1953年,世界上第一台晶体管计算器诞生于曼彻斯特,含有92个晶体管。今天,用一粒米的价钱就能买到超过10万个晶体管,而你的手机中则有约10亿个。在本章中,我们会描述晶体管如何工作,这也是量子理论最重要的应用。
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上一章中我们看到,导体之所以为导体,是因为一部分电子位于导带。因此,它们有一定的迁移能力,当连上电池时,可以在导线上“流下”。把它们比作流水是十分恰当的;电池让电流流动起来。我们甚至可以用“电势”的概念来理解这种观念,因为电池产生电势,一种传导电子的运动;从某种意义上来说,电势造就了“下坡”之势。因此,电子在材料的导带中沿着电池产生的电势“滚”下,在此过程中获得能量。这就是我们在上一章中谈到的微小推动的另一种思考方法:除了说电池引入的微小推力使电子加速,也可以引用一个经典的比喻——如水之就下。这对于电子传导电力是一种很好的思考方式,也是我们在本章余下部分要使用的思考方法。
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图9.1:半导体中的一个电子-空穴对。
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在像硅这样的半导体材料中,会发生一些非常有趣的事情,因为电流不仅由导带中的电子承载,价带中的电子也会对电流有所贡献。要了解这一点,请看图9.1。箭头显示的是一个原本位于价带中的惰性电子,吸收能量后升入导带。当然,升入导带后的电子更容易迁移了,同时也有其他东西可以开始迁移了:价带中现在留下了一个空穴(hole,又称电洞),而它为原本惰性的价带电子提供了一些回旋余地。我们已经知道,将电池与这块半导体相连会使得导带电子能量跃升,产生电流。而空穴会怎么样呢?电池所产生的电场会使价带中某个低能量的电子跃入空穴。这个空穴被填满了,但现在价带“更深”的地方又有了一个空穴。当价带电子纷纷跃入空穴时,空穴就会四处移动。
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与其劳神记录几乎全满的价带中所有电子的运动,我们不如选择记下空穴的位置,而忘掉电子。这种追求便利的记账法是半导体物理从业者的常态,以这种方法思考也会让事情更简单。
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施加一个电场,会诱导导带中的电子流动,产生电流。你应该想要知道,电场对价带空穴有什么作用。我们已经知道,因为几乎完全被泡利原理束缚住了,所以价带电子不能自由移动;但在电场的作用下,它们可以挪动,而空穴也随之运动。当价带电子向左挪动时,空穴会向左挪动,这听起来可能违反直觉,如果很难理解,或许下面的比喻会有帮助。想象一群人两两间隔1米排成一队,只是在队伍中某处少了一个人。将这些人比喻成电子,而少的人就是空穴。现在想象所有人向前跨出1米,这样就来到了之前在他们前面的人的位置。很明显,队中空位也向前跳动了1米,而空穴也是如此。还可以想象成水通过水管的情形:水中的小气泡沿着水流方向前进,而“缺的一滴水”就类似于价带上的空穴。
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