ພື້ນຖານຂອງທິດສະດີ Quantum ໃນວິສະວະກຳໄຟຟ້າ
ການພັດທະນາວິສະວະກຳໄຟຟ້າທີ່ທັນສະໄໝ - ຕັ້ງແຕ່ເຄິ່ງຕົວນຳ ແລະ ເລເຊີ ຈົນເຖິງການສື່ສານທາງແສງ ແລະ ການຄຳນວນ - ແມ່ນແຍກອອກຈາກທິດສະດີຄວອນຕຳບໍ່ໄດ້. ໃນຂະນະທີ່ທິດສະດີແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າແບບຄລາສສິກ (ຂອງ Maxwell) ອະທິບາຍຄື້ນ ແລະ ສະໜາມໃນລະດັບມະຫາພາກ, ທິດສະດີຄວອນຕຳແມ່ນກຸນແຈສຳຄັນໃນການເຂົ້າໃຈພຶດຕິກຳຂອງສານ ແລະ ປະຈຸໄຟຟ້າໃນລະດັບອະຕອມ ແລະ ຂະໜາດນາໂນ. ບົດຄວາມນີ້ຈະສົນທະນາກ່ຽວກັບພື້ນຖານທີ່ກ່ຽວຂ້ອງທີ່ສຸດຂອງທິດສະດີຄວອນຕຳໃນວິສະວະກຳໄຟຟ້າ, ໂດຍສຸມໃສ່ແນວຄວາມຄິດຫຼັກ ແລະ ຄວາມກ່ຽວຂ້ອງກັບອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກ.
1. ເປັນຫຍັງທິດສະດີຄວອນຕຳຈຶ່ງມີຄວາມສຳຄັນໃນດ້ານເອເລັກໂຕຣນິກ?
ໃນຂະໜາດຂອງອົງປະກອບທີ່ນ້ອຍລົງເລື້ອຍໆ (ທຣານຊິດເຕີນາໂນແມັດ, ໂຄງສ້າງຟິມບາງ, ຈຸດຕໍ່ທີ່ມີຂະໜາດນ້ອຍຫຼາຍ), ສົມມຸດຕິຖານແບບຄລາສສິກເຊັ່ນ "ເອເລັກຕຣອນແມ່ນອະນຸພາກທີ່ມີເສັ້ນທາງວິຖີທີ່ແນ່ນອນ" ເລີ່ມແຕກແຍກ. ເອເລັກຕຣອນສະແດງໃຫ້ເຫັນຄຸນສົມບັດຂອງຄື້ນ, ພະລັງງານຖືກວັດແທກ (ບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງ), ແລະຄວາມເປັນໄປໄດ້ທົດແທນຄວາມແນ່ນອນຂອງຕຳແໜ່ງ ແລະ ໂມເມນຕຳ. ປະກົດການຕ່າງໆເຊັ່ນ: ການຂຸດອຸໂມງ, ໂຄງສ້າງແຖບ, ແລະ ການປ່ອຍແສງ/ໂຟໂຕນິກສາມາດອະທິບາຍໄດ້ພາຍໃນຂອບການເຮັດວຽກດ້ານຄວອນຕຳເທົ່ານັ້ນ. ນີ້ແມ່ນເຫດຜົນທີ່ວິສະວະກອນໄຟຟ້າທີ່ເຮັດວຽກກ່ຽວກັບເຄິ່ງຕົວນຳ, ອັອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກ, ຫຼື ອຸປະກອນຄວອນຕຳຈຳເປັນຕ້ອງເຂົ້າໃຈພື້ນຖານຂອງມັນ.
2. ແນວຄວາມຄິດຂອງການວັດແທກປະລິມານ: ພະລັງງານບໍ່ແມ່ນພະລັງງານຕໍ່ເນື່ອງ
ໜຶ່ງໃນແນວຄວາມຄິດພື້ນຖານທີ່ສຸດໃນທິດສະດີ quantum ແມ່ນການວັດປະລິມານ: ປະລິມານທີ່ແນ່ນອນ, ໂດຍສະເພາະແມ່ນພະລັງງານ, ສາມາດມີຄ່າສະເພາະເທົ່ານັ້ນ. ຕົວຢ່າງຄລາສສິກແມ່ນຮູບແບບ Bohr ຂອງອະຕອມ, ເຊິ່ງເອເລັກຕຣອນໃນອະຕອມໄຮໂດຣເຈນສາມາດມີຢູ່ໃນລະດັບພະລັງງານສະເພາະເທົ່ານັ້ນ. ເຖິງແມ່ນວ່າຮູບແບບ Bohr ແມ່ນເບື້ອງຕົ້ນ ແລະ ປັບປຸງໂດຍກົນຈັກ quantum ທີ່ທັນສະໄໝ, ແຕ່ແນວຄວາມຄິດຂອງ "ລະດັບພະລັງງານທີ່ບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງ" ຍັງຄົງມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍ.
ໃນອຸປະກອນ ໃນເອເລັກໂຕຣນິກ, ການວັດແທກປະລິມານປະກົດຢູ່ໃນຫຼາຍຮູບແບບ:
- ບໍ່ຄວອນຕຳ ແລະ ຈຸດຄວອນຕຳ: ເອເລັກຕຣອນຖືກກັກຂັງຢູ່ໃນພື້ນທີ່ນ້ອຍໆຫຼາຍ ດັ່ງນັ້ນພະລັງງານຂອງພວກມັນຈຶ່ງຖືກແບ່ງອອກເປັນລະດັບຕ່າງໆ.
- ການສັ່ນສະເທືອນຂອງຕົວນຳໄຟຟ້າໃນໂຄງສ້າງນາໂນ: ການປ່ຽນແປງເລັກນ້ອຍຂອງແຮງດັນສາມາດເຄື່ອນຍ້າຍເອເລັກຕຣອນລະຫວ່າງລະດັບພະລັງງານສະເພາະ.
- ຜົນກະທົບຂອງ Quantum Hall: ການນຳໄຟຟ້າຈະຖືກວັດແທກພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂຂອງສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ແຮງ ແລະ ອຸນຫະພູມຕໍ່າ.
3. ຄວາມເປັນຄູ່ຂອງຄື້ນ-ອະນຸພາກ
ທິດສະດີຄວອນຕຳລະບຸວ່າອະນຸພາກເຊັ່ນ: ເອເລັກຕຣອນມີຄຸນສົມບັດຄື້ນ. ຄວາມຍາວຄື້ນຂອງ de Broglie ສະແດງອອກເປັນ:
\[
\lambda = \frac{h}{p}
\]
ດ້ວຍຄ່າຄົງທີ່ຂອງ Planck ແລະ momentum ຂອງ \(h\). ດັ່ງນັ້ນ, ເອເລັກຕຣອນສາມາດປະສົບກັບການແຊກແຊງ ແລະ ການຫັກເຫຄືກັບຄື້ນແສງ. ໃນສະພາບການຂອງເອເລັກໂຕຣນິກ, ຄວາມສອງຢ່າງນີ້ອະທິບາຍວ່າ:
- ການຂົນສົ່ງເອເລັກຕຣອນໃນວັດສະດຸໃນລະດັບນາໂນແມັດ, ບ່ອນທີ່ການແຊກແຊງຄວອນຕຳສາມາດສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ຄວາມຕ້ານທານ.
- ການເຈາະອຸໂມງໃນໄດໂອດຂຸດອຸໂມງ ຫຼື ໃນກ້ອງຈຸລະທັດສະແກນອຸໂມງ (STM), ເຊິ່ງນຳໃຊ້ຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງເອເລັກຕຣອນທີ່ເຈາະຜ່ານອຸປະສັກພະລັງງານ.
4. ຟັງຊັນຄື້ນ ແລະ ຄວາມເປັນໄປໄດ້
ສະຖານະຄວອນຕຳຂອງອະນຸພາກຖືກອະທິບາຍໂດຍຟັງຊັນຄື້ນ \(\psi\). ຄວາມໝາຍທາງກາຍະພາບຂອງມັນບໍ່ແມ່ນໂດຍກົງວ່າເປັນ "ຄື້ນສານ" ທີ່ສາມາດສັງເກດເຫັນໄດ້, ແຕ່ເປັນເຄື່ອງມືສຳລັບການຄິດໄລ່ຄວາມເປັນໄປໄດ້. ຂະໜາດກຳລັງສອງຂອງມັນ, \(|\psi|^2\), ເປັນຕົວແທນຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການຊອກຫາອະນຸພາກຢູ່ໃນຕຳແໜ່ງສະເພາະ.
ໃນການອອກແບບອຸປະກອນໄຟຟ້າ, ນີ້ໝາຍຄວາມວ່າ:
- ພວກເຮົາມັກຈະບໍ່ຖາມວ່າ "ເອເລັກຕຣອນຢູ່ໃສແທ້", ແຕ່ຖາມວ່າ "ມີຄວາມເປັນໄປໄດ້ຫຼາຍປານໃດທີ່ເອເລັກຕຣອນຈະຢູ່ໃນພາກພື້ນໃດໜຶ່ງ".
- ການແຈກຢາຍຄວາມເປັນໄປໄດ້ນີ້ມີຜົນກະທົບຕໍ່ກະແສໄຟຟ້າ, ປະຈຸໄຟຟ້າອະວະກາດ, ແລະ ການຕອບສະໜອງ. ອຸປະກອນເປີດຢູ່ ຂະໜາດຈຸນລະພາກ-ນາໂນ.
5. ສົມຜົນຂອງ Schrödinger: ສາລະສຳຄັນຂອງກົນຈັກຄວອນຕຳ
ສົມຜົນພື້ນຖານທີ່ອະທິບາຍເຖິງວິວັດທະນາການຂອງຟັງຊັນຄື້ນແມ່ນສົມຜົນ Schrödinger. ສຳລັບລະບົບໜຶ່ງມິຕິແບບງ່າຍໆ, ຮູບແບບທີ່ບໍ່ຂຶ້ນກັບເວລາຂອງມັນແມ່ນ:
\[
-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}+V(x)\psi = E\psi
\]
ໃນຂົງເຂດເອເລັກໂຕຣນິກ, ສົມຜົນນີ້ຖືກນໍາໃຊ້ເພື່ອ:
- ການຄິດໄລ່ລະດັບພະລັງງານ ແລະ ຮູບຮ່າງຂອງຟັງຊັນຄື້ນໃນບໍ່ຄວອນຕຳ (ຊັ້ນເຄິ່ງຕົວນຳບາງໆ).
- ວິເຄາະການເຈາະອຸໂມງຢູ່ບໍລິເວນທີ່ອາດມີອຸປະສັກ, ເຊິ່ງສຳຄັນໃນ MOSFETs (ກະແສໄຟຟ້າຮົ່ວໄຫຼ) ຂະໜາດນ້ອຍຫຼາຍ.
- ເຂົ້າໃຈແຖບພະລັງງານໃນຜລຶກ (ຜ່ານວິທີການເພີ່ມເຕີມເຊັ່ນ: ທິດສະດີແຖບ ແລະ ຟັງຊັນ Bloch).
6. ຫຼັກການຄວາມບໍ່ແນ່ນອນຂອງ Heisenberg
ຫຼັກການຄວາມບໍ່ແນ່ນອນລະບຸວ່າມີຂໍ້ຈຳກັດພື້ນຖານໃນການຮູ້ຄູ່ປະລິມານທີ່ແນ່ນອນພ້ອມໆກັນ, ຕົວຢ່າງເຊັ່ນ ຕຳແໜ່ງ \(x\) ແລະ ໂມເມນຕຳ \(p\):
\[
\Delta x \, \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}
\]
ຜົນສະທ້ອນທາງປະຕິບັດ:
- ເອເລັກຕຣອນທີ່ຖືກ “ກັກຂັງ” ໃນພື້ນທີ່ນ້ອຍໆ (ຕົວຢ່າງ: ໃນຈຸດຄວອນຕຳ) ຈະມີຄວາມບໍ່ແນ່ນອນຂອງໂມເມນຕຳຂະໜາດໃຫຍ່, ເຊິ່ງມີຄວາມສຳພັນກັບ ພະລັງງານຈົນ ສູງກວ່າ.
- ຢູ່ໃນອຸປະກອນ nano, “ການກັກຂັງ” ສາມາດເພີ່ມລະດັບພະລັງງານ ແລະ ປ່ຽນແປງລັກສະນະຂອງເອເລັກຕຣອນ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ປະສິດທິພາບຂອງທຣານຊິດເຕີ ຫຼື ອົງປະກອບອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກ.
7. ການໝຸນຂອງເອເລັກຕຣອນ ແລະ ສະຖິຕິຄວອນຕຳ
ເອເລັກຕຣອນມີຄຸນສົມບັດພາຍໃນທີ່ເອີ້ນວ່າ ສະປິນ (ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ \(1/2\)), ເຊິ່ງເປັນຕົວຂັບເຄື່ອນປະກົດການແມ່ເຫຼັກ ແລະ ເປັນພື້ນຖານຂອງສະໜາມສະປິນໂທຣນິກ. ຍິ່ງໄປກວ່ານັ້ນ, ເອເລັກຕຣອນແມ່ນເຟີມີອອນ, ເຊິ່ງປະຕິບັດຕາມຫຼັກການຍົກເວັ້ນຂອງ Pauli: ບໍ່ມີເອເລັກຕຣອນສອງອັນສາມາດຢູ່ໃນສະຖານະຄວອນຕຳດຽວກັນໄດ້ຄືກັນ.
ຜົນກະທົບຕໍ່ເອເລັກໂຕຣນິກແມ່ນໃຫຍ່ຫຼວງຫຼາຍ:
- ໂຄງສ້າງແຖບພະລັງງານ, ການເຕີມເຕັມລະດັບພະລັງງານ, ແລະ ການສ້າງຕົວນຳ/ຕົວກັນຄວາມຮ້ອນ/ຕົວນຳເຄິ່ງຕົວນຳແມ່ນໄດ້ຮັບອິດທິພົນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍຈາກ Pauli.
- ໃນເຄິ່ງຕົວນຳ, ການແຈກຢາຍຂອງເອເລັກຕຣອນ ແລະ ຮູ ປະຕິບັດຕາມສະຖິຕິ Fermi-Dirac, ເຊິ່ງຊ່ວຍໃນການກຳນົດຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງຕົວນຳປະຈຸ ແລະ ຄວາມນຳໄຟຟ້າ.
8. ແຖບພະລັງງານ (ທິດສະດີແຖບ) ໃນເຄິ່ງຕົວນຳ
ສຳລັບວິສະວະກອນໄຟຟ້າ, ການນຳໃຊ້ທິດສະດີຄວອນຕຳທີ່ສຳຄັນທີ່ສຸດແມ່ນທິດສະດີແຖບພະລັງງານ. ໃນຜລຶກ, ລະດັບພະລັງງານປະລະມານູລວມກັນເປັນແຖບ:
- ແຖບວາເລນສ໌: ແຖບພະລັງງານທີ່ປົກກະຕິແລ້ວຈະເຕັມໄປດ້ວຍເອເລັກຕຣອນ.
- ແຖບການນຳໄຟຟ້າ: ແຖບພະລັງງານທີ່ເອເລັກຕຣອນສາມາດເຄື່ອນທີ່ໄດ້ຢ່າງເສລີເຊິ່ງປະກອບສ່ວນເຂົ້າໃນກະແສໄຟຟ້າ.
- ຊ່ອງຫວ່າງແບນ: ຊ່ອງຫວ່າງພະລັງງານລະຫວ່າງແຖບວາເລນ ແລະ ແຖບການນຳໄຟຟ້າ.
ແນວຄວາມຄິດຂອງ bandgap ອະທິບາຍຄວາມແຕກຕ່າງ:
- ຕົວນຳ: ຊ່ອງຫວ່າງແຖບຄວາມຖີ່ນ້ອຍຫຼາຍ ຫຼື ຊ້ອນກັນ.
- ຕົວກັນຄວາມຮ້ອນ: ຊ່ອງຫວ່າງແບນວິດຂະໜາດໃຫຍ່.
- ເຊມິຄອນດັກເຕີ: ແຖບແບນບ໋ອກຂະໜາດກາງ ເພື່ອໃຫ້ສາມາດຄວບຄຸມຄວາມນຳໄຟຟ້າໄດ້ (ຕົວຢ່າງ: ໂດຍການເສີມ, ອຸນຫະພູມ, ຫຼື ແສງ).
ອຸປະກອນຕ່າງໆເຊັ່ນ: ໄດໂອດ, ທຣານຊິດເຕີ BJT, MOSFETs, LEDs, ແລະ ເຊວແສງອາທິດລ້ວນແຕ່ອີງໃສ່ການຫມູນໃຊ້ໂຄງສ້າງແຖບ ແລະ ການຫັນປ່ຽນພະລັງງານເອເລັກຕຣອນ.
9. ການຫັນປ່ຽນພະລັງງານ ແລະ ໂຟຕອນ: ພື້ນຖານຂອງອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກ
ທິດສະດີຄວອນຕຳຍັງອະທິບາຍເຖິງການພົວພັນກັນຂອງແສງ ແລະ ສານຜ່ານໂຟຕອນ. ເມື່ອເອເລັກຕຣອນເຄື່ອນທີ່ຈາກລະດັບພະລັງງານສູງໄປຫາລະດັບພະລັງງານຕ່ຳ, ມັນສາມາດປ່ອຍໂຟຕອນທີ່ມີພະລັງງານຕໍ່ໄປນີ້:
\[
ອີ = hf
\]
ນີ້ແມ່ນພື້ນຖານ:
- LED: ການລວມຕົວກັນຂອງເອເລັກຕຣອນ ແລະ ຮູຜະລິດໂຟຕອນ; ສີຖືກກຳນົດໂດຍແຖບຊ່ອງຫວ່າງແບນ.
- ເລເຊີ: ການປ່ອຍແສງທີ່ຖືກກະຕຸ້ນ, ການປ່ຽນແປງຂອງປະຊາກອນ, ແລະ ຕົວສະທ້ອນແສງທາງແສງ.
- ໂຟໂຕໄດໂອດ ແລະ ແຜງແສງອາທິດ: ໂຟຕອນຖືກດູດຊຶມ, ສ້າງຄູ່ຮູອີເລັກຕຣອນ ເຊິ່ງຫຼັງຈາກນັ້ນຜະລິດກະແສໄຟຟ້າ.
10. ສະຫຼຸບ: ຈາກພື້ນຖານສູ່ເຕັກໂນໂລຊີ
ພື້ນຖານຂອງທິດສະດີຄວອນຕຳ - ການວັດປະລິມານພະລັງງານ, ຄວາມຄ້າຍຄືກັນຂອງຄື້ນ-ອະນຸພາກ, ຟັງຊັນຄື້ນ ແລະ ຄວາມເປັນໄປໄດ້, Schrödinger, ຄວາມບໍ່ແນ່ນອນ, ການໝຸນ, ແລະ ທິດສະດີແຖບ - ແມ່ນພື້ນຖານທີ່ຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາເຂົ້າໃຈ ແລະ ອອກແບບເຕັກໂນໂລຊີໄຟຟ້າທີ່ທັນສະໄໝ . ເມື່ອອຸປະກອນມີຂະໜາດນ້ອຍລົງ ແລະ ໄວຂຶ້ນ, ຜົນກະທົບຂອງຄວອນຕຳບໍ່ແມ່ນ "ການແກ້ໄຂນ້ອຍໆ" ອີກຕໍ່ໄປ ແຕ່ກຳລັງກາຍເປັນຕົວກຳນົດຫຼັກຂອງວົງຈອນ ແລະ ພຶດຕິກຳຂອງວັດສະດຸ. ການເຂົ້າໃຈແນວຄວາມຄິດເຫຼົ່ານີ້ຊ່ວຍໃຫ້ວິສະວະກອນໄຟຟ້າສາມາດຖອດລະຫັດປະກົດການທີ່ຢູ່ເບື້ອງຫຼັງຄຸນລັກສະນະຂອງເຄິ່ງຕົວນຳ I-V, ອອກແບບອົງປະກອບອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ມີປະສິດທິພາບ, ແລະ ແມ່ນແຕ່ປູທາງໃຫ້ກັບອຸປະກອນລຸ້ນຕໍ່ໄປເຊັ່ນ: ຄິວບິດ ແລະ ເຊັນເຊີຄວອນຕຳ.
ຖ້າທ່ານຕ້ອງການ, ຂ້ອຍສາມາດສືບຕໍ່ດ້ວຍຮຸ່ນທາງວິຊາການຫຼາຍກວ່າ (ເຊັ່ນ: ການອະທິບາຍໂຄງສ້າງແຖບແບບງ່າຍໆ, ຕົວຢ່າງຂອງການຄິດໄລ່ບໍ່ quantum, ຫຼືບົດສະຫຼຸບຂອງແນວຄວາມຄິດ quantum ທີ່ມັກປາກົດໃນການອອກແບບ MOSFET ລະດັບນາໂນ).
