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第十三章 現代科技簡介 13-1 物理與醫療 13-2 超導體 13-3 半導體 13-4 人造光源 13-5 奈米科技.

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1 第十三章 現代科技簡介 13-1 物理與醫療 13-2 超導體 13-3 半導體 13-4 人造光源 13-5 奈米科技

2 13-1 物理與醫療(1/5) 聲學的應用 超聲波顯像術是偵測聲波在人體內器官或組織的反射
訊號(回聲),利用電腦記錄探頭的位置、超聲波去回的 時間(計算深度)、回聲訊號的強度,構建出二維或 三維的圖像。

3 13-1 物理與醫療(2/5) 光學的應用 內視鏡是一條可彎曲的由光纖 構成的細長軟管,可經由口腔和 食道進入體內,利用光纖內部的
全反射作用,而得以看見體內器官的狀態。

4 13-1 物理與醫療(3/5) 熱學的應用 耳溫槍、紅外線熱像檢測都是利用熱輻射的原理測知溫度。

5 13-1 物理與醫療(4/5) 電磁學的應用 核磁共振造影術(MRI),是利用 水分子在電磁場中,因其氫原子的 能階發生變化而測得訊號,利用
電腦處理數據而呈現體內器官或組織的影像。

6 13-1 物理與醫療(5/5) 輻射能的應用 電腦斷層掃描(CT),是利用X光對人體的穿透性, 結合電腦而顯出影像。

7 13-2 超導體 (1/2) 超導體的特性 某些物體若使其冷卻至某一溫度(轉變溫度)以下時, 則其電阻完全消失,稱之為超導態。
超導體的特性:零電阻、永久電流、完全的反磁性。

8 13-2 超導體 (2/2) 高溫超導體 一般所稱的高溫超導體,是含有某些特定金屬的 陶瓷氧化物,其超導轉變溫度高於液態氮溫度(77 K)。

9 13-3 半導體 (1/17) 半導體的導電性能 1.半導體的導電能力介於導體和絕緣體之間, 例如矽、鍺等晶體。
2.導體、半導體、和絕緣體之間的導電性能的差異, 其原因主要在於物體內部的原子之最外層的價電子 所受束縛力的強弱有所不同。 3.當溫度升高或電場強度加大時,都可使半導體的 導電能力增加,這是半導體的電學特性之一。

10 13-3 半導體 (2/17) 本質半導體 1.矽(或鍺)的共價鍵結合相當穩定,但少數鍵上的價電子
由於有較激烈的熱運動而得掙脫束縛,形成自由電子。 電子脫離後,在原來的鍵上留下空位,稱為電洞。 2.在純矽(或鍺)晶體內,電洞和自由電子的數目相等。

11 13-3 半導體 (3/17) 摻雜 1.在半導體的晶體內摻入微量的雜質原子, 能大幅度提升半導體的導電能力。
2.這種摻入雜質原子的過程,稱為摻雜。

12 13-3 半導體 (4/17) p型半導體 1.在純矽(或鍺)晶體內摻入 三A族(硼、鋁、鎵)的原子, 會使晶體內電洞數目遠超過

13 13-3 半導體 (5/17) n型半導體 1.在純矽(或鍺)晶體內摻入 五A族(磷、砷、銻)的原子, 會使晶體內自由電子數目遠

14 13-3 半導體 (6/17) p-n接面二極體-1 1.當兩型半導體接合時, n邊的自由電子擴散至 p邊,與p型的電洞結合
移動載子而形成空乏區。 2.pn接面的附近因電子、電洞的結合而留下離子。 p邊為帶負電的受體離子;n邊為帶正電的施體離子。

15 13-3 半導體 (7/17) p-n接面二極體-2 3.空乏區的正負離子構建了 內建電場,導致少數載子 移動,形成漂移電流(Is)。
4.當二極體斷路時,由多數載子形成的擴散電流(Id)與 少數載子的漂移電流(Is)達到動態平衡,即Id = Is 。

16 13-3 半導體 (8/17) 二極體的偏壓 1.若二極體p邊接正極、n邊接負極,稱為正向偏壓。
這將使外加電場抵銷部分內建電場,導致空乏區變窄、 擴散電流Id>漂移電流Is,電路成通路狀態。 2.若p邊接負極、n邊接正極,稱為反向偏壓。將使 外加電場與內建電場方向一致,導致空乏區變寬、 擴散電流Id=0,電路成斷路狀態。

17 13-3 半導體 (9/17) 二極體的特性曲線 I (mA) 正向偏壓 V (mA) 反向偏壓
增加,電路成導通狀態。 2.當二極體反向偏壓時,仍有極弱的逆向電流,此為逆向 飽和電流,電路成斷路狀態。 [註]:二極體不遵守歐姆定律。

18 13-3 半導體 (10/17) 二極體的電路符號與功能 1.二極體的電路符號 2.二極體的功能 因為二極體有單向導電的特性,
所以具有整流的功能。

19 13-3 半導體 (11/17) npn v.s. pnp npn 電晶體 pnp電晶體 [問題]:雙極性電晶體有哪三個電極?

20 13-3 半導體 (12/17) 雙極性電晶體(BJT)的工作原理 [問題1]:工作時,BJT的射基極接正向偏壓,集基極接
逆向偏壓,這將引起空乏層寬度有何變化? [問題2]:承上題,這樣的接法將幫助射極、 集極的哪一種載子流動?

21 13-3 半導體 (13/17) 電晶體的功能 – 放大訊號 1.集極電流IC和基極電流IB的比值稱為電流增益β。
[問題]:輸入訊號 Vin和輸出訊號 Vout的相位有何關係?

22 13-3 半導體 (14/17) 電晶體的功能 – 開關

23 13-3 半導體 (15/17) FET v.s. BJT 1.金氧半場效電晶體(MOSFET)為電壓控制電流的元件,
2.增強型MOSFET分成n通道(NMOS)和p通道(PMOS) 兩種。 3.MOSFET與BJT一樣,也具有放大訊號和開關的功能。 4.MOSFET的反應速率雖然比BJT慢,但非常省電。

24 13-3 半導體 (16/17) NMOS v.s. PMOS [問題]:兩種電晶體的載子各為何?

25 13-3 半導體 (17/17) MOSFET 的工作原理 [問題1]:右圖中NMOS 的四個電極S、G、D、B, 各扮演何種角色?
[問題2]:欲建立右圖中的 NMOS通道,閘極需施加 何種電壓?通道內是何種 載子流動?電流的流向為何? [問題3]:為何通道呈三角形?

26 13-4 人造光源 (1/4) 光的來源 從物理機制來看,光的來源可分成四種: (1)核反應躍遷 γ射線 (2)熱輻射 白熾光
(3)電子能階的躍遷 冷光 (4)帶電粒子的加速度運動 涵蓋紅外線、可見光、紫外線、和X光的波長範圍

27 13-4 人造光源 (2/4) 冷光燈 冷光的產生方法有電致冷光和光致冷光兩種。 日光燈的發光原理:
因碰撞被激發的水銀原子,降回至基態時,輻射出紫外光的光子。這些光子入射燈管內壁上的螢光劑 。塗劑內的原子吸收光子後,再放射出可見光。

28 13-4 人造光源 (3/4) 雷射光 雷射光是單一波長的同調光源,具有準直、 光度強、光束不發散的特性。

29 13-4 人造光源 (4/4) 發光二極體(LED) III-V族半導體摻雜後,可成為發出可見光的發光二極體。
白熾燈、日光燈長久。

30 13-5 奈米科技 (1/4) 奈米的尺度 奈米(nanometer,簡稱nm)是長度單位的名稱。
1 nm=10-9 m,大約為一根頭髮直徑的十萬分之一。 一個原子的直徑約為 0.2~0.4 nm,故一奈米的長度 內約含有3~5個原子。

31 13-5 奈米科技 (2/4) 掃描穿隧顯微鏡 (STM) 掃描穿隧顯微鏡的鑑別率可高達0.02 nm,可以清楚地
顯現導電晶體表面的原子排列圖像。 STM的應用僅限於可導電的晶體表面,在 絕緣體的表面上無法發揮功效。

32 13-5 奈米科技 (3/4) 原子力顯微鏡 (AFM) STM和AFM統稱為掃描探針顯微術,不僅用於
顯示原子圖像,也可用於驅動或操控原子。 原子力顯微鏡(AFM),可適用於任何物體的表面。

33 13-5 奈米科技 (4/4) 奈米科技 奈米科技研究的對象是僅由數個或數十個原子組成的 系統,是一門新興的學問。
奈米科技逐漸形成為跨領域的學問,需要結合 物理、化學、和生物,甚至數學和資訊等領域的知識。 奈米世界的物體大小介於宏觀世界和微觀世界之間, 因此稱為介觀世界(中觀世界)。奈米科學的研究 即致力於解答當物體尺寸微小化後,所產生的基礎 物理問題,所發展出的物理理論稱為介觀物理學。


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