普通光源-自发辐射

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1、2021/1/25 2005Lecture Notes WY 1 普通光源 -自发辐射 激光光源 -受激辐射 一、简要介绍 激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Chapter 24: 激光与固体中的电子 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 2 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 3 1. Characteristics： 方向性极好 （发散角 10 -4弧度） 脉冲瞬时功率大 （可达 10 1

2、4瓦） 空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。 时间相干性好（ 10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。 单色性 （相干性） 极好 亮度极高 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 4 按工作方式分 连续式（功率可达 104 W） 脉冲式（瞬时功率可达 1014 W ） 按波长分： 极紫外 可见光 亚毫米 (100 n m ） （ 1.222 m m ） 2. Classification ： 固体（如红宝石 Al2O3 ， YAG） 液体（如某些染料） 气体（如 He-Ne， CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作物质分 2021/1/25 200

3、5Lecture Notes WY 5 二、受激辐射光放大 E2 E1 N2 N1 全同光子 h 单色性极好 方向性极好 亮度极高 需要： 1）、 粒子 数反转 -有长寿命上能级 2）、抽运条件 (能源 )-N1 N2 3）、 保障单色性和方向性的条件 （谐振腔） 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 6 1、 粒子数按能级的统计分布 （玻耳兹曼分布） 由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布： kT E n n eN 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 7 若 E2 E 1，则两能级上的原子数目

4、之比 1 12 1 2 kT EE e N N 数量级估计： T 103 K； kT 1.38 10-20 J 0.086 eV; E 2-E 1 1eV; 10860 1 1 2 5 10 12 .kT EE ee N N 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 8 2、原子激发和粒子数反转 (population inversion， N2 N1) 1）原子激发的几种基本方式： （ 1）气体放电激发 （ 2）原子间碰撞激发 （ 3）光激发 (光泵 ) 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 9 2）粒子数反转举例 例 . He一 Ne 气体激光器

5、的粒子数反转 He -Ne 激光器中 He是辅助物质， Ne是 激活物质， He与 Ne之比为 5 1 101 。 (布儒斯特定律 P.197) 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 10 亚稳态 电子碰撞 碰撞转移 亚稳态 共振转移 He:Ne=57:1 无辐射跃迁 短寿命 短寿命 气体放电 激发 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 11 3、光学谐振腔的作用： 1） .使激光具有极好的 方向性 （沿轴线）； 2） .增强 光放大 作用（延长了工作物质）； 3） .使激光具有极好的 单色性 （选频）。 2021/1/25 2005Lectur

6、e Notes WY 12 4、 Summary: 1）产生激光的必要条件 （ 2） . 激励能源（使原子激发） （ 1） . 有产生粒子数反转的激活介质（激活介 质有合适的亚稳态能级） （） .光学谐振腔（方向性，光放大，单色性） 2）发展方向 ： 大功率，高分辨（时间、频 率） 3）研究热点 ： 医用和光通信激光器 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 13 光纤胎儿 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 14 光纤诊断 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 15 用脉冲的染料激 光 (波长 585nm) 处理皮肤色素

7、沉 着 用激光使脱落的 视网膜再复位 (目前已是常规 的医学手术 ) 激光焊接 ：高能 激光 (能产生约 5500 oC的高温 ) 把大块硬质材料 焊接在一起 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 16 激光核聚变 这是激光 NOVA靶室 ， 在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的 小燃料样品上 ， 引发核聚变 。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 17 Chapter 24:固体能带 (energy band) 量子力学计算表明，固体中若有 N个 原子，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的每一个能级 ,变成了 N条靠 得很近

8、的能级 ,称为 能带 。 一、固体中的电子能级有什么特点？ 能带的宽度记作 E ， 数量级为 E eV。 若 N1023,则能带中两能 级的间距约 10-23eV。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 18 离子间距 a 2P 2S 1S E 0 能带重叠示意图 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 19 二 . 能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。 排布原则： . 服从泡里不相容原理（费米子） . 服从能量最小原理 设 孤立原子 的一个能级 Enl ， 它 最多能容 纳 2 (2 +1)个电子。 l 这一能级分

9、裂成由 N条能级组成的能带后， 能带最多能容纳 (2 +1)个电子。 l 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 20 电子排布时，应从最低的能级排起。 有关能带被占据情况的几个名词： 1满带（排满电子） 2价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带 3空带（未排电子） 亦称导带 4禁带（不能排电子） 2、能带，最多容纳 6个电子。 例如， 1、能带，最多容纳 2个电子。 (2 +1) l 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 21 导体 导体 导体 半导体 绝缘体 Eg= 36eV Eg=0.1 2eV Eg Li Be,Ca,Mg,Zn. Na

10、,K,Cu,Al,Ag 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 22 三、半导体的导电机构 一） . 本征半导体 （ semiconductor） 本征半导体是指 纯净的 半导体。 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体 之间。 介绍两个概念： 1. 电子导电 半导体的载流子是电子 2. 空穴导电 半导体的载流子是空穴 满带上的一个电子跃迁到空带后 , 满带中出现一个空位。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 23 例 . 半导体 Cd S 满 带 空 带 h Eg=2.42eV 这相当于产生了一个带正电的粒子 (称为 “空 穴” ) 。 电子和空穴

11、总是成对出现的。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 24 空带 满带 空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来 , 这相当于空穴 向下跃迁。 满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流 , 这称为 空穴导电 。 Eg 在外电场作用下 , 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 25 二） . 杂质半导体 (录象：包括 PN结） . n型半导体 四价的本征半导体 Si、等，掺入少量 五价的 杂质 （ impurity） 元素（如 P、 As 等）形成电子型半导体 ,称 n 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的 能级在禁带中紧靠空带处

12、 , ED 10-2eV， 极易形成电子导电。 该能级称为 施主 （ donor） 能级。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 26 n 型半导体 在 n型半导体中 电子 多数载流子 空 带 满 带 施主能级 ED Eg Si Si Si Si Si Si Si P 空穴 少数载流子 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 27 .型半导体 四价的本征半导体 Si、 e等，掺入少量 三价的 杂质 元素（如、 Ga、 n等） 形成空穴型半导体，称 p 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处， ED 10-2eV，

13、极易产生空穴导电。 该能级称 受主 （ acceptor） 能级。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 28 空 带 Ea 满 带 受主能级 P型半导体 Si Si Si Si Si Si Si + B Eg 在 p型半导体中 空穴 多数载流子 电子 少数载流子 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 29 3. 杂质补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质（浓度 nd）， 又有受主杂质（浓度 na）， 两种杂质有补偿作用： 若 ndna 为 n型（施主） 若 ndna 为 p型（受主） 利用杂质的补偿作用， 可以制成 P-结。 2021/1/25

14、2005Lecture Notes WY 30 三） -结 1. -结的形成 在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体。 由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散， 在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场 ,称为内 建场 。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 31 内建场大到一定 程度 ,不再有净电 荷的流动，达到 了新的平衡。 在型 n型交界面 附近形成的这种特 殊结构称为 P-N结， 约 0.1m厚。 P-N结 阻E n型 p型 内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散，记作 。 阻E 2021/1/

15、25 2005Lecture Notes WY 32 P-N结处存在电势差 Uo。 也阻止 N区 带负电的电子进 一步向 P区 扩散。 它阻止 P区 带正电的空穴进 一步向 N区 扩散； U0 0eU 电子能级 电势曲线 电子电势能曲线 P-N结 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 33 考虑到 P-结的存在，半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能。 电子的能带 出现弯曲现象。 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 34 空带 空带 P-N结 0eU 施主能级 受主能级 满带 满带 2021/1/25 2005Lecture

16、Notes WY 35 2 . -结的单向导电性 ） . 正向偏压 在 -结 的 p型区接 电源正极， 叫正向偏压。 阻挡层势垒被削弱、变窄， 有利于空穴 向 N区运动，电子向 P区运动， 形成正向电流（ m级）。 E p型 n型 I 阻E 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 36 外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性 (图为锗管 )。 V （伏） （毫安） 正向 0 0.2 1.0 I 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 37 ） . 反向偏压 在 -结的型区接电源负极 , 叫反向偏压。 阻挡层势垒增 大、变宽， 不 利于空穴向 区运动，也不 利于电子向 P 区运动 ,没有正 向电流。 E p型 n型 I 阻E 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 38 但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流， 当外电场很强 ,反向电压超过某一数值后， 反向电流会急剧增大 -反向击穿。 称为漏电流 （ 级）。 击穿电压 V(伏 ) I - - - （微安） 反向 -20 -30 2021/1/25 2005Lecture Notes WY 39 利用 P-N结 可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管 （ diode）。