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文檔簡介

1、 普通光源-自發(fā)輻射 激光光源-受激輻射一、簡要介紹 激光又名鐳射 (Laser), 它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)Chapter 24: 激光與固體中的電子8/12/202218/12/202221. Characteristics:方向性極好(發(fā)散角10 -4弧度)脈沖瞬時功率大(可達10 14瓦)空間相干性好,有的激光波面上 各個點都是相干光源。時間相干性好(10 - 8埃), 相干長度可達幾十公里。單色性(相干性)極好亮度極高8/12/20223 按工作方式分 連續(xù)式

2、(功率可達104 W) 脈沖式(瞬時功率可達1014 W ) 按波長分:極紫外可見光亞毫米 (100 n m ) (1.222 m m )2. Classification : 固體(如紅寶石Al2O3 ,YAG) 液體(如某些染料) 氣體(如He-Ne,CO2) 半導(dǎo)體(如砷化鎵 GaAs) 按工作物質(zhì)分8/12/20224二、受激輻射光放大E2E1N2N1全同光子h單色性極好方向性極好亮度極高需要:1)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-有長壽命上能級 2)、抽運條件 (能源)-N1 N2 3)、保障單色性和方向性的條件(諧振腔)8/12/202251、 粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布 (玻耳茲曼分布) 由大量原子組成

3、的系統(tǒng),在溫度不太低的 平衡態(tài),原子數(shù)目按能級的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計分布: 8/12/20226 若 E2 E 1,則兩能級上的原子數(shù)目之比 數(shù)量級估計:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;8/12/202272、原子激發(fā)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion, N2 N1) 1)原子激發(fā)的幾種基本方式:( 1)氣體放電激發(fā) (2)原子間碰撞激發(fā) (3)光激發(fā)(光泵)8/12/202282)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例 例. He一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) He -Ne 激光器中He是輔助物質(zhì),Ne是激活物質(zhì),He與 Ne之比為51 10

4、1。(布儒斯特定律 P.197)8/12/20229亞穩(wěn)態(tài)電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移 亞穩(wěn)態(tài)共振轉(zhuǎn)移He:Ne=57:1無輻射躍遷短壽命短壽命氣體放電激發(fā)8/12/2022103、光學(xué)諧振腔的作用: 1).使激光具有極好的方向性(沿軸線); 2).增強光放大作用(延長了工作物質(zhì)); 3).使激光具有極好的單色性(選頻)。8/12/2022114、Summary:1)產(chǎn)生激光的必要條件 (2). 激勵能源(使原子激發(fā)) (1). 有產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)(激活介 質(zhì)有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級) ().光學(xué)諧振腔(方向性,光放大,單色性)2)發(fā)展方向:大功率,高分辨(時間、頻 率)3)研究熱點:醫(yī)用和光通信激光器

5、8/12/202212 光纖胎兒8/12/202213 光纖診斷8/12/202214用脈沖的染料激光(波長585nm)處理皮膚色素沉著用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復(fù)位(目前已是常規(guī)的醫(yī)學(xué)手術(shù))激光焊接:高能激光 (能產(chǎn)生約5500 oC的高溫)把大塊硬質(zhì)材料焊接在一起8/12/202215激光核聚變這是激光NOVA靶室,在靶室內(nèi)十束激光同時聚向一個產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的小燃料樣品上,引發(fā)核聚變。8/12/202216Chapter 24:固體能帶(energy band) 量子力學(xué)計算表明,固體中若有N個原子,由于各原子間的相互作用,對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。一

6、、固體中的電子能級有什么特點?能帶的寬度記作E ,數(shù)量級為 EeV。 若N1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。8/12/202217離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖8/12/202218二 . 能帶中電子的排布 固體中的一個電子只能處在某個能帶中的 某一能級上。 排布原則: . 服從泡里不相容原理(費米子) . 服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個能級 Enl ,它最多能容納 2 (2 +1)個電子。這一能級分裂成由 N條能級組成的能帶后,能帶最多能容納(2 +1)個電子。8/12/202219 電子排布時,應(yīng)從最低的能級排起。 有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞: 1滿帶(排滿電子

7、) 2價帶(能帶中一部分能級排滿電子) 亦稱導(dǎo)帶 3空帶(未排電子) 亦稱導(dǎo)帶 4禁帶(不能排電子)2、能帶,最多容納 6個電子。例如,1、能帶,最多容納 2個電子。(2 +1)8/12/202220導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體Eg=36eVEg=0.12eVEgLiBe,Ca,Mg,Zn.Na,K,Cu,Al,Ag8/12/202221三、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)一). 本征半導(dǎo)體(semiconductor) 本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個概念:1. 電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子2. 空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個

8、空位。8/12/202222例. 半導(dǎo)體 Cd S滿 帶空 帶hEg=2.42eV這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為“空穴”) 。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。8/12/202223空帶滿帶空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來,這相當(dāng)于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導(dǎo)電。Eg在外電場作用下,8/12/202224二). 雜質(zhì)半導(dǎo)體(錄象:包括PN結(jié)). n型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體 Si、等,摻入少量五價的雜質(zhì)(impurity)元素(如P、As等)形成電子型半導(dǎo)體,稱 n 型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明,這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV

9、,極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主(donor)能級。8/12/202225 n 型半導(dǎo)體 在n型半導(dǎo)體中 電子多數(shù)載流子空 帶滿 帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴少數(shù)載流子8/12/202226.型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、e等,摻入少量三價的雜質(zhì)元素(如、Ga、n等)形成空穴型半導(dǎo)體,稱 p 型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明,這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處,ED10-2eV,極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級稱受主(acceptor)能級。8/12/202227空 帶Ea滿 帶受主能級 P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中 空穴多數(shù)載流子電子少數(shù)載流

10、子8/12/2022283. 雜質(zhì)補償作用實際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)(濃度nd),又有受主雜質(zhì)(濃度na),兩種雜質(zhì)有補償作用: 若ndna為n型(施主) 若ndna為p型(受主)利用雜質(zhì)的補償作用,可以制成P-結(jié)。8/12/202229三) -結(jié)1.-結(jié)的形成在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì),由于雜質(zhì)的補償作用,該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴散,區(qū)的空穴向區(qū)擴散,在型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場,稱為內(nèi)建場。8/12/202230內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動,達到了新的平衡。在型 n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié),約0.1m厚。

11、P-N結(jié)n型p型內(nèi)建場阻止電子和空穴進一步擴散,記作 。8/12/202231P-N結(jié)處存在電勢差Uo。 也阻止 N區(qū)帶負電的電子進一步向P區(qū)擴散。它阻止 P區(qū)帶正電的空穴進一步向N區(qū)擴散;U0電子能級電勢曲線電子電勢能曲線P-N結(jié)8/12/202232考慮到P-結(jié)的存在,半導(dǎo)體中電子的能量應(yīng)考慮進這內(nèi)建場帶來的電子附加勢能。 電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。8/12/202233空帶空帶P-N結(jié)施主能級受主能級滿帶滿帶8/12/2022342 . -結(jié)的單向?qū)щ娦裕? 正向偏壓在-結(jié)的p型區(qū)接電源正極,叫正向偏壓。阻擋層勢壘被削弱、變窄,有利于空穴向N區(qū)運動,電子向P區(qū)運動, 形成正向電流(m級)。p型n型I8/12/202235外加正向電壓越大,正向電流也越大,而且是呈非線性的伏安特性(圖為鍺管)。V(伏)(毫安)正向00.21.0I8/12/202236). 反向偏壓在-結(jié)的型區(qū)接電源負極,叫反向偏壓。阻擋層勢壘增大、變寬,不利于空穴向區(qū)運動,也不利

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