普通光源-自發(fā)輻射

1、 普通光源-自發(fā)輻射 激光光源-受激輻射一、簡(jiǎn)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(shí)功率大（可達(dá)10 14瓦）空間相干性好，有的激光波面上 各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。時(shí)間相干性好（10 - 8埃）， 相干長(zhǎng)度可達(dá)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(dá)104 W） 脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014 W ） 按波長(zhǎng)分：極紫外可見(jiàn)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(zhǎng)壽命上能級(jí) 2）、抽運(yùn)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(jí)的統(tǒng)計(jì)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(jí)的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布： 8/12/20226 若 E2 E 1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比 數(shù)量級(jí)估計(jì)：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(wú)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(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)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(lì)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(jí)） （）.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(shí)間、頻 率）3）研究熱點(diǎn)：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(zhǎng)585nm)處理皮膚色素沉著用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?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(shí)聚向一個(gè)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(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。一

6、、固體中的電子能級(jí)有什么特點(diǎn)？能帶的寬度記作E ，數(shù)量級(jí)為 EeV。 若N1023,則能帶中兩能級(jí)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(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的 某一能級(jí)上。 排布原則： . 服從泡里不相容原理（費(fèi)米子） . 服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl ，它最多能容納 2 (2 +1)個(gè)電子。這一能級(jí)分裂成由 N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納(2 +1)個(gè)電子。8/12/202219 電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。 有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞： 1滿帶（排滿電子

7、） 2價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)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(gè)電子。例如，1、能帶，最多容納 2個(gè)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(jī)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(gè)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(gè)電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個(gè)

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(gè)帶正電的粒子(稱為“空穴”) 。電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。8/12/202223空帶滿帶空穴下面能級(jí)上的電子可以躍遷到空穴上來(lái),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(chǎng)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(jià)的本征半導(dǎo)體 Si、等，摻入少量五價(jià)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(jí)在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV

9、，極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。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(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴少數(shù)載流子8/12/202226.型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、e等，摻入少量三價(jià)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(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，ED10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)。8/12/202227空 帶Ea滿 帶受主能級(jí) 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(bǔ)償作用實(shí)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(bǔ)償作用： 若ndna為n型（施主） 若ndna為p型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)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(bǔ)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(kuò)散，區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)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(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建場(chǎng)。8/12/202230內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度,不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)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(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作 。8/12/202231P-N結(jié)處存在電勢(shì)差Uo。 也阻止 N區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向P區(qū)擴(kuò)散。它阻止 P區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向N區(qū)擴(kuò)散；U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線電子電勢(shì)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(jìn)這內(nèi)建場(chǎng)帶來(lái)的電子附加勢(shì)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(jí)受主能級(jí)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(shì)壘被削弱、變窄，有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成正向電流（m級(jí)）。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(fù)極,叫反向偏壓。阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，不利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利