激光和半導(dǎo)體課件

激光和半導(dǎo)體

LaserandSemiconductor

激光技術(shù)是二十世紀發(fā)展起來的科學(xué)技術(shù)。一、激光的特點1.方向性強、亮度高直徑百分之幾——千分之毫米的范圍內(nèi)產(chǎn)生幾百萬度的高溫。3.相干長度長，相干性好。一般光源相干長度:0.1——10cm

氦氖激光器達180公里4.傳遞的信息容量大2.單色性好氦氖激光器

<10-7

?第1節(jié)激光

Laser1自發(fā)輻射特點：各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、無關(guān)的非相干光。E2E1N2N1h

1.自發(fā)輻射電子自發(fā)躍遷：二、激光的發(fā)光原理

外層受激電子能級躍遷,原子從較高的能級躍遷到較低的能級的過程中,原子向外發(fā)射電磁波——光。

原子運動狀態(tài)的變化與發(fā)光相關(guān)聯(lián)的情況有三種：2E1E2

完全一樣2.受激輻射頻率,位相,振動方向,傳播方向相同。3.受激吸收（光子數(shù)越來越少）

上述外來光子也有可能被低能態(tài)的電子吸收，使原子從E1

E2。吸收光子的頻率滿足:

h

=(E2-E1)

外來光子刺激高能態(tài)上的一個電子躍遷到低能級，輻射出與外來光子完全相同的光子,二個光子繼續(xù)刺激高能態(tài)上的電子躍遷形成四個完全相同光子……3三、激光的獲得

要得到激光，就要使受激輻射占優(yōu)勢。因此，必須首先使高能態(tài)的粒子數(shù)大大超過低能態(tài)

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(獲得激光的必要條件)。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計分布率:為保證實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須:

有激勵能源（光、氣體放電、化學(xué)、核能等）

有激活物質(zhì)（工作物質(zhì)）

(即有合適的能級結(jié)構(gòu)）1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

從E2—E1

自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過程，也可能引起吸收過程。原子按能量分布42.氦氖激光器（He是輔助物質(zhì)，Ne是激活物質(zhì))

由電子的碰撞,He原子被激發(fā)到2s能級——亞穩(wěn)能級

(概率比Ne

原子被激發(fā)的概率大)。在He的這個亞穩(wěn)態(tài)上聚集較多的原子。

由于Ne原子的5s能級與He原子的2s能級的能量幾乎相等,當兩種原子相碰時He原子很容易把能量傳遞給Ne原子，從而使Ne原子被激發(fā)到5s能級

。

正好Ne原子的5s能級是亞穩(wěn)能級，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。（根據(jù)管長而定）53.光學(xué)諧振腔氦、氖氣體陰極反射鏡反射鏡陽極

管內(nèi)受激發(fā)射的光子,沿管軸來回反射、增強，凡傳播方向偏離管軸方向的逸出管外淘汰。

反射鏡鍍有多層膜,適當選擇其厚度,使所需波長得到“相長干涉”后，反射加強。

精心設(shè)計管長,使所需頻率的波形成駐波（兩端為波節(jié)）,形成穩(wěn)定的振蕩得到加強。6（1）產(chǎn)生與維持光的振蕩，使光得到加強。（3）使激光單色性好。諧振腔的作用（2）使激光有極好的方向性——定向。

激光器已被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、軍事、藝術(shù)、生活及醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。即諧振腔的作用是導(dǎo)向、放大、提高單色性7一、半導(dǎo)體的基本概念

半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。既有負電性載流子(電子)又有正電性載流子(空穴hole),其電學(xué)性能,可用能帶理論解釋。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體

第2節(jié)半導(dǎo)體

Semiconductor8

當眾多原子結(jié)合形成固體后，每個原子周圍的環(huán)境和物理因素發(fā)生變化。原子的每個能級將分裂成相差很小的一組能級——能帶。滿帶:

能帶排滿電子—不導(dǎo)電價帶(導(dǎo)帶):能帶未排滿電子——能導(dǎo)電

空帶(導(dǎo)帶)：能帶未排電子——能導(dǎo)電禁帶

:不能排電子1.有關(guān)能帶被占據(jù)情況二、能帶理論電子可進入空能級形成電流——導(dǎo)電9一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上。

它們的導(dǎo)電性能不同，是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。2.導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)

滿帶導(dǎo)體：其能帶結(jié)構(gòu)為滿帶與空帶之間沒有禁帶。在外電場的作用下，大量電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。

滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個空位。導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶10半導(dǎo)體:其能帶結(jié)構(gòu)為滿帶與空帶之間是禁帶。但是禁帶很窄（

Eg

約0.1～2

eV

)。導(dǎo)帶禁帶滿帶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

導(dǎo)帶中的電子在外場作用下可向稍高能級轉(zhuǎn)移參與導(dǎo)電。

滿帶中的電子較易進入導(dǎo)帶。外場

11絕緣體：滿帶與空帶之間也是禁帶，但禁帶很寬。滿帶導(dǎo)帶絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)禁帶

滿帶中的電子很難進入導(dǎo)帶

(禁帶難越)，所以形不成電流,導(dǎo)電性很差。121.本征半導(dǎo)體（純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等）

半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場的作用下,導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。

(本征導(dǎo)電性。見下圖)外場滿帶導(dǎo)帶電子導(dǎo)電:半導(dǎo)體的載流子是電子空穴導(dǎo)電:半導(dǎo)體的載流子是空穴三、本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體132.雜質(zhì)半導(dǎo)體

當四價的元素中摻入少量五價元素時形成n型半導(dǎo)體。如:硅中摻入磷雜質(zhì)后，磷原子在硅中形成局部能級位于導(dǎo)帶底附近。（稱為施主能級）

一般溫度下，雜質(zhì)的價電子很容易被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電子，使導(dǎo)帶中的電子濃度大大增加。半導(dǎo)體成為以電子導(dǎo)電為主的n

型半導(dǎo)體。（1）n

型半導(dǎo)體——電子導(dǎo)電為主外場滿帶導(dǎo)帶施主能級n

型半導(dǎo)體14（2）P

型半導(dǎo)體——空穴導(dǎo)電為主

四價的元素中摻入少量三價元素時形成P

型半導(dǎo)體，如：在硅