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Common Diode Lasers CD Player = 632 nm DVD Player = 658 nm Blueray DVD = 405 nm 5.5.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件 一、有关半导体的基础知识 1．能带 构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。 量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成 N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级差为10-22） ，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围称为“能带”。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Ev来衡量。下图说明了原子中子轨道、能级及能带之间的对应关系。 固体的能带 固体的能带 本征半导体的能带 在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带’，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价带” 和“导带”之间是“禁带”。 在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。 2．电子和空穴的统计分布 统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为 由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定，因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。 3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图给出了温度极低时的情况。 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系 ①在未掺杂质的本征型半导体中，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价带内的空穴是非简并化分布(图a)。 ②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b);轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能级向上移动(图d); ③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中出现空穴——P型简并半导体 (图c); ④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e); ⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。 (图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。 4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带 (图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。 (图f )中的情况都只有两费米能级，导带有自由电子，价带中有空穴，当入射光的频率满足 时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子。 5.5.2 PN结和粒子数反转 在热平衡系统中(图a—e )中的情况都只有一个费米能级不能产生光放大。把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 一、 P-N结的双简并能带结构 如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 P－N结。 未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N 结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同一水平。 红宝石中铬离子的吸收光谱 红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943mm和0.6929mm。 通