激光和半导体讲解.ppt

第27章 激光和半导体 27—1 激光 § 27—1. 激光 激光技术是二十年代发展起来的新的科学技术，对整个科学技术领域起了重大的改革和推动作用。 1. 激光的特点 （1）方向性强、亮度高：直径百分之几——千分之毫米的范围内产生几百万度的高温 （3）相干性好：相干长度长。一般光源相干长度为 0.1—10cm, 氦氖激光器可达 180 公里 。 （4）传递的信息容量大。 2. 激光的发光原理 原子运动状态的变化与发光相关联的情况有三种： （2）单色性好：氦氖激光器 ?? ? 10-7A0 (千万分之一埃) （1）受激吸收 （2）自发辐射 各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同。 （3）受激辐射 一个光子刺激高能态上的一个电子， 电子跃迁形成二个光子,二个光子刺激高能态上的二 个电子形成四个光子……光子数成几何级数增加， 受激辐射引起光放大。 （光子数越来越少） 动画 动画 动画 3. 产生激光的条件 要得到激光，就要使受激辐射占优势。因此，必须首先使 高能态的粒子数大大超过低能态。——粒子数反转 根据玻尔兹曼分布率 为保证实现粒子数反转必须有: *激励能源（泵浦）——光、气体放电、化学、核能等。 *工作物质（激活物质）有合适的能级结构（亚稳态） 如氦氖激光器（氦氖按以下比例混合 ） 亚稳态 亚稳态 （1）粒子数反转： （2）谐振腔 氦、氖气体 阴极 反射镜 反射镜 阳极 *管内受激发射的光子，沿管轴来回反射、增强，凡传播方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。 *反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉” 后，反射加强。 *精心设计管长，使所需频率的波形成驻波（两端为波）， 形成稳定的振荡得到加强。 *两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。 布儒斯特窗 动画 谐振腔的作用： *产生与维持光的振荡，使光得到加强。 *使激光有极好的方向性。 *使激光单色性好。 总之，具有对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。 10 最近科学家的研究表明:通过非线性相干相互作用， 无需粒子数反转，也能得到激光。 20 氦氖激光器已被广泛地应用于测量、对准、通讯、全息及医学等多个领域。 注意： 2. 固体的能带理论 （半导体的导电机构） 固体由原子组成，原子的能量是不连续的（即具有量子化的能级）。由于环境及物理的原因原子的能级要发生变化： 每个能级将分裂成彼此相差很小的的一组能级，称为能带。内层能级被电子填满，由它分裂成的能带也被电子占满，称为满带，外层能级未被电子填满，它它分裂成的能带亦未被填满，称为导带。 电子在满带中运动时不形成电流，导带中的电子在跃入更高的空能级时形成电流。 下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带， 这 里仅画出了导带和满带，它们间的能 量距离 ??g ， 称为禁带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在 于两者的禁带不同（如图），前者较窄， 后者较宽，而金属的 ??g =0 。 （1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下可向稍高能级转移参与导电。 （3）导体没有禁带，可显示很强的导电性。 （2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。 外 场 满带 导带 满带 导带 满带 导带 （1）半导体 禁带 禁带 外 场 （2） 绝缘体 （3）金属 3. 半导体的分类 （1）本征半导体 纯净的半导体，如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图） 外 场 满带 导带 （2）杂质半导体 当四价的元素中 掺 入少量五价元素时形成 n 型半导体。如：硅中 掺入磷杂质后，磷原子 在硅中形成局部能级位 于导带底附近（称为施 主能级）。 一般温度下，杂质的价电子很容易 被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。半导体成为以电子导电为主的n 型半导体。 * n 型半导体 外场 满带 导带 施主能级 n 型半导体 * P 型半导体