大学物理华科大版激光和半导体

19
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）
E
外场
ELeabharlann 导带满带20
（2）杂质半导体 * n 型半导体 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。
如氦氖激光器（氦氖按以下比例混合 He : Ne 4 : 1 10 : 1 ）
E2
亚稳态
' E3
' E2
亚稳态
6328A0
Ne 3
E1
He
' E1
布儒斯特窗
阳极
氦、氖气体
阴极
（2）谐振腔
反射镜 100%
反射镜 98%
*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。
2
3. 产生激光的条件 （1）粒子数反转： 根据玻尔兹曼分布率
N
E Ae KT
( E , N )
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 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）
*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。 动画
4
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。 注意：
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。
11
激 光 眼 部 检 查
12
激光治疗
治疗近视眼
切除染色体致病基因 照射病灶
13
激
光
手
术
14
激光手术刀
（不需开胸，不住院）
照明束
主动脉
臂动脉 内窥镜 冠状动脉
附属通道 有源纤维 套环
……照亮视场 纤维镜激光光纤 ……成象 有源纤维强激光 ……使堵塞物熔化 附属通道 （可注入气或液） ……排除残物以明视线
18
E
外 E 场
导带
外 场
E
E g 10eV
导带
E g 1eV
禁带
禁带
满带
（1）半导体
满带
（2） 绝缘体
导带 满带 （3）金属
（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。 （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。 （3）导体没有禁带，可显示很强的导电性。
外场
E
导带 受主能级 满带
P 型半导体
附几个3、4、5价的元素：
In 3 Al 3 B 3 Ga 3 Si 4 Ge 4 5 5 5 As Sb P
E
导带
施主能级 满带
外场
n 型半导体
21
* P 型半导体 四价的元素中 掺入 少量三价元素时形成 P 型 半导体，如：在硅中掺入 三价的硼杂质，杂质原子 的局部能级位于导带顶附 近（称为受主能级）。 一般温度下满带中的 电子很容易 被激发跃迁至 杂质能级上，满带中的空 穴也将因此而大大增加， 而成为多数载流子。从而 半导体成为空穴型导电的 P 型半导体。
（2）单色性好：氦氖激光器 10-7A0 (千万分之一埃) （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 。 2 相干长度：l ct （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：
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。
5
激光科学技术
激光实验
X射线激光器
6
激光加工技术
7
激光工艺
激光加工
激光扫描投影技术
8
激光存储技术
激光载体
光盘存储
9
激光通信技术
光导纤维
光信息处理机
10
激光光纤通讯 由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级， 一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
第六篇
量 子 物 理 (3)
第27章
激光和半导体 （2课时）
第27章
27—1 27—2
激光和半导体
激光 半导体
§ 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
套环
照明束 纤维镜
……（可充、放气） 阻止血流或使血流流通
15
激
光
武
器
战术激光武器
地基战略激光武器
地炮测距仪
16
贝尔实验室的 半导体激光
§ 27—2
半导体
1. 半导体： 电阻率介于导体和绝缘体之间。 既有负电性载流子又有 正电性载流子, 其电学性能可用能带理论解释。
17
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
（1）受激吸收 （光子数越来越少）
En
（2）自发辐射
Em
h h h
动画
各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同。 （3）受激辐射 E n
Em
动画 动画
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。