激光和半導體

LaserandSemiconductor

激光技術是二十世紀發展起來的科學技術。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產生幾百萬度的高溫。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節激光

Laser1自發輻射特點：各原子自發輻射的光是獨立的、無關的非相干光。E2E1N2N1h

1.自發輻射電子自發躍遷：二、激光的發光原理

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,原子向外發射電磁波——光。

原子運動狀態的變化與發光相關聯的情況有三種：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（光子數越來越少）

上述外來光子也有可能被低能態的電子吸收，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,二個光子繼續刺激高能態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勢。因此，必須首先使高能態的粒子數大大超過低能態

——粒子數反轉(獲得激光的必要條件)。根據玻爾茲曼統計分布率:為保證實現粒子數反轉必須:

有激勵能源（光、氣體放電、化學、核能等）

有激活物質（工作物質）

(即有合適的能級結構）1.粒子數反轉

從E2—E1

自發輻射的光，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，Ne是激活物質)

由電子的碰撞,He原子被激發到2s能級——亞穩能級

(概率比Ne

原子被激發的概率大)。在He的這個亞穩態上聚集較多的原子。

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原子被激發到5s能級

。

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

管內受激發射的光子,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。

精心設計管長,使所需頻率的波形成駐波（兩端為波節）,形成穩定的振蕩得到加強。6（1）產生與維持光的振蕩，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用于科學技術、軍事、藝術、生活及醫學等多個領域。即諧振腔的作用是導向、放大、提高單色性7一、半導體的基本概念

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

第2節半導體

Semiconductor8

當眾多原子結合形成固體后，每個原子周圍的環境和物理因素發生變化。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—不導電價帶(導帶):能帶未排滿電子——能導電

空帶(導帶)：能帶未排電子——能導電禁帶

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

它們的導電性能不同，是因為它們的能帶結構不同。2.導體、半導體、絕緣體的能帶結構

滿帶導體：其能帶結構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,滿帶中出現一個空位。導體的能帶結構導帶10半導體:其能帶結構為滿帶與空帶之間是禁帶。但是禁帶很窄（

Eg

約0.1～2

eV

)。導帶禁帶滿帶半導體的能帶結構

導帶中的電子在外場作用下可向稍高能級轉移參與導電。

滿帶中的電子較易進入導帶。外場

11絕緣體：滿帶與空帶之間也是禁帶，但禁帶很寬。滿帶導帶絕緣體的能帶結構禁帶

滿帶中的電子很難進入導帶

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

半導體禁帶寬度窄、在外場的作用下,導帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導電。

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

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

一般溫度下，雜質的價電子很容易被激發躍遷至導帶，成為導電電子，使導帶中的電子濃度大大增加。半導體成為以電子導電為主的n

型半導體。（1）n

型半導體——電子導電為主外場滿帶導帶施主能級n

型半導體14（2）P

型半導體——空穴導電為主

四價的元素中摻入少量三價元素時形成P

型半導體，如：在硅