大学下激光 半导体.ppt

激光又名镭射激光又名镭射 ( (LaserLaser) )，，，， 它的全名是它的全名是“ “辐射辐射辐射辐射的受激发射光放大的受激发射光放大的受激发射光放大的受激发射光放大” (L Lightight A Amplification by mplification by S Stimulatedtimulated E Emission of mission of R Radiation)adiation)第第 21 章章 量子物理的应用量子物理的应用§21.1 §21.1 激光（激光（激光（激光（Laser)Laser)一、光与原子相互作用一、光与原子相互作用E2E1N2N1h 辐射场的辐射场的能量密度能量密度单位时间单位时间吸收吸收后跃迁概率后跃迁概率单位时间跃单位时间跃迁的原子数迁的原子数 吸收系数吸收系数1. 1. 吸收吸收(Stimulated Absorption)2. 2. 自发辐射自发辐射(Spontaneous Emission)E2E1N2N1h  各原子自发辐射的光是随机、独立的各原子自发辐射的光是随机、独立的, 所以是非相干光所以是非相干光 。

单位时间单位时间自发辐射自发辐射跃迁概率跃迁概率单位时间跃单位时间跃迁的原子数迁的原子数自发辐射系数自发辐射系数3. 3. 受激辐射受激辐射(Stimulated Emission)E2E1N2N1h 受激辐射系数受激辐射系数受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同同——光被光被放大放大了The emitted photon is exactly in phase with the incident photon. These photons can stimulate other atoms to emit photons in a chain of similar processes.)单位时间跃单位时间跃迁的原子数迁的原子数单位时间单位时间受激辐射受激辐射跃迁概率跃迁概率h  全同光子全同光子4. 4. 爱因斯坦关系（爱因斯坦关系（19171917年）年）(1) B12 、、B21、、A21 统称爱因斯坦系数统称爱因斯坦系数2) 三三种种过过程程同同时时进进行行，，当当辐辐射射场场与与原原子子处处于于热热平平衡衡时时，，单单位位时时间间往往上上能能级级跃跃迁迁的的原原子子与与往往下下能能级级跃跃迁迁的的原子原子一样多。

一样多N2（（B21   + A21））=N1B12   ---- ①①p21 = p121953年年 MASER 1960年年 LASER 爱因斯坦爱因斯坦早年的理论为之打下了基础早年的理论为之打下了基础热平衡时，各能态的原子数满足玻尔兹曼分布：热平衡时，各能态的原子数满足玻尔兹曼分布：---- ②由上二式可得：由上二式可得：与普朗克公式相比较与普朗克公式相比较B21 = B12得到：得到：1. 粒子数反转粒子数反转 (population inversion)二、二、二、二、 激光原理激光原理激光原理激光原理 (Principle of Lasers)(Principle of Lasers)热平衡条件下，处在能量为热平衡条件下，处在能量为 E1 的能级上的粒子数为的能级上的粒子数为而受激辐射必须而受激辐射必须 N2 > N1（（ 粒子数反转）粒子数反转） 高能级高能级 E2上的粒子数上的粒子数 N2 超过低能级超过低能级E1的粒子数的粒子数 N1 的这种的这种分布叫做分布叫做粒子数的反常分布粒子数的反常分布，简称，简称粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转。

为了得到光放大，就必须实现粒子数反转为了得到光放大，就必须实现粒子数反转为了得到光放大，就必须实现粒子数反转为了得到光放大，就必须实现粒子数反转 而而要要粒粒子子数数反反转转，，必必须须从从外外界界给给工工作作物物质质提提供供能能量量可可使使用用气气体体放放电电、、光光照照、、化化学学反反应应等等，，把把处处于于基基态态E1的的原原子子激激发发到到高高能能态态E2上去，这个过程叫上去，这个过程叫激励激励激励激励(energy input)(energy input)，，，，俗称俗称泵浦泵浦泵浦泵浦因因 E2 > E1 , 所以所以 N2 << N1热平衡不会产生激光热平衡不会产生激光2、激活物质能级结构、激活物质能级结构 能实现粒子数反转的物质，称为能实现粒子数反转的物质，称为激活物质激活物质激活物质激活物质(activated materials)(activated materials) ；； 这些物质都具有这些物质都具有亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态(metastable state)(metastable state)的能级结构的能级结构E1（基态）（基态）E2（亚稳态）（亚稳态） 10-3sE3 10-8s三能级系统三能级系统激激励励自发自发红宝石激光器红宝石激光器E1（基态）（基态）四能级系统四能级系统E3 （亚稳态）（亚稳态） 10-3sE4 10-8sE210-8s激激励励自发自发自发自发钕玻璃钕玻璃1954年年汤汤斯斯和和同同事事制制成成了了世界上第一台微波激射器世界上第一台微波激射器1960年年7月月7日日纽纽约约时时报报：：梅梅曼曼制制成成了了世世界界上上第第一一台台红红宝宝石激光器石激光器2007年年5月月11日日梅梅曼曼去去世世，，享年享年79岁。

岁 粒子数反转举例粒子数反转举例 例例例例. He. He一一一一Ne Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He -Ne 激光器中激光器中HeHe是辅助物质，是辅助物质，Ne Ne 是激活物质，是激活物质，He与与 Ne之比为之比为5∶∶1   10∶ ∶1亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态HeHe一一一一Ne Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He – Ne 激光管的工作原理：激光管的工作原理：  由于由于电子的碰撞电子的碰撞电子的碰撞电子的碰撞, ,He被激发被激发( (到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级) )的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概原子被激发的概率大；率大；  在在He的的2 23 3S，，2 21 1S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；这两个能级都是亚稳态，很难回到基态； 在在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。

的这两个激发态上集聚了较多的原子   由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的能量几乎相等，当两种原子相碰时的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的非常容易产生能量的“ “共振转移共振转移共振转移共振转移” ”；；；；（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）  正好正好Ne的的5 5S，，4 4S是是亚稳态，下能级亚稳态，下能级 4 4P，，3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S，，4 4S要短得要短得多多，这样就可以形成粒子数的反转这样就可以形成粒子数的反转  在碰撞中在碰撞中He 把能量传递给把能量传递给Ne而回到基态，而而回到基态，而Ne则被激发到则被激发到5 5S 或或4 4S；；  放放电电管管做做得得比比较较细细（（毛毛细细管管）），，可可使使原原子子与与管管壁壁碰碰撞撞频频繁繁。

借借助助这这种种碰碰撞撞，，3 3S态态的的Ne原原子子可可以以将将能能量量交交给给管管壁壁发发生生“ “无无无无辐辐辐辐射射射射跃跃跃跃迁迁迁迁” ”而而回回到到基基态态，，以以及及时时减少减少3S态的态的Ne原子数，有利于激光下能级原子数，有利于激光下能级4P与与3P态的抽空态的抽空  Ne原子原子可以产生多条激光可以产生多条激光谱线谱线, ,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条: : 0 0．．．．6328 6328    ｍｍｍｍ 1 1．．．．15 15    mm 3 3．．．．39 39    ｍｍｍｍ它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态之间发生的，非基态之间发生的，因此因此较易实现粒子数反转较易实现粒子数反转部分反射镜部分反射镜3. 3. 激光器的基本组成部分激光器的基本组成部分激励能源激励能源 全反射镜全反射镜激光输出激光输出工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔——工作物质工作物质—— 激励能源激励能源—— 光学谐振腔光学谐振腔产生激光产生激光必要条件必要条件(1) 实现粒子数反转实现粒子数反转(2) 使原子被激发使原子被激发(3) 要实现光放大要实现光放大 L光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性单色性单色性（选频）。

选频）4. 4. 激光的纵模激光的纵模准单色光的谱线宽度准单色光的谱线宽度  与与E2 的不确定度的不确定度 E线性关系线性关系:只有在谐振腔内形成驻波的模式只有在谐振腔内形成驻波的模式才能振荡、激发成激光才能振荡、激发成激光相邻两个纵模的间隔相邻两个纵模的间隔E2 的的的寿命的寿命纵模纵模不考虑其他因素，不考虑其他因素，激光器输出激光器输出纵模数纵模数每一个纵模也有宽度每一个纵模也有宽度……不确定关系不确定关系基模基模高阶横模高阶横模轴轴对对称称旋旋转转对对称称5. 5. 激光的横模激光的横模激光束横截面上光强呈一定分布激光束横截面上光强呈一定分布一种分布称为一个横模一种分布称为一个横模三、三、 激光的特点激光的特点3. 3. 方向性好方向性好1. 1. 单色性好单色性好时间相干性好（时间相干性好（  ～～ 10 – 9nm）） 相干长度可达几十公里；相干长度可达几十公里；空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源；空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源；2. 2. 相干性好相干性好发散角～发散角～10 -4弧度；弧度；脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达10 13(W/m2), 甚至更高；甚至更高；大功率激光亮度比太阳高大功率激光亮度比太阳高 100亿倍。

亿倍4. 4. 能量集中能量集中5. 5. 亮度高亮度高2. 2. 按工作按工作方式分类方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1013W /m2 ））四、四、 激光器的种类及应用：激光器的种类及应用： 固体固体 （如红宝石（如红宝石Al2O3）） 液体液体 （如某些染料）（如某些染料） 气体气体 （如（如He-Ne、、CO2）） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs））1. 1. 按工作按工作物质分类物质分类3. 应用应用 ★★方向性极好的方向性极好的强强强强光束光束 --------准直、测距、切削、武器等准直、测距、切削、武器等 ★★相干性极好的光束相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等精密测厚、测角，全息摄影等强度大、单色性好、方向性好和相干性好是激光的优点强度大、单色性好、方向性好和相干性好是激光的优点强度大、单色性好、方向性好和相干性好是激光的优点强度大、单色性好、方向性好和相干性好是激光的优点。

d一、固体的能带结构一、固体的能带结构 (Energy Band Structure of Solid)固体具有大量分子、原子彼此靠得很近且有规则排列成点固体具有大量分子、原子彼此靠得很近且有规则排列成点阵结构具有周期性势场具有周期性势场 轨道轨道”不同程度重不同程度重叠，外层重叠多叠，外层重叠多具有相同能量的电子，在不同原子的相似具有相同能量的电子，在不同原子的相似“轨道轨道”上上互互相转移相转移——电子电子共有化共有化运动，外层电子共有化程度较高运动，外层电子共有化程度较高1.1.电子共有化电子共有化(Electron sharing)§ 21. 2 § 21. 2 半导体半导体半导体半导体(Semiconductor)(Semiconductor)2. 2. 能带能带(Energy Band)量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N 个原子，由于各原个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了变成了N 条靠得很近的能级条靠得很近的能级,称为称为能带若若N ~1023, 则新分裂的两能级的间距约则新分裂的两能级的间距约 10-23 eV，会密不可，会密不可发，形成发，形成能带。

能带能带宽度能带宽度单能级单能级rE0a1s3. 3. 能带的特点能带的特点2s2p离子间距离子间距(1)高能级能带宽，高能级能带宽， E 大2)点阵间距越小，点阵间距越小，  E 大3)  E 大小由晶体性质决定，大小由晶体性质决定，与晶体所包含的原子数与晶体所包含的原子数N无关N能带中能级的密集程度能带中能级的密集程度增加4 . 4 . 能带中电子的排布能带中电子的排布 (1)服从泡利不相容原理服从泡利不相容原理 ; (2) 服从能量最小原理服从能量最小原理对应对应 Enl能级的能带最多容纳能级的能带最多容纳 2N (2 l +1)个电子无外界提供能量时，电子首先应占领低能级无外界提供能量时，电子首先应占领低能级1s、、2s 能带，最多容纳能带，最多容纳 2N个电子2p、、3p 能带，最多容纳能带，最多容纳 6N个电子1s2s2p空带空带(empty band)满带满带(filled band) 价带价带(valence band)导带导带(conduction band)禁带禁带(forbidden band)禁带禁带能带分类能带分类满带中的电子对导电没有贡献，只有在导带中的电子才满带中的电子对导电没有贡献，只有在导带中的电子才满带中的电子对导电没有贡献，只有在导带中的电子才满带中的电子对导电没有贡献，只有在导带中的电子才对导电有贡献。

导带中的这些电子被称为自由电子对导电有贡献导带中的这些电子被称为自由电子对导电有贡献导带中的这些电子被称为自由电子对导电有贡献导带中的这些电子被称为自由电子固体按导电性能的高低可以分为：导体、固体按导电性能的高低可以分为：导体、 半导体半导体 、绝缘体、绝缘体 它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同导导 体体绝缘体绝缘体半导体半导体 Eg = 3~6eV Eg = 0.1~2eV5. 5. 导体导体(Conductor) 绝缘体绝缘体(Insulator) 半导体半导体(Semiconductor)空带空带 价带价带 满带满带 禁带禁带 导导 体：体：10-23 eV跃跃迁迁到到高高能能级级，，向电子提供能量向电子提供能量 ——热激发或小电场，很难使热激发或小电场，很难使电子跃迁到高能级（空带）上去电子跃迁到高能级（空带）上去 ——不大的能量就可电子跃不大的能量就可电子跃迁到高能级（空带）上去。

迁到高能级（空带）上去半导体：半导体：0.1~2eV绝缘体：绝缘体：3 ~6 eV ——本身结构已形成导带本身结构已形成导带 足够大的能量足够大的能量可使绝缘体击穿可使绝缘体击穿——导体(1) 电子导电电子导电——电子运动形成电流，电子运动形成电流，载流子是电子载流子是电子2) 空穴导电空穴导电——空穴运动形成空穴运动形成电流，载流子是空穴电流，载流子是空穴二、半二、半 导导 体体(semiconductor)在在外外场场作作用用下下，，纯纯净净半半导导体体材材料料满满带带上上的的电电子子跃跃迁迁到到空空带带，，满满带带中中出出现现空空穴穴(electron hole)——导导带带电电子子、、空穴称空穴称本征载流子本征载流子满满 带带导导 带带空带空带导导 带带(3) 本征导电本征导电—— 电子、空穴同时参于导电电子、空穴同时参于导电1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic semiconductor)—纯净的纯净的半导体半导体 Eg解解:例例：本征半导体材料禁带宽：本征半导体材料禁带宽2.42 eV ，用光激发其导，用光激发其导电电, , 计算光波的最大波长。

计算光波的最大波长  Eg=2.42 eVh IIh 2. 2. 杂质半导体杂质半导体 (impurity semiconductor)要使半导体导电性能好要使半导体导电性能好—— 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量少量其他元素的原子其他元素的原子——对半导体而言是杂质对半导体而言是杂质要保证杂质原子间距很大，电子运动要保证杂质原子间距很大，电子运动范围不重叠范围不重叠——杂质能级是杂质能级是单能级单能级空带空带满带满带ECEV空带空带满带满带ECEV受主能级受主能级(acceptor lever)施主能级施主能级(Donor lever)n 型型p型型导带导带导带导带Si n 型半导体型半导体 举例举例 4 价的硅价的硅+ 5 价的磷价的磷P施主能级施主能级 E D空带空带导导 带带n 型型(negative type)半导体载流子以半导体载流子以电子为主电子为主 P 型半导体型半导体 举例举例 4 价的硅价的硅+ 3 价的硼价的硼SiB受主能级受主能级满满 带带导导 带带p型型(positive type)半导体载流子以半导体载流子以空穴为主空穴为主 E D EgPN一片本征半导体，两边各参适量的高、低价杂质一片本征半导体，两边各参适量的高、低价杂质N 侧有许多自由侧有许多自由 电子电子P 侧有许多空穴侧有许多空穴两侧都是两侧都是电中性电中性自由电子向空穴扩散自由电子向空穴扩散两侧净电荷积累两侧净电荷积累N 侧剩余正电荷侧剩余正电荷P 侧剩余负电荷侧剩余负电荷形成电偶极层形成电偶极层——PN 结结U0结电场结电场E0，形成势垒，形成势垒U0，阻止扩散。

阻止扩散PN 结做成晶体二极管结做成晶体二极管(Crystal Diode)(1) PN 结形成结形成3. PN 3. PN 结结 (PN junction)离子离子自由电子自由电子空穴空穴Θ Θ Θ     E0在在p型型 n型交界面附近形成的这种型交界面附近形成的这种特殊结构称为特殊结构称为p-n结，约结，约0.1 m厚E0EUI正向偏置正向偏置(2) PN 结的特性结的特性外电场减弱了结电场，外电场减弱了结电场，降低了势垒降低了势垒扩散继扩散继续进行续进行回路中电流回路中电流I UI0反向偏置反向偏置EU外电场与结电场同向，外电场与结电场同向，共同阻止共同阻止扩散扩散回回路中只有极小的电流路中只有极小的电流整流作用整流作用UBU=UB 反向电流突然反向电流突然加大加大——击穿！击穿！PN结伏安特性曲线结伏安特性曲线I4. 三极管三极管(Triode)由两个背向的由两个背向的pn结组成，分结组成，分npn型和型和pnp型三极管的重要特性是放大作用三极管的重要特性是放大作用bcenpn发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结基区基区ebc基极基极发射区发射区集电区集电区npn型三极管示意图型三极管示意图。