普通光源-自发辐射.ppt
2023/10/29,2005Lecture Notes WY,1,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,一、简要介绍,激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),Chapter 24:激光与固体中的电子,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,2,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,3,1.Characteristics：,方向性极好（发散角10-4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）,空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。,时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。,单色性（相干性）极好,亮度极高,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,4,按工作方式分,连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达1014 W）,按波长分：极紫外可见光亚毫米,(100 n m）（1.222 m m）,2.Classification：,固体（如红宝石Al2O3，YAG）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）,按工作物质分,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,5,二、受激辐射光放大,全同光子,单色性极好,方向性极好,亮度极高,需要：1）、粒子数反转-有长寿命上能级 2）、抽运条件(能源)-N1 N2 3）、保障单色性和方向性的条件（谐振腔）,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,6,1、粒子数按能级的统计分布（玻耳兹曼分布）,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,7,若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计：,T 103 K；,kT1.3810-20 J 0.086 eV;,E 2-E 11eV;,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,8,2、原子激发和粒子数反转(population inversion，N2 N1),1）原子激发的几种基本方式：,（1）气体放电激发,（2）原子间碰撞激发,（3）光激发(光泵),2023/10/29,2005Lecture Notes WY,9,He-Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与 Ne之比为51 101。,(布儒斯特定律 P.197),2023/10/29,2005Lecture Notes WY,10,电子碰撞,碰撞转移,共振转移,He:Ne=57:1,无辐射跃迁,气体放电激发,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,11,3、光学谐振腔的作用：,1）.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；,2）.增强光放大作用（延长了工作物质）；,3）.使激光具有极好的单色性（选频）。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,12,4、Summary:1）产生激光的必要条件,（2）.激励能源（使原子激发）,（1）.有产生粒子数反转的激活介质（激活介 质有合适的亚稳态能级）,（）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）,2）发展方向：大功率，高分辨（时间、频 率）3）研究热点：医用和光通信激光器,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,13,光纤胎儿,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,14,光纤诊断,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,15,激光焊接：高能激光(能产生约5500 oC的高温)把大块硬质材料焊接在一起,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,16,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,17,Chapter 24:固体能带(energy band),量子力学计算表明，固体中若有N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,变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,一、固体中的电子能级有什么特点？,能带的宽度记作E，数量级为 EeV。,若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,18,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,19,二.能带中电子的排布,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。,排布原则：,.服从泡里不相容原理（费米子）,.服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl，它最多能容纳 2(2+1)个电子。,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，能带最多能容纳(2+1)个电子。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,20,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子）亦称导带,3空带（未排电子）亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、能带，最多容纳 6个电子。,例如，1、能带，最多容纳 2个电子。,(2+1),2023/10/29,2005Lecture Notes WY,21,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg=36eV,Eg=0.12eV,Eg,Li,Be,Ca,Mg,Zn.,Na,K,Cu,Al,Ag,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,22,三、半导体的导电机构,一）.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,介绍两个概念：,1.电子导电半导体的载流子是电子,2.空穴导电半导体的载流子是空穴,满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,23,例.半导体 Cd S,这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”)。,电子和空穴总是成对出现的。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,24,空带,满带,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。,满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。,在外电场作用下,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,25,二）.杂质半导体(录象：包括PN结）,.n型半导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。,该能级称为施主（donor）能级。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,26,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,27,.型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、n等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,28,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,29,3.杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，可以制成P-结。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,30,三）-结,1.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。,由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,31,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。,在型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。,内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,32,P-N结处存在电势差Uo。,也阻止 N区带负电的电子进一步向P区扩散。,它阻止 P区带正电的空穴进一步向N区扩散；,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,33,考虑到P-结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。,电子的能带出现弯曲现象。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,34,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,35,2.-结的单向导电性,）.正向偏压,在-结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（m级）。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,36,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,37,）.反向偏压,在-结的型区接电源负极,叫反向偏压。,阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,38,但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿。,称为漏电流（级）。,2023/10/29,2005Lecture Notes WY,39,利用P-N结 可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管（diode）。,
