课件激光与半导体

1、激光是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射。粒子发射与吸收光的过程总与粒子在能级间的跃迁联系E2 E1h光与粒子系统的相互作用有三个过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射12011/12/11DUT21.2激光一、光与原子相互作用1、受激吸收处于低能级E1的粒子，在 频率为=(E2-E1)/h , 光强 为I的入射光照射下，吸收一个光子跃迁到高能级 E2，此过程称为受激吸收。N2E2hN1E1 d N时间跃迁的原子数12 kNIB112d t 吸收 N1：E1能级的粒子数；B12： 受激吸收系数。22011/12/11DUT2、 自发辐射处于高能级的粒子，在没有外界影响下，自发的向低能级跃迁，

2、并发射一个光子，此过程称为自发辐射。N2E2EE h21hN1E1特点：发生辐射的各粒子互不相关，它们发出的光波列的频率、相位、偏振态、系非相干光。方向之间都没有联 dN21 N2：高能级粒子数；时间跃迁的原子数ANA：自发辐射系数。212dt自发21为10-8s。粒子处于激发态的平均可达到10-3s（或更长）亚稳态。但是有些激发态的平均32011/12/11DUT3、 受激辐射处于高能级E2的粒子，在频率为=(E2-E1)/h ，光强为I的入射光照射激励，跃迁到低能级E1上去，同时发射一个与入射光子完全相同的光子，此过程称为受激辐射。N2E2hhhN1E1EE1 2h受激辐射产生的光子与外来

3、光子的频率、相位、偏振态、传播方向相同全同光子。特点：受激辐射发出的光波与入射波具有完全相同的特性，即频率、相位、偏振态、现了光放大。方向都相同相干光实 dN21N2：E2能级的粒子数；时间跃迁的原子数 kN IB221B： 受激辐射系数。dt受激2142011/12/11DUT二、激光原理1、 粒子数反转光与物质系统相互作用时，受激吸收、自发辐射和受激辐射同时存在。受激吸收受激辐射光子数减小光子数增加决定与高能级与低能级的粒子数热平衡时，不同能级的原子数服E1EN21 e2 kTN从分布1正常分布不会产生激光正常状态（热平衡）：N2N1， 与正常分布相反粒子数反转能实现粒子数反转的物质激活物

4、质（工作物质）；激活物质必须存在亚稳态能级。52011/12/11DUT E nN n ekT2、激活物质能级结构三能级系统四能级系统E3 （激发态）E4 （激发态）10-8s10-8s无辐射跃迁自发E2（亚稳态）10-3sE3 （亚稳态）10-3s激激励励E2 （激发态）10-8sE1（基态）E1（基态）自发激励能源62011/12/11DUT粒子数反转在E2和E1之间实现粒子数反转在E3和E2之间实现E 2E1hE 3E2h一定条件下3、光学谐振腔激光输出全反射镜部分反射镜L只有光在谐振腔内来回一次得到的增益大于损耗，才能形成激光。增益：工作物质对光的放大。GxII 0 eG: 增益系数描

5、述工作物质对光的放大能力。I0: x=0 处（进入工作物质前）的光强。I: 进入工作物质后，x处的光强。72011/12/11DUT光学谐振腔工作物质I2I3I1 I4I5I1从M 出发的光强1MM工作物质12I 2GLI1e到达M2 的光强LM2反射 r I r I eGLIr : M 的反射率经M 反射后的光强22322212工作物质 r I e 2GLeGLII到达M 的光强14321M1反射 r I r r I e 2GLIr1: M1的反射率经M 反射后的光强514121182011/12/11DUTI r I r r I e 2GL经M 反射后的光强5141211一个来回，实现增益

6、大于损耗，须满足：阈值条件1Gm 2 L ln( r1r2 )谐振腔的阈值增益光学谐振腔的主要作用：1. 产生与维持光的振荡，使光得到加强。使激发具有极好的方向性。使激光的单色性极好。92011/12/11DUTr r e 2GL 112实现粒子数反转使原子被激发要实现光放大工作物质产生激光必要条件激励能源激光器的基本组成部分满足阈值条件的谐振腔102011/12/11DUT三、 激光器的种类（如红宝石Al2O3）固体液体气体（如某些）1、按工作物质分类（如He-Ne、CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）连续式（功率可达104 W/cm2）2、按工作方式分类脉冲式（瞬时功率可达1017W /c

7、m2）112011/12/11DUT四、 激光的特点1、单色性极好2、相干性极好时间相干性好（ 10 - 8埃） 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。3、方向性极好发散角10 -4弧度4、能量集中脉冲瞬时功率可达10 17W/cm-25、亮度极高高 100亿倍大功率激光亮度比122011/12/11DUT问题5. 按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是（ B ）A. 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的。两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的。两

8、个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的。两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的。132011/12/11DUT晶体具有高度的对称性固体非晶体固体的能带结构导体、半导体、绝缘体 n型半导体和p型半导体 PN结21.3半导体一、固体的能带结构1、 电子共有化以只有一个价电子的原子为例，分析价电子在正离子的电场中EP的势能特点。drr+E2 E1abcd一维晶体点阵形成的势能函数曲线电子能量 E1低，穿过势垒概率小；电子能量 E2高，穿过势垒概率大。晶体内出现一批属于整个晶体所共有的电子。由于晶体中原子的周期排列而使价电子不再为单个原

9、子所有的现象，称为电子的共有化。2011/12/1115DUT2、 能带在晶体中，由于电子的共有化，使原来处于状态原子的。量子力学计算表明，固体中若有N 个原子，由于各能级原子间的相互作用，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。能带E能带宽度单能级E若N 1023, 能带宽度只有几个电子伏，则两能级的间距约 10-23 eV。162011/12/11DUT1. 高能级能带宽，E 大。2. 点阵间距越小， E 大。3. E 大小由晶体性质决定， 与晶体所包含的原子数N无关。 N能带中能级的密集程度增加。离子间距172011/12/11DUT能带的特点能带示意图3 、

10、 能带中电子的排布能带中能级的个数由组成晶体的原子数N决定。. 服从泡利不相容原理 。. 服从能量最小原理。对应能级 Enl 的能带最多能容纳 2N (2 l +1)个电子。原则1s、2s 能带，最多容纳 2N个电子。2p、3p 能带，最多容纳 6N个电子。例2p能带分类空带无外界提供能量时，电子首先应占领低能级。不存在电子 禁带导带2s价带禁带满带 电子不参与导电1s182011/12/11DUT4 、导体 半导体 绝缘体固体按导电性能的高低可以分为：导体 半导体 绝缘体 。它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。导体绝缘体半导体Eg= 0.11.5eVEg = 36eV满带空带形成导

11、带导带空带形成更宽导带价带未填满是导带价带禁带空带满带192011/12/11DUT导体：10-23 eV半导体：0.11.5eV绝缘体：36eV跃迁到高能级，电子至少需要能量导体有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。绝缘体满带与空带之间禁带较宽，一般的热激发或小电场，很难使共有化电子从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。所以不形成电流。足够大的能量可使绝缘体击穿导体。半导体条件较宽松，不大的能量就可使其导电。202011/12/11DUT二、半导体1、本征半导体纯净的半导体。电子导电 电子运动形成电流，载流子是电子。空穴导电 空穴运动形成电流，载流子是空穴。空带导 带满 带导带 空穴（3

12、） 本征导电 电子、空穴同时参于导电。满带中出现的一些电子向一个方向迁移和一些空穴向相反方向迁移，是对同一个运动过程的两种说法，并不是两个不相关的过程。纯净半导体的导电性取决与满带中电子向导带的跃迁。在外场作用下，纯净半导体材料满带上的电子跃迁到空带，满带中出现空穴，都成了导带。电子、空穴称本征载流子。212011/12/11DUT2、 杂质半导体在本征半导体中掺入少量其他元素的原子对半导体而言是杂质显著增强半导体的导电能力。杂质原子的能级处于半导体的禁带之中。导带空带ECp型n型EV满带导带222011/12/11DUTEAEV受主能级满带EC空带ED施主 能级导电机构取决与从施主能级激发到

13、空带中的电子n 型半导体。空带导 带ED施主能级EgPn 型半导体载流电子为主。满 带P 型半导体 举例4 价的硅+ 3 价的硼导电机构取决与导带中空穴的运动P 型半导体。空 带SiSiSiSiSi受主能级BEDSiP 型半导体载流空穴为主。Si满 带导带 232011/12/11DUTSiSiSiSiSiSiSin 型半导体 举例4 价的硅+ 5 价的磷3、 PN 结（1）PN 结形成一片本征半导体，两边各参适量的高、低价杂质PN 结PNN 侧电子 P 侧P 侧空穴 N 侧N 侧电子多空穴少P 侧空穴多电子少N 区和P区的交界处累积正负电荷P 侧剩余负电荷N 侧剩余正电荷形成电偶极层p n结

14、U0结电场E0扩散 N 区相对P区形成电势差U0 P区能带升高，N区能带降低势垒U0 （阻隔层）。pn 结中电势差242011/12/11DUT E0 （2）PN 结的特性 只允许单向电流通过E正向偏置IPN外电场E减弱了结电场 E0 ，降低了势垒扩散继续进行回路中电流I 。IE0UBUUE0反向偏置外电场E与结电场E0同IPNp n 结伏安特性曲线PN 结做成晶体二极管。向，共同扩散E0回路中只有极小的电流。U=UB 反向电流突然加大击穿！DUTPNU252011/12/11半导体材料禁带宽2.42 eV ，用光激发其导电, 计算光波的最大波长。hchhE解gEg = 2.42eVhcEg

15、h. c1034 38663102E .max19. 642110g5. 14170514 mnm262011/12/11DUT例题问题1. 自发辐射与受激辐射有何区别？处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子由自发的辐射光子返回基态，这一过程称为自发辐射。自发辐射的过程是一个随机过程，各个原子的辐射都是自发 的，独立的进行的。因而各个原子辐射出来的光子的相位、频率、偏振态、方向之间没有确定的关系。对大量原子来说，其所处的激发态也不尽相同，因而辐射光子的频率也不同。所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光属于自发辐射。受激辐射的过程是处于激发态的原子受到外来能量满足h=E2

16、-E1的光子的刺激作用，从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射一个光子，辐射出来的光子与外来光子的频率、相位、偏振态、方向都相同。一个光子入射原子系统后，可以由于受激辐射变为两个全同光子，两个光子又可以变为四个这就实现了光的放大。受激辐射光放大是激光产生的基本机制。272011/12/11DUT问题2. 光学谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用。1. 产生与维持光的振荡，使光得到加强。.使激发具有极好的方向性。 .使激光的单色性极好。因为在激光谐振腔内，受激辐射发出的光，沿轴线方向经过谐振腔反射在腔内形成光振荡，每次往复，都会使处于反转状态的高能级上的粒子受激辐射出的同频率，同相位，同偏振态，

17、同方向的光。从而进一步实现了光放大。而不沿轴线而只有沿轴向的光，经谐振腔有限次反射将逸出腔外，从的光输出。即方向性好。又因为在受激辐射的基础上在腔内要形成稳定的振荡，波长必须满足一定的条件，不满足条件的光很快就会衰减掉，所以输出的光具有良好的单色性。282011/12/11DUT问题3. 普通光源的发光机制是（ 自发辐射）占优势。激光器发出的光是（ 受激辐射）占优势。要实现这个条件，必须是激光器的工作物质处于（ 高能级中的粒子数）超过处于（ 低能级中的粒子数（ 粒子数反转 ），这种粒子分布状态称为问题4. 光和物质相互作用产生受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性是指什么？相位

18、、频率、偏振态、方向。292011/12/11DUT问题5. 从能带结构看，本证半导体的导电机制是（ 本征激发到空带中的电子和原来满带中的空穴 ）加入杂质后，P型半导体能带结构的变化是（ 在满带上方邻近处有杂质能级（受主能级）从而在满带中形成了（空穴）问题6. 如果一个能带中所有的能态都被电子填满，这能带称为（ 满带）；电子尚未填满的能带称为（ 导带）；激发能带本来没有电子，所以也称（空带）；价电子所在的能级分裂形成的能带也称为（价带）302011/12/11DUT问题7. 与绝缘体比较，半导体能带结构的特点是（ C ）B. 导带也是空带。A. 满带与导带重合。C. 禁带宽度较窄。D. 满带中总有空穴，导