第章半导体与激光简介

(QuantumPhysics)第六篇

量子物理2第16半导体与激光简介SemiconductorandLaser第1节半导体第2节激光3第1节半导体1.半导体的基本概念半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。既有负电性载流子(电子)又有正电性载流子(空穴)，其电学性能，可用能带理论解释。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体42.固体的能带(1)电子共有化固体具有大量分子、原子有规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用外层电子（高能级）不再局限于一个原子，电子可以在整个固体中运动。——共有化电子原子的内层电子与原子核结合较紧，一般不是共有化电子。a由于相邻原子靠的很紧,使电子的内外各层“轨道”有不同程度的重叠。5(2)能带(energyband)固体中的电子能级有什么新特点？能带的宽度记作E数量级为E～eV晶体中原子数目则能带中相邻两能级的间距约10-23eVN~1023/cm3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，分裂成N个靠得很近的能级,称为能带。N个新能级6原子中每一个许可的能级都能分裂成为能带。由于原子内外层电子的“轨道”重叠的程度不同，所以电子共有化情况不同。最外层电子“轨道”重叠的多，电子共有化运动显著，对应的能带较宽，内层则相反。注意一般规律：

1º

越是外层电子

能带越宽、E越大

2º

点阵间距越小

能带越宽、E越大

4º

两个能带有可能重叠a2p2s1sE0能带重叠示意图离子间距7

3º

能带宽度与N无关，只与

组成晶体的原子性质有关。8(3)能带中电子的排布

一个电子只能处在某个能带中的某一能级上排布原则1º

服从泡利不相容原理2º

服从能量最小原理孤立原子的一个能级Enl最多能容纳电子数为?能级Enl分裂成由

N个能级组成的能带后，这个能带最多能容纳个电子2(2l+1)个例如：1s、2s能级最多容纳个电子22p、3p能级最多容纳个电子62(2l+1)N2p、3p

能带，最多容纳6N个电子1s、2s

能带，最多容纳2N

个电子

电子排布时,从最低的能级排起。9

各能带具有的电子数目的多少构成不同的能带

1º满带（排满电子）

2º价带（亦称导带）

3º空带（亦称导带）

4º禁带各能级完全被电子占据的能带能带中未排电子不能排电子各种物质的导电性,

由各自的能带结构不同而不同禁带能带中只有一部分能级排满电子103.导体开和绝缘谊体它们的导菜电性脱能不同俱是因为它们诊的能价带结斧构不唉同按导摸电性能的高低可以跨分为EEgEgEgEE价带价带空带禁带空带带价空带EE带满空带带满空带禁带禁带导体半导体绝缘体11从能北级图词上来育看：E(1蕉)导体EgE价带空带禁带E满带空带E带满空

带其共有葬化电拍子很容易洒从低能松级跃竿迁到狗高能再级上愤去。12从能级糖图上松来看瓦，是肃因为术满带首与空带之间恼有一乱个较宽吗的禁带Eg≈3～6eV。共有趟化电穿子很健难从泳低能茫级（兰满带必）跃迁到高低能级引（空蚕带）径上去闯。在外电场托的作勒用下,共有帆化电夜子很济难接受埋外电惊场的帆能量腿，所舒以不悠形成誓电流支。能带买结构岗中满片带与所空带替之间体也是递禁带稀，但是禁带受很窄Eg≈0.孟1～2eV。(2圈)绝缘愈体(3帆)半导樱体EgE带满空带禁带EgE带满空带禁带当外台电场伏非常略强时,它们异的共帜有化此电子糊还是能越这过禁带恨跃迁命到上值面的肢空带杠中。导体134.半导挂体(1南)本征郑半导疫体（se脱mi冤co故nd插uc揪to汽r）半导够体禁带返宽度悉窄、湾在外场数的作用档下,导带项中的电子、满锁带中法的空穴同时多参与拼导电信。——本征急导电罩性外麦场满带空带纯净品的半犬导体,如硅裹、锗笨等电子、空穴——本征匪载流族子14(2剩)杂质半导蹲体四价的骑元素(S粱i、Ge未)中掺秩入少量围五价笔元素(P、As丙)**P型半句导体四价验的元份素(S攀i、Ge杆)中掺工入行少量金三价族元素(B、Ga价)外陶场满带空带满带空带施主兵能级受主悄能级*N型半导聪体量子嚼力学计算爷表明元，这弊种掺凑杂后主多余哑的电俊子(或空菊穴)的能乖级，采在禁爷带并养紧靠菜空带(或满速带)处，创能级间隔:ED～10-2eV极易形体成电矩子（枯或空北穴）导电芬。本征塘半导粉体掺入锹少量与的其爽它原子——杂质嘉半导优体。——以电徐子导困电为急主——以空强穴导逗电为体主15(3育)盗P威-N结结果袭：交敌界处出现盐正、胃负电偶骑层，竖阻挡闭继续础扩散亏达到银平衡叔。形效成P-以N结，抱约0.增1m厚。形成摇：P型与N型半导滴体密铸切接末触P型中吓的空照穴将向N型扩散N型中的暮电子爹将向P型扩惕散N型

P型EP-N结E阻16P-迈N结处存跌在电篇势差U0也阻止N区带负劣电的迁电子昂进一步饿向P区扩散肤。它阻止P区带正垫电的聋空穴捆进一步向N区扩散亏；U0电势曲线E阻电子能级电子电势能曲线P-就N结17电子策的能国带出隔现弯装曲现冒象:P型N型空带空带施主能级受主能级

满带满带满带P-N结18正向眼连接景时用途何：P-症N结的单俱向导钻电性阻挡汁层势做垒被到削弱以变窄，P中的空穴裤，N中的电子碌都易于氧通过P-捎N结,形成PN的正向厌宏观形电流留。反向览连接尾时阻挡闹层势行垒增尘大变宽，P中的华空穴和N中的电子都难危以通测过P-报N结，没有正向石电流。P

NIPNI击穿电压是制佣造二坝极管赵整流易器和偷集成定电路宴的好挪材料191.激光极好眼方向谨性：极大骡脉冲钩瞬时疗功率铺：可丙达～1014W极好联相干截性：能量荣集中脖性：极好园单色颠性：相干椒长度汪可达黄几十达公里氦氖同激光井器λ10–7Å发散息角沉～10-4弧度几个衫微米纱的范秒围内秃产生别几百找万度才的高勤温(1舍)特性第2节吊激监光激光念又名巷镭射(L劈燕as稻er置),它的赞全名是：Lig犹htAmp煌li启fi发ca倒ti酿on狭b恒ySti并mu假la纷te双dEmi杠ss咬io迎n枝ofRad好ia界ti撒on20(2高)种类固体东（如杏红宝忽石Al2O3）液体汤（如演某些鲁染料装）气体度（如He捆-N曾e，CO2）半导性体（怎如砷汽化镓Ga聚As）按工难作物亿质分愧类按工钻作方脉式分竹类连续贱式（洗功率版可达104W）脉冲咬式（妇瞬时奏功率侨可达1014W）(3淘)波长（10才0违nm）肺（1.译22暂2察mm）极紫刘外─残─可往见光池──么亚毫县米212.激光层的产胞生a)自发乌辐射各原控子所家发光樱子的费位相希、方福向、烟偏振立态各桥不相同米，非宰相干圈光源馋。(1况)自发丛辐射策与受偷激辐日射处于高能宗级E1的原子软自发语地向两低能泼级E2跃迁卡，并发射前出一帜个频介率等倍于ν＝(E1-E2)/异h的光子银的过程睁。根据翠爱因堂斯坦片辐射望理论饰，设固初态E1上的锻原子团数密语度为N1，E2上的揉原子硬数密种度为N2，则纽奉自发另过程香的概辨率只唤与N2有关祝，单朴位时惧间内蜘自发晚辐射构的光归子密圆度为拣：22b)受激卷辐射受激灯辐射比光与引外来厌光的驻频率杨、偏厦振方添向、相嫁位及传眨播方裙向均相同舞。处于高能肯级E2上的陡原子质在频乐率为ν=(E2-E1)/h的光谜子诱掌发下，向低能苦级E1跃迁雄并辐围射出与唐诱发光子鲜的状态趴完全相同鹅的光子悔。1→裕2→打4→忽8-技--卧-有光的滔放大道作用根据涝爱因途斯坦镇辐射用理论逐，单跑位时眉间内受激辐射吊的原钻子密么度为您：23c)受激贷吸收处于低能贱级E1上的男一个威原子历在频乱率等姥于ν＝(E2-E1)/h的辐射否场作孔用下，吸收一个胳光子扫后向表高能结级E2跃迁生。根据揭爱因街斯坦然辐射唱理论役，单位挠时间协内由学于吸杰收的脆光子屡产生舒跃迁劣的原劳子密用度为齿：如果衬以ρ(ν)表示斩入射豪光的新能量配密度虎，则笑单位证时间沾内由湿于吸恋收的保光子占产生祸跃迁掌的原垃子密占度为袍：24a21、b12、b21--蚂--爱因咳斯坦香系数W12--损--单位遮时间境内原报子从E1跃迁钟到E2的概绩率W21--瞧--单位棕时间索内原磨子从E2跃迁匀到E1受激语辐射抗的概小率单位军时间衬、单鹿位体月积内祸通过份吸收葡从基杰态跃德迁到瓣激发凝态的寇原子探数等楼于从册激发钓态通酱过自贷发辐六射和答受激今辐射迎回到恶基态妹的原液子数扭：25通过趁统计杀理论雁可以洞求得凤三个伪爱因杨斯坦住系数葵之间啦的关嫌系为b21=b12由于令自发盛辐射纯，处核于E2的原竿子将殊不断蜘跃迁访到基浆态，奋使得N2不断偶减小缠。dt时间固内N2减小吼量为万：dN2=-属dN21=-a21N2dt则N20--婶--t=0时激脱发态E2上的赌原子物数26当时，--蜘--原子倾在E2能级叼的平每均寿谋命如果泡原子舍处在染激发室态En，En下面堤存在妈多个勒较低觉能级Em，从En到各杏处低絮能态误都存屑在跃姨迁概黑率，原子争在E2能级体的平邪均寿株命：27注意(1)发三个系数a21、b12、b21均是粒复子能淘级结翼构的谷特征桂量,多和外场ρ无关。2)偶三种几钢率:a21和外场无关盗;李而W12、W21与入射伯光的能量藏密度ρ(ν)有关。28受激浑辐射自发佳辐射受激展吸收发光之物质存的受音激辐怪射与族受激够吸收糟哪个昼占优皂势？由处痛在高校能态基或低钱能态寒的原耗子数秃决定渠：N1—低能欠态的圾原子岁数N2—高能档态的秩原子骗数若N1>N2光被湾吸收若N2>N1光被伙放大处在晨能量茶为E的粒敬子数从热艇力学挽定律固知：若则N2<N1N2N129例：氢原塌子基藏态E1=–13井.6海eV，第荐一激发泊态E2=–3.梅4e贷V，E2>E1解：专在常温T=午30秆0K时可见,处在犹热平铸衡状邪态时楚原子驴几乎诞都处皮在基钢态要使彩受激邻辐射衬占主册导地嚷位必射须使妖：N2>N1即让粒子若数反愿转——系统伞处在箱非平圈衡状誉态303.粒子换数反踪蝶转——产生顶激光唉的必做要条莲件激励孕过程“泵浦”方法塌：光激弹发粒子南碰撞化学滔激发核能抵激发为保拣证实辞现粒填子数哲反转破必须把：(1炉)有激励炎能源(2吴)合适的工数作物触质——合适蝴的能留量输瞒入系占统——有合腐适的嫂能级贞结构吸（亚翼稳态摸）一般蜂激发为态寿傍命：亚稳妹态寿款命：具有随亚稳装能级迫的物帝质——激活丘物质工作惧物质非平摇衡态外界输入能量31亚稳态亚稳态(1属)氦氖扛激光专器工作妇物质般：混晴合的带氦氖叮气体63臭28Å被激抖发的He原子--文--激励能源“光逆泵”最终弃被激标发的Ne原子--丝式--激活物质粒子锻数反乱转电子框碰撞碰撞掠转移k阴极氦、除氖气港体阳极32He破-N家e激光宾的工付作原夸理：(1朽)由于电子自的碰纳撞,盾He被激罩发到2s的概川率比Ne原子被激垄发的机概率语大；(2批)骨H袖e的1s撑2s能级亭是亚疗稳态水，“翠很难螺”回凯到基炎态；在He的激仗发态娇上集证聚了应较多隔的原岂子(3产)由于Ne的5s与He的2s的能竿量几桃乎相楼等,在碰撞倒中He原子器很容眯易把什能量悟传递劳给Ne原子戚回到基态,而Ne原子帆则被愿激发到2p55s；(4健)辰3约p能级梨的寿佣命比5s能级翻要短瓜得多朱，这形样就狱可以端形成粒子缩