第16章-半导体与激光简介.pptx

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 4 2 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 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 23eV N 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 一般规律 1 越是外层电子能带越宽 E越大 2 点阵间距越小能带越宽 E越大 4 两个能带有可能重叠 7 3 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 1 服从泡利不相容原理 2 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 2 2p 3p能级最多容纳个电子 6 2 2l 1 N 2p 3p能带 最多容纳6N个电子 1s 2s能带 最多容纳2N个电子 9 各能带具有的电子数目的多少构成不同的能带 1 满带 排满电子 2 价带 亦称导带 3 空带 亦称导带 4 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 10 3 导体和绝缘体 它们的导电性能不同是因为它们的能带结构不同 按导电性能的高低可以分为 E 11 从能级图上来看 1 导体 其共有化电子很容易从低能级跃迁到高能级上去 12 从能级图上来看 是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带 Eg 3 6eV 共有化电子很难从低能级 满带 跃迁到高能级 空带 上去 在外电场的作用下 共有化电子很难接受外电场的能量 所以不形成电流 能带结构中满带与空带之间也是禁带 但是禁带很窄 Eg 0 1 2eV 2 绝缘体 3 半导体 当外电场非常强时 它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中 导体 13 4 半导体 1 本征半导体 semiconductor 半导体禁带宽度窄 在外场的作用下 导带中的电子 满带中的空穴同时参与导电 本征导电性 外场 满带 空带 纯净的半导体 如硅 锗等 电子 空穴 本征载流子 14 2 杂质半导体 四价的元素 Si Ge 中掺入少量五价元素 P As P型半导体 四价的元素 Si Ge 中掺入少量三价元素 B Ga 外场 满带 空带 满带 空带 施主能级 受主能级 N型半导体 量子力学计算表明 这种掺杂后多余的电子 或空穴 的能级 在禁带并紧靠空带 或满带 处 能级间隔 ED 10 2eV极易形成电子 或空穴 导电 本征半导体掺入少量的其它原子 杂质半导体 以电子导电为主 以空穴导电为主 15 3 P N结 结果 交界处出现正 负电偶层 阻挡继续扩散达到平衡 形成P N结 约0 1 m厚 形成 P型与N型半导体密切接触 P型中的空穴将向N型扩散N型中的电子将向P型扩散 E E阻 16 P N结处存在电势差U0 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 P N结 17 电子的能带出现弯曲现象 18 正向连接时 用途 P N结的单向导电性 阻挡层势垒被削弱变窄 P中的空穴 N中的电子都易于通过P N结 形成P N的正向宏观电流 反向连接时 阻挡层势垒增大变宽 P中的空穴和N中的电子都难以通过P N结 没有正向电流 击穿电压 是制造二极管整流器和集成电路的好材料 19 1 激光 极好方向性 极大脉冲瞬时功率 可达 1014W 极好相干性 能量集中性 极好单色性 相干长度可达几十公里 氦氖激光器 10 7 发散角 10 4弧度 几个微米的范围内产生几百万度的高温 1 特性 第2节激光 激光又名镭射 Laser 它的全名是 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 20 2 种类 固体 如红宝石Al2O3 液体 如某些染料 气体 如He Ne CO2 半导体 如砷化镓GaAs 按工作物质分类 按工作方式分类 连续式 功率可达104W 脉冲式 瞬时功率可达1014W 3 波长 100nm 1 222mm 极紫外 可见光 亚毫米 21 2 激光的产生 a 自发辐射 各原子所发光子的位相 方向 偏振态各不相同 非相干光源 1 自发辐射与受激辐射 处于高能级E1的原子自发地向低能级E2跃迁 并发射出一个频率等于 E1 E2 h的光子的过程 根据爱因斯坦辐射理论 设初态E1上的原子数密度为N1 E2上的原子数密度为N2 则自发过程的概率只与N2有关 单位时间内自发辐射的光子密度为 22 b 受激辐射 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 处于高能级E2上的原子在频率为 E2 E1 h的光子诱发下 向低能级E1跃迁并辐射出与诱发光子的状态完全相同的光子 1 2 4 8 有光的放大作用 根据爱因斯坦辐射理论 单位时间内受激辐射的原子密度为 23 c 受激吸收 处于低能级E1上的一个原子在频率等于 E2 E1 h的辐射场作用下 吸收一个光子后向高能级E2跃迁 根据爱因斯坦辐射理论 单位时间内由于吸收的光子产生跃迁的原子密度为 如果以 表示入射光的能量密度 则单位时间内由于吸收的光子产生跃迁的原子密度为 24 a21 b12 b21 爱因斯坦系数 W12 单位时间内原子从E1跃迁到E2的概率 W21 单位时间内原子从E2跃迁到E1受激辐射的概率 单位时间 单位体积内通过吸收从基态跃迁到激发态的原子数等于从激发态通过自发辐射和受激辐射回到基态的原子数 25 通过统计理论可以求得三个爱因斯坦系数之间的关系为 b21 b12 由于自发辐射 处于E2的原子将不断跃迁到基态 使得N2不断减小 dt时间内N2减小量为 dN2 dN21 a21N2dt则 N20 t 0时激发态E2上的原子数 26 当 时 原子在E2能级的平均寿命 如果原子处在激发态En En下面存在多个较低能级Em 从En到各处低能态都存在跃迁概率 原子在E2能级的平均寿命 27 1 三个系数a21 b12 b21均是粒子能级结构的特征量 和外场 无关 2 三种几率 a21和外场无关 而W12 W21与入射光的能量密度 有关 28 受激辐射 自发辐射 受激吸收 发光物质的受激辐射与受激吸收哪个占优势 由处在高能态或低能态的原子数决定 N1 低能态的原子数 N2 高能态的原子数 若N1 N2 光被吸收 若N2 N1 光被放大 处在能量为E的粒子数 从热力学定律知 若 则 N2 N1 29 例 氢原子基态E1 13 6eV 第一激发态E2 3 4eV E2 E1 解 在常温T 300K时 可见 处在热平衡状态时原子几乎都处在基态 要使受激辐射占主导地位必须使 N2 N1 即让粒子数反转 系统处在非平衡状态 30 3 粒子数反转 产生激光的必要条件 激励过程 泵浦 方法 光激发 粒子碰撞 化学激发 核能激发 为保证实现粒子数反转必须 1 有激励能源 2 合适的工作物质 合适的能量输入系统 有合适的能级结构 亚稳态 一般激发态寿命 亚稳态寿命 具有亚稳能级的物质 激活物质 工作物质 非平衡态 外界输入能量 31 1 氦氖激光器 工作物质 混合的氦氖气体 6328 被激发的He原子 激励能源 光泵 最终被激发的Ne原子 激活物质 粒子数反转 电子碰撞 碰撞转移 k阴极 氦 氖气体 阳极 32 He Ne激光的工作原理 1 由于电子的碰撞 He被激发到2s的概率比Ne原子被激发的概率大 2 He的1s2s能级是亚稳态 很难 回到基态 在He的激发态上集聚了较多的原子 3 由于Ne的5s与He的2s的能量几乎相等 在碰撞中He原子很容易把能量传递给Ne原子回到基态 而Ne原子则被激发到2p55s 4 3p能级的寿命比5s能级要短得多 这样就可以形成粒子数的反转 33 2 光学谐振腔 管内受激发射的光子 沿管轴来回反射 增强 凡传播方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰 反射镜镀有多层膜 适当选择其厚度 使所需波长得到 相长干涉 后 反射加强 精心设计管长 使所需频率的波形成驻波 两端为波节 形成稳定的振荡得到加强 两端装有布儒斯特窗 得到所需的偏振态 34 光学谐振腔两端的