第21章量子物理的应用.pdf

21 2 激光激光 一 光与原子相互作用一 光与原子相互作用 E2 E1 h 1 受激吸收 光与原子的相互作用可能引起 1 受激吸收 光与原子的相互作用可能引起受激吸收 自发辐射和受激辐射 受激吸收 自发辐射和受激辐射三种跃迁过程 处于低能态 三种跃迁过程 处于低能态E1的原子受到频率为的原子受到频率为 光照射时 若满足 光照射时 若满足h E2 E1 原子就可能原子就可能吸收光子吸收光子向高 能级跃迁 向高 能级跃迁 吸收前吸收前吸收后吸收后 原子与光的相互作用 2 自发辐射 自发辐射 h EE 12 各原子自发辐射的光是随机 的 独立的 各原子自发辐射的光是随机 的 独立的 非相干光 非相干光 E2 E1 h 在无外界作用下 处于在无外界作用下 处于激发态激发态的原子会的原子会自发地自发地向低能级 跃迁 并 向低能级 跃迁 并发射一个光子发射一个光子 光子的能量为 光子的能量为h 由于发光物质中各原子自发地独立的进行辐 射 因而各个光子的相位 偏振态和传播方向 间无确定关系 由于发光物质中各原子自发地独立的进行辐 射 因而各个光子的相位 偏振态和传播方向 间无确定关系 发光前发光前 发光后发光后 3 受激辐射 选择规则 量子力学证明 原子中的电子从高能态向低 能态跃迁时 只发生在 3 受激辐射 选择规则 量子力学证明 原子中的电子从高能态向低 能态跃迁时 只发生在 l 量子数相差 量子数相差 1的两个量子态之 间 所以并不是任意两个能级间都可产生辐射跃迁 的两个量子态之 间 所以并不是任意两个能级间都可产生辐射跃迁 原子中存在这样一些能级 当电子被激发到这种 能级上时 由于不满足跃迁规则 电子在该能级 上的寿命相对较长不易跃迁到低能级 这种能级 称 原子中存在这样一些能级 当电子被激发到这种 能级上时 由于不满足跃迁规则 电子在该能级 上的寿命相对较长不易跃迁到低能级 这种能级 称亚稳态能级亚稳态能级 受激辐射 与外来刺激有关 受激辐射 与外来刺激有关 处于亚稳态的原子在外来 光子的诱发下 可迅速跃迁到低能级 同时发射一个与外 来光子频率 相位 偏振态和传播方向都相同的光子 处于亚稳态的原子在外来 光子的诱发下 可迅速跃迁到低能级 同时发射一个与外 来光子频率 相位 偏振态和传播方向都相同的光子 受激辐射过程受激辐射过程 原子处于高能 级 亚稳态 原子处于高能 级 亚稳态 E2 2 h 原子跃迁到 低能级 原子跃迁到 低能级E1 发出光子 发出光子 全同光子 诱发 全同光子 诱发 受激辐射的光子与外来光的频 率 偏振方向 相位及传播方 向均相同 受激辐射的光子与外来光的频 率 偏振方向 相位及传播方 向均相同 全同光子 同时 全同光子 同时 E2 E1 高能级 亚稳态 的电子高能级 亚稳态 的电子 E2 E1 h E2 E1 诱发光子诱发光子 受激辐射光子受激辐射光子 诱发光子诱发光子 h h E2 E1 全同 光子 全同 光子 h h 光放大光放大 在连续诱发的受激辐射中 各原子发出的光是相 互有联系的 它们的 在连续诱发的受激辐射中 各原子发出的光是相 互有联系的 它们的频率 相位 偏振方向和传 播方向都相同 因此受激辐射的光是相干光 频率 相位 偏振方向和传 播方向都相同 因此受激辐射的光是相干光 一个入射光子的作用结果会得到两个状态全同的光子 如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 继续下 去可 一个入射光子的作用结果会得到两个状态全同的光子 如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 继续下 去可得到大量特征相同的光子 从而实现了光放大 得到大量特征相同的光子 从而实现了光放大 二 激光原理及产生的基本条件二 激光原理及产生的基本条件 激光是通过受激辐射来实现放大的光 激光是通过受激辐射来实现放大的光 产生激光的基本条件产生激光的基本条件 要产生激光必须使处于高能态 的原子数大于低能态的原子数 要产生激光必须使处于高能态 的原子数大于低能态的原子数 N2 N1 1 粒子数反转因受激辐射与吸收同时存在 吸收过程使光子减少 辐射过程使光子增加 1 粒子数反转因受激辐射与吸收同时存在 吸收过程使光子减少 辐射过程使光子增加 光通过物质时光子 数目增加还是减少 光通过物质时光子 数目增加还是减少 取决于哪个 过程占优势 取决于哪个 过程占优势 取决于处于高 低能态的原子数 取决于处于高 低能态的原子数 可以引起受激吸收可以引起受激吸收 诱发光子诱发光子 可以引起受激辐射可以引起受激辐射 因此因此N2 N1属非平衡态原子布局 属非平衡态原子布局 这种处 于高能态的原子数大于低能态的原子数的状 况称亦称粒子数反转 这种处 于高能态的原子数大于低能态的原子数的状 况称亦称粒子数反转 正常热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 基态 正常热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 基态 能实现粒子数反转的物质能实现粒子数反转的物质 激活物质 工作介质 激活物质 工作介质 激活物质必须存在亚稳态能级激活物质必须存在亚稳态能级 以三能级工 作物质为例 以三能级工 作物质为例 激发态激发态 通过碰撞无辐射跃迁通过碰撞无辐射跃迁 亚稳态亚稳态 基态 激励源 基态 激励源 E1 E2 E3 抽运抽运 光放大光放大 激励能源2 使原子被激发激励能源2 使原子被激发 h E2 E1 激励源将能量输入使处于低态 原子吸收能量跃迁到高能态 激励源将能量输入使处于低态 原子吸收能量跃迁到高能态 3 光学谐振腔 初始受激辐射强度较弱 如何使某一方向和频率 的光子得到放大而其他 方向和频率的光子抑制 3 光学谐振腔 初始受激辐射强度较弱 如何使某一方向和频率 的光子得到放大而其他 方向和频率的光子抑制 光学谐振腔光学谐振腔 在工作物质两端置 一对互相平行的反 射镜 在工作物质两端置 一对互相平行的反 射镜 产生连锁 式光放大 产生连锁 式光放大 全反射镜部分反射镜全反射镜部分反射镜 光学谐振腔的主要作用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 2 使激光有极好的方向性 3 使激光的单色性好 1 产生与维持光的振荡 使光得到加强 2 使激光有极好的方向性 3 使激光的单色性好 全反射镜部分反射镜全反射镜部分反射镜 三 激光器的结构 激光器 工作物质 三 激光器的结构 激光器 工作物质 气体 液体 固体等 存在 亚稳态能级 气体 液体 固体等 存在 亚稳态能级 激励源激励源 激励原子体系使处于上能级的粒 子数增加 电激励 光激励等 激励原子体系使处于上能级的粒 子数增加 电激励 光激励等 谐振腔谐振腔 可使某方向和频率的光子享 有最优越的条件进行放大 可使某方向和频率的光子享 有最优越的条件进行放大 部分反射镜部分反射镜 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 L E1 E2 E3 h 2 1 三能级系统三能级系统 h 3 2 E1 E3 E4 E2 四能级系统四能级系统 h EE 23 h EE 12 亚稳态 亚稳态 亚稳态 亚稳态 四 激光的特点 四 激光的特点 1 方向性极好 1 方向性极好 激光束发散角很小激光束发散角很小10 4 弧度弧度 3 单色性好 2 亮度极高 3 单色性好 2 亮度极高 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 相干性极好4 相干性极好 空间相干性好 有的激光波面上各个 点都是相干光源 由此产生的干涉条 纹清晰 全息照相技术主要利用了这 一特性 普通光源得到的单色光的谱线宽度 为 空间相干性好 有的激光波面上各个 点都是相干光源 由此产生的干涉条 纹清晰 全息照相技术主要利用了这 一特性 普通光源得到的单色光的谱线宽度 为10 2 10 3nm 激光的谱线宽度 仅有 激光的谱线宽度 仅有10 9nm 五 激光器的种类 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 五 激光器的种类 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 造价低 操作方便 目前品种 最多应用最广泛 造价低 操作方便 目前品种 最多应用最广泛 问题一 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 在无任何外界作用下激发 态原子会自动地辐射光子返回基态 这是自发辐射过程 自发辐射过程是一个随机过程 各原子的辐射都是自发地 独立进行的 因而各原子辐射出来的光子的相位频率偏振 态及传播方向之间没有确定关系 对大量原子来说 其所 处的激发态也不相同 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 普通光源发光属自发辐射 受激辐射过程是处于激发态的原子受到外来能量满足 问题一 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 在无任何外界作用下激发 态原子会自动地辐射光子返回基态 这是自发辐射过程 自发辐射过程是一个随机过程 各原子的辐射都是自发地 独立进行的 因而各原子辐射出来的光子的相位频率偏振 态及传播方向之间没有确定关系 对大量原子来说 其所 处的激发态也不相同 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 普通光源发光属自发辐射 受激辐射过程是处于激发态的原子受到外来能量满足 h E2 E1的光子的刺激作用 从高能级跃迁到低能级 同时辐射一个光子 辐射出的光子与外来光子的频率相 位偏振方向传播方向均相同 受激辐射可实现光放大 且受激辐射的光是相干光 的光子的刺激作用 从高能级跃迁到低能级 同时辐射一个光子 辐射出的光子与外来光子的频率相 位偏振方向传播方向均相同 受激辐射可实现光放大 且受激辐射的光是相干光 问题二 激光谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用 问题二 激光谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用 主要作用有三 第一 进一步得到光放大 第 二 使激光的方向性好 第三 使激光单色性好 主要作用有三 第一 进一步得到光放大 第 二 使激光的方向性好 第三 使激光单色性好 因为在谐振腔内 受激辐射发出的光 沿轴线方向传播经 过谐振腔反射在腔内形成光振荡 每次往复都使处于反转 状态的高能级粒子受激辐射出更多的全同光子 即进一步 得到光放大 而不沿轴线传播的光 经有限次反射将逸出 腔外 从而只有沿轴向传播的光输出 即方向性好 又因 在受激辐射的基础上在腔内形成稳定振荡时 波长须满足 一定条件 不满足条件的将很快被衰减掉 从而输出的光 具有良好的单色性 因为在谐振腔内 受激辐射发出的光 沿轴线方向传播经 过谐振腔反射在腔内形成光振荡 每次往复都使处于反转 状态的高能级粒子受激辐射出更多的全同光子 即进一步 得到光放大 而不沿轴线传播的光 经有限次反射将逸出 腔外 从而只有沿轴向传播的光输出 即方向性好 又因 在受激辐射的基础上在腔内形成稳定振荡时 波长须满足 一定条件 不满足条件的将很快被衰减掉 从而输出的光 具有良好的单色性 问题三 普通光源的发光机制是 占优势 激光器发出的光是 占优势 要实现该条 件 须使激光器的工作物质处于 超过处于 这种粒子分布状态称为 问题三 普通光源的发光机制是 占优势 激光器发出的光是 占优势 要实现该条 件 须使激光器的工作物质处于 超过处于 这种粒子分布状态称为 自发辐射 受激辐射 高能级中的粒子数 低能级的粒子数 粒子数反转 自发辐射 受激辐射 高能级中的粒子数 低能级的粒子数 粒子数反转 问题四 激光全息照相技术主要利用激光的哪一 种优良特性 问题四 激光全息照相技术主要利用激光的哪一 种优良特性 A 亮度高 亮度高 B 方向性好 方向性好 C 相干性好相干性好D 抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 C 问题五 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 这些特性指 问题五 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 这些特性指 相位 频率 偏振态 传播方向相位 频率 偏振态 传播方向 E1 E2 E3 h 2 1 三能级系统三能级系统 E1 E3 E4 E2 四能级系统四能级系统 h EE 23 h EE 12 三能级和四能级系统 哪个更容易产生激光 三能级和四能级系统 哪个更容易产生激光 四能级系统四能级系统 在四能级系统中可能产生 的激光的频率是多少 可 能产生的光谱 在四能级系统中可能产生 的激光的频率是多少 可 能产生的光谱 所有辐射所 致 有几个 所有辐射所 致 有几个 21 3 半导体 固体 晶体 非晶体 21 3 半导体 固体 晶体 非晶体 晶体晶体 按其导电性分按其导电性分 导体 半导体 绝缘体 导体 半导体 绝缘体 晶体具有规则的高度对 称几何结构 晶体内分子原子或离 子呈现有规则的在空间 周期性的排列 晶体具有规则的高度对 称几何结构 晶体内分子原子或离 子呈现有规则的在空间 周期性的排列 晶体中具有大量分子 原子彼此靠 得很近且有规则排列成点阵结构 晶体中具有大量分子 原子彼此靠 得很近且有规则排列成点阵结构 轨道轨道 不同程度重 叠 外层重叠多 一 晶体的能带结构 不同程度重 叠 外层重叠多 一 晶体的能带结构 电子共有化运动 大量原子周期性重复排列形成晶 体 在空间形成周期性势场 电子共有化运动 大量原子周期性重复排列形成晶 体 在空间形成周期性势场 各原子外层轨道不同程 度相互交叠 外层电子不再属于个别原子 各原子外层轨道不同程 度相互交叠 外层电子不再属于个别原子 而是一方 面绕个别原子运动 同时在晶体中所有原子之间转 移 因而电子将在整个晶体中运动 而是一方 面绕个别原子运动 同时在晶体中所有原子之间转 移 因而电子将在整个晶体中运动 由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单 个原子所有的现象 称电子共有化 由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单 个原子所有的现象 称电子共有化 1 电子共有化1 电子共有化 2 能带 能带 当 2 能带 能带 当N个原子互相靠近形成晶体时 它们的 外层电子被 个原子互相靠近形成晶体时 它们的 外层电子被共有化 使原来处于相同能级上的电 子不再具有相同的能量 共有化 使原来处于相同能级上的电 子不再具有相同的能量 而处于 而处于N个靠得很近的 新能级上 即 个靠得很近的 新能级上 即原来一个能级分裂成原来一个能级分裂成N个很接近的 新能级 个很接近的 新能级 新能级具有一定的能量范围 称能带 新能级具有一定的能量范围 称能带 1S E r0 r E 氢分子的氢分子的1S态电 子具有两个能级 态电 子具有两个能级 能带的特点 能带宽度 能带的特点 能带宽度 E大小由晶体性质决定 与晶体所包含的原子数 大小由晶体性质决定 与晶体所包含的原子数N无关 无关 N 能带中能级的密集程度增加 能带中能级的密集程度增加 离子间距离子间距 r E 0a 能带示意图能带示意图 2p 2s 1s 1S E r0 r E 氢原子的能级分裂氢原子的能级分裂 氢分子的1S态电 子具有两个能级 氢分子的1S态电 子具有两个能级 高能级能带宽度大 离子间距 高能级能带宽度大 离子间距a越小能带宽度越大越小能带宽度越大 3 能带中电子的排布3 能带中电子的排布 原则原则 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 对应能级 对应能级 Enl 的的能带能带最多能 容纳 最多能 容纳 N2 2 l 1 个电子 例 个电子 例 1s 2s 能带 最多容纳 能带 最多容纳 2N 个电子 个电子 2p 3p 能带最多容纳 能带最多容纳 6N 个电子 个电子 由由N个原子组成的晶体 每个能带由个原子组成的晶体 每个能带由N个 能级组成 能带上所容纳的电子数是单个 能级上的 个 能级组成 能带上所容纳的电子数是单个 能级上的N倍 倍 能带分类能带分类 满带 所有能级均被电子占满的能带满带 所有能级均被电子占满的能带 由于所有能级都被电子填满 当加上外电 场时 满带中的任一电子由原来占有的能 级向这一能带中任一能级转移时 受泡利 不相容原理限制 必有电子沿相反方向转 移 与之抵消 不产生电流 由于所有能级都被电子填满 当加上外电 场时 满带中的任一电子由原来占有的能 级向这一能带中任一能级转移时 受泡利 不相容原理限制 必有电子沿相反方向转 移 与之抵消 不产生电流 满带中的电子不起导电作用满带中的电子不起导电作用 导带 能级没有全部被电子占满的能带导带 能级没有全部被电子占满的能带 由于能级没有全部被电子填满 在外电场作 用下 电子可以进入能带中未被填充的高能 级 没有反向电子的转移与之抵消 从而形 成电流 由于能级没有全部被电子填满 在外电场作 用下 电子可以进入能带中未被填充的高能 级 没有反向电子的转移与之抵消 从而形 成电流 导带中的电子对导电有贡献 这 些电子称自由电子 导带中的电子对导电有贡献 这 些电子称自由电子 空带 完全没有填充电子的能带空带 完全没有填充电子的能带 与各原子的激发态能级相对应的能带 在未被 激发的正常情况下是空带 如果由于某种原因 如热或光激发 价带中仍有些电子被激发而 进入空带 则当在外电场作用下 这些电子可 以在空带中向较高的能级跃迁 表现出一定的 导电性 与各原子的激发态能级相对应的能带 在未被 激发的正常情况下是空带 如果由于某种原因 如热或光激发 价带中仍有些电子被激发而 进入空带 则当在外电场作用下 这些电子可 以在空带中向较高的能级跃迁 表现出一定的 导电性 空带也是导带空带也是导带 禁带 禁带 在两个相邻能带之间 可以有一个不 存在电子稳定能态的能量区域 该区域称禁带 在两个相邻能带之间 可以有一个不 存在电子稳定能态的能量区域 该区域称禁带 1s 2s 2p空带空带 满带满带 导带导带 禁带 禁带 禁带 禁带 禁带的宽度对晶体的导电性起着至关重要的作用禁带的宽度对晶体的导电性起着至关重要的作用 晶体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体 绝缘体 晶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它们的导电性能不同 是因为它们的能带结构不同 二 导体 绝缘体 半导体 1 导体能带结构 二 导体 绝缘体 半导体 1 导体能带结构 空带空带 满带满带 导带导带 禁带禁带 在外电场作用下 导带中的自由电子从外电在外电场作用下 导带中的自由电子从外电 场吸收能量跃迁到同一导带中的高能级上 场吸收能量跃迁到同一导带中的高能级上 形成电流形成电流 价带未填价带未填 满是导带满是导带 导带空带重叠导带空带重叠 形成更宽导带形成更宽导带 满带空带重满带空带重 叠形成导带叠形成导带 2 绝缘体能带结构2 绝缘体能带结构 Eg 3 6eV 空带空带 满带满带 导带导带 禁带禁带 只有满带和空带 没有导带 只有满带和空带 没有导带 且满且满 带和空带间的禁带较宽约为带和空带间的禁带较宽约为3 6eV 足够大的能压可使绝缘体击穿足够大的能压可使绝缘体击穿 导体 导体 由于绝缘体的禁带较宽 常温下满带中的由于绝缘体的禁带较宽 常温下满带中的 电子很难获得足够能量跃入空带 即使有电子很难获得足够能量跃入空带 即使有 也极少 因此绝缘体中基本无自由电子也极少 因此绝缘体中基本无自由电子 绝对零度时只有满带和空带 但绝对零度时只有满带和空带 但禁带较窄禁带较窄 常温下满带中能量较高的电子可跃迁到空带 上使之成为导带 而满带中留下的空穴也具 有导电性 常温下满带中能量较高的电子可跃迁到空带 上使之成为导带 而满带中留下的空穴也具 有导电性 半导体具有导电性半导体具有导电性 3 半导体的能带结构3 半导体的能带结构 空带空带 满带满带 导带导带 禁带禁带 Eg 0 1 1 5eV 半导体的导电机制半导体的导电机制 当半导体中一部分电子从满带跃迁到空 带后 将空带变为导带 同时满带中由 于失去电子而留下空穴 当半导体中一部分电子从满带跃迁到空 带后 将空带变为导带 同时满带中由 于失去电子而留下空穴 给半导体加电场后 在电场作用下 导带中的 电子将作定向运动 满带中的空穴将由逆电场 运动的电子填充 而在这些电子原来的位置上 留下新空穴 可见在电场作用下 电子填充空 穴的运动也是定向的 也形成电流 给半导体加电场后 在电场作用下 导带中的 电子将作定向运动 满带中的空穴将由逆电场 运动的电子填充 而在这些电子原来的位置上 留下新空穴 可见在电场作用下 电子填充空 穴的运动也是定向的 也形成电流 空穴导电是半导体导电的特性空穴导电是半导体导电的特性 满 带满 带 导 带导 带 空带空带 导 带导 带 空穴导电是半导体导电的特性空穴导电是半导体导电的特性 与金属导电相比较 金属中只 有自由电子导电 与金属导电相比较 金属中只 有自由电子导电 而半导体中 同时有满带中的空穴和导带中 的自由电子参与导电 而半导体中 同时有满带中的空穴和导带中 的自由电子参与导电 三 半导体的类型三 半导体的类型 a 本征半导体 不含杂质的纯净半导体本征半导体 不含杂质的纯净半导体 其导电性取决于满带中的电子向导带的跃迁 因此在 外电场作用下它兼有电子导电和空穴导电两种机构 且 其导电性取决于满带中的电子向导带的跃迁 因此在 外电场作用下它兼有电子导电和空穴导电两种机构 且电子和空穴的浓度相等电子和空穴的浓度相等 这类导电称 这类导电称本征导电本征导电 1 电子导电 1 电子导电 电子运动形成 电流 载流子是电子 电子运动形成 电流 载流子是电子 2 空穴导电 2 空穴导电 空穴运动形 成电流 载流子是空穴 空穴运动形 成电流 载流子是空穴 满 带满 带 导 带导 带 空带空带 导 带导 带 3 本征导电 3 本征导电 电子 空穴同时参与导电 且电子和空 穴的浓度相等 电子 空穴同时参与导电 且电子和空 穴的浓度相等 b 杂质半导体杂质半导体 要使半导体导电性能好 可在本征半导体中 掺入少量其它元素的原子 要使半导体导电性能好 可在本征半导体中 掺入少量其它元素的原子 空带空带 满带满带 EC EV 施主 能级施主 能级 n 型型 当该电子获得不大能量时就可进入导带成为自由电子 从而 当该电子获得不大能量时就可进入导带成为自由电子 从而 使半导体导带中自由电子浓度大于纯净半导体中的浓度使半导体导带中自由电子浓度大于纯净半导体中的浓度 大 大增强了半导体的导电性 大 大增强了半导体的导电性 n 型半导体 杂质原子 如五 价元素砷 和晶体原子 如四 价元素硅 结合形成共价键 后 多余一个价电子 该价电 子受束缚很弱 n 型半导体 杂质原子 如五 价元素砷 和晶体原子 如四 价元素硅 结合形成共价键 后 多余一个价电子 该价电 子受束缚很弱 其能级处于 禁带内靠近导带底部 其能级处于 禁带内靠近导带底部 这种可提供电子为载流子的杂质称施 主杂质 相应能级称施主能级 这种可提供电子为载流子的杂质称施 主杂质 相应能级称施主能级 载流子以电子为主的半导体称为n型半导体 载流子以电子为主的半导体称为n型半导体 空带空带 满带满带 EC EV 受主能级受主能级 p型型 满带中的电子不须添加太大能量就可容易的填补该空 穴 使满带中产生一个空穴 满带中的电子不须添加太大能量就可容易的填补该空 穴 使满带中产生一个空穴 从而使半导体满带中空穴 的浓度大于纯净半导体 从而使半导体满带中空穴 的浓度大于纯净半导体 使半导体导电性能大大提高 P型半导体 杂质原子 如三价元 素硼 和晶体原子 如四价元素 硅 结合形成共价键后尚缺少一 个电子而出现空穴 使半导体导电性能大大提高 P型半导体 杂质原子 如三价元 素硼 和晶体原子 如四价元素 硅 结合形成共价键后尚缺少一 个电子而出现空穴 该空穴的能 级处于禁带内靠近满带顶部 该空穴的能 级处于禁带内靠近满带顶部 这种能向满带提供空穴作为载流子的杂 质称受主杂质 相应能级称受主能级 这种能向满带提供空穴作为载流子的杂 质称受主杂质 相应能级称受主能级 载流子以空穴为主的半导体称P型半导体 载流子以空穴为主的半导体称P型半导体 掺杂半导体的导电性优于纯净半导体掺杂半导体的导电性优于纯净半导体 受主能级 施主能级 受主能级 施主能级 杂质半导体具有附加的能级杂质半导体具有附加的能级 能级间隔比本征 半导体要小 更容易实现跃迁 从而使导带 能级间隔比本征 半导体要小 更容易实现跃迁 从而使导带 满带 满带 中的电子中的电子 空穴 空穴 多于纯净半导体多于纯净半导体 p型型n 型型 所以掺杂半导体的导电性优于纯净半导体所以掺杂半导体的导电性优于纯净半导体 一片本征半导体 两边各掺适量 的高 低价杂质 一片本征半导体 两边各掺适量 的高 低价杂质 N 侧有许多自由 电子侧有许多自由 电子 P 侧有许多空穴 自由电子 空穴扩散 两侧净电荷积累 侧有许多空穴 自由电子 空穴扩散 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 p n结结 结电场结电场E0 形成势垒 形成势垒U0 阻止扩散 阻止扩散 U0 Pn 1 1 Pn 结形成结形成 四 四 p n 结结 P N节1 swf E0 P n结具有整流作用结具有整流作用 P n结做成发光二极管 当外加电压使 结做成发光二极管 当外加电压使P区电势高于区电势高于n区时 加正向电压 外电 压将使 区时 加正向电压 外电 压将使P区中空穴流向区中空穴流向n区 使区 使n区电子流向区电子流向P区 当外加 电压反向时 外电压的作用将使电子从 区 当外加 电压反向时 外电压的作用将使电子从P区向区向n区流动 使空穴从 区流动 使空穴从n区向区向P区流动 区流动 在通常情况下 在通常情况下 P区的电子很少 区的电子很少 n区的空穴也很 少 外加电压正向时 电流是由各区的多数载流子形成 而当外加电压反向时 电流是由各区的少数载流子形成 这样 反向电流就远比正向电流小 从而使P n结具有整 流作用 区的空穴也很 少 外加电压正向时 电流是由各区的多数载流子形成 而当外加电压反向时 电流是由各区的少数载流子形成 这样 反向电流就远比正向电流小 从而使P n结具有整 流作用 P n E0 1 从能带结构看 本证半导体的导电机制是 加入 杂质后 P型半导体能带结构的变化是 从而在满 带中形成了 1 从能带结构看 本证半导体的导电机制是 加入 杂质后 P型半导体能带结构的变化是 从而在满 带中形成了 本征激发到空穴中的电子和 原满带中的空穴 在满带上方临近处 本征激发到空穴中的电子和 原满带中的空穴 在满带上方临近处 禁带内禁带内 有杂质能级 受主能级 空穴 有杂质能级 受主能级 空穴 2 下述说法中正确的是 2 下述说法中正确的是 A 本证半导体是电子空穴共同参与导电 而杂质半导体 本证半导体是电子空穴共同参与导电 而杂质半导体 n型或型或P型 只有一种载流子 电子或空穴 参与导 电 所以本证半导体导电性能比杂质半导体好 型 只有一种载流子 电子或空穴 参与导 电 所以本证半导体导电性能比杂质半导体好 B n型半导体的导电性能优于型半导体的导电性能优于P型半导体 因为型半导体 因为n型半导 体是电子导电 型半导 体是电子导电 P型半导体是正离子导电 型半导体是正离子导电 C n型半导体中杂质原子形成的局部能级靠近空带 导带 的底部 使杂质能级中多余的电子容易被激发迁移到空 带中去 大大提高了半导体的导电性能 型半导体中杂质原子形成的局部能级靠近空带 导带 的底部 使杂质能级中多余的电子容易被激发迁移到空 带中去 大大提高了半导体的导电性能 D P型半导体的导电机构完全决定于满带中空穴的运动型半导体的导电机构完全决定于满带中空穴的运动 C 4 如图所示的4 如图所示的P n结 已达到动态平衡 试在图 中标出接触处电荷的正负并沿 结 已达到动态平衡 试在图 中标出接触处电荷的正负并沿P n结方向画出电势 变化示意曲线 结方向画出电势 变化示意曲线 Pn 电 势 电 势 3 与绝缘体比较 半导体的能带结构的特点是 3 与绝缘体比较 半导体的能带结构的特点是 A 满带与导带重合满带与导带重合 B 导带也是空带 导带也是空带 C 禁带宽度较窄 禁带宽度较窄 D 满带中总有空穴导带中总有电子满带中总有空穴导带中总有电子 C 5 P型半导体的导电载流子主要是型半导体的导电载流子主要是 画出画出P型半导体的能带结构简图 型半导体的能带结构简图 导带导带 满带满带 E 受主能级受主能级 空穴空穴 6 简单说明6 简单说明P n结为什么有整流特性 当外加电压使 结为什么有整流特性 当外加电压使P区电势高于区电势高于n区时 外电压将使区时 外电压将使P 区中空穴流向区中空穴流向n区 使区 使n区电子流向区电子流向P区 当外加电 压反向时 外电压的作用将使电子从 区 当外加电 压反向时 外电压的作用将使电子从P区向区向n区流 动 使空穴从 区流 动 使空穴从n区向区向P区流动 在通常情况下 区流动 在通常情况下 P区的电子很少 区的电子很少 n区的空穴 也很少 外加电压正向时 电流是由各区的多数 载流子形成 而当外加电压反向时 电流是由各 区的少数载流子形成 这样 反向电流就远比正 向电流小 从而使P n结具有整流作用 区的空穴 也很少 外加电压正向时 电流是由各区的多数 载流子形成 而当外加电压反向时 电流是由各 区的少数载流子形成 这样 反向电流就远比正 向电流小 从而使P n结具有整流作用 知识点归纳知识点归纳 一 激光一 激光 1 光与原子相互作用的三种跃迁过程 受激吸收 自发辐射和受激辐射 光与原子相互作用的三种跃迁过程 受激吸收 自发辐射和受激辐射 h 跃迁满足条件跃迁满足条件 各原子自发辐射的光是随机的 独立 的 各原子自发辐射的光是随机的 独立 的 非相干光 非相干光 受激辐射的光子与外来光的频率 偏振方向 相位及传播方向均相同 受激辐射的光子与外来光的频率 偏振方向 相位及传播方向均相同 全同光子全同光子 受激辐射的光是相干光受激辐射的光是相干光 原子处于 高能级 原子处于 高能级E2 h 原子跃迁到 低能级 原子跃迁到 低能级E1 发出光子 全同光子 发出光子 全同光子 诱发诱发 同时同时 一个入射光子的作用结果会得到两个状态全同的光子 如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 继续下 去可得到大量特征相同的光子 从而实现了光放大 一个入射光子的作用结果会得到两个状态全同的光子 如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 继续下 去可得到大量特征相同的光子 从而实现了光放大 光放大原理光放大原理 激光是通过受激辐射来实现放大的光 激光是通过受激辐射来实现放大的光 2 激光原理及产生的基本条件 激光原理及产生的基本条件 粒子数反转 使原子被激发 粒子数反转 使原子被激发 工作物质有亚稳态工作物质有亚稳态 有激励 源是产生激光的必要条件 有激励 源是产生激光的必要条件 光学谐振腔光学谐振腔 4 激光器的结构 激光器的结构 工作物质激励源谐振腔工作物质激励源谐振腔 5 激光的特点 激光的特点 方向性极好单色性好亮度极高相干性极好方向性极好单色性好亮度极高相干性极好 3 激光谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用 激光谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用 主要作用有三 第一 进一步得到光放大 第二 使激光的方向性好 第三 使激光单色性好 主要作用有三 第一 进一步得到光放大 第二 使激光的方向性好 第三 使激光单色性好 二 半导体二 半导体能带及分类 导带 空带 价带 满带 禁带 1 导体能带结构 能带及分类 导带 空带 价带