激光和固体能带（

1、1,激光与固体能带基本知识,主要内容: 激光的机理和特性 产生激光的条件、谐振腔的作用 固体的能带理论 能带类型、能带特征 p型n型半导体的特性,量子物理的应用二： 激光器 光子和物质的相互作用 固体能带电子和物质在量子级别上的相互作用,2,本章教学基本要求 1、了解激光的产生条件及基本特点； 2、了解固体能带的形成过程及特点； 3、理解导体、绝缘体、半导体能带结构的异同； 4、了解半导体的导电特性及半导体元器件的作用。,3,1. 光和物质相互作用的三个基本过程：,一 激光的机理和特性,LASER-Light Amplification of Stimulated Emission of Ra

2、diation,光的受激吸收,单位时间从低能级E1跃迁到高能级E2的粒子数密度dN12，与N1、外来光场的能量密度 成正比：,4,光的自发辐射,单位时间从高能级E2自发辐射跃迁到低能级E1的粒子数密度dN21，与N2成正比：,注：普通光源的发光过程是自发辐射，发出的是非相干光,5,光的受激辐射,单位时间从高能级E2受激辐射跃迁到低能级E1的粒子数密度dN21，与N2、外来光场的能量密度 成正比：,受激辐射发出的光子与外来光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同！,6,2. 激光的产生条件： (1) 粒子数反转,根据玻尔兹曼能量分布规律，热平衡状态下粒子系统的正常分布为：,单位时间、单位体积

3、中受激辐射和受激吸收过程的净辐射光子数：,热平衡时： N2N1 ! 粒子数反转,7,2. 激光的产生条件： (1) 粒子数反转,铬离子能级示意图,实现粒子数反转的条件： 存在亚稳态的多能级系统+泵浦,8,2. 激光的产生条件： (2) 光放大（光学谐振腔）,a.初始受激辐射的引发光子：自发辐射的随机光子,b.必须加一对平行反射镜，一全反射镜，一部分透射的反射镜，形成光学谐振腔，获得雪崩式光放大,9,2. 激光的产生条件： (2) 光放大（谐振条件）,c.在谐振腔内，只有某些频率的光由于干涉加强，形成以反射镜为波节的驻波，产生激光振荡。其波长满足：,或,d.由上式分析，可能有多个频率满足谐振条件

4、，其中相邻的两频率间隔为：,10,3. 激光器： (1)分类,11,结构,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。,3. 激光器： (2)HeNe 气体激光器,12,电子碰撞,碰撞转移,能级示意图,13,结构示意图,3. 激光器： (3)自由电子激光器,激光波长从微波到X射线连续可调，ps脉冲时间结构可调,14,4. 激光的基本特性：,(1) 方向性好：激光光束发散角在毫弧度量级,(2) 亮度高：,光源亮度的定义：光源单位发光表面上垂直表面方向上单位立体角发射的光功率，即,15,4. 激光的基本特性：,(3)单色性好 ：,(4)相干性好：,好的单

5、色性很好的相干长度，即很好的时间相干性,好的方向性很好的空间相干性,16,二、固体的能带理论：,1. 电子共有化,大量孤立原子聚合成晶体后，晶格离子对电子运动的影响，形成固体能带,原子外壳层上的价外电子，能量E3可能超过势垒高度，在整个晶体范围内自由运动，为各原子核共有,17,2. 能带的形成,二、固体的能带理论：,18,二、固体的能带理论：,每个能带能容纳的电子数是原来的N倍： 如 s态可容纳2N个电子 p态可容纳6N个电子 d态可容纳10N个电子,2. 能带的形成,19,理解满带、禁带、空带、价带和导带等概念。,3.能带的类型,20,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,4.

6、 能带的特征（重点掌握）,21,五种不同的能带结构（重点掌握）,导体(a),(b),(c) 绝缘体(d) 半导体(e),半导体中同时存在电子导电和空穴导电,22,(1)n型半导体: (电子导电为主)（掺入五价元素）,5、半导体导电特性： a.本征半导体的导电性； b.杂质半导体的导电性（重点掌握施主能级和受主能级的概念及相应的示意图）,23,(2)p型半导体：（空穴导电为主）（掺入三价元素）,5、半导体导电特性,24,主要了解p-n结的形成过程与p-n结的导电特性；了解电势分布曲线（参见图23.25、图23.26 、图23.27和图23.28）,P-N结和电势曲线,6、半导体元器件（p-n结）：,25,6. p-n结,P-N结形