大学物理 第17章 激光和固体物理简介

从能级图上来看:导体中共有化电子很易从低能 级跃迁到高能级上去． 在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能 量，集体定向流动形成电流．
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2.本征半导体的能带结构 本征半导体是指纯净的半 导体，价带通常是满带。 半导体的禁带宽度△Eg 很 窄, 所以加热、光照、加电场 都能把电子从满带激到发空带 中去。
N2 10 40 N1
热动平衡下, N1 N2
粒子数的正常分布
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产生激光必须受激辐射占优势
必须 N2 > N1（粒子数反转） 粒子数反转是产生激光的必要条件.
•实现粒子数布居反转分布的条件： 激活介质：具有适当的能级结构的工作物质 存在“亚稳态能级”的物质 激励能源: 有足够的能量输入系统,使工作物质中尽 可能多的粒子处于激发态。(又称“抽运” 或 “泵 浦” ) 激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励等 •三能级以上多能级 系统可以实现粒子数 反转。
价带
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§17.3
半导体
一、P型半导体和N型半导体
1. 本征半导体 满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一 个带正电的空位，称为 “空穴”。
空带
Eg 满带
电子和空穴总是成对出现的。 电子和空穴叫本征载流子， 它们形成半导体的本征导电性。
在外电场作用下，电子可以 跃迁到空穴上来，这相当于 空 穴反向跃迁。
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一、激光的特性
1. 高度准直性 激光光束的发散可小到 10 -4 rad 2. 高度单色性 谱线宽可 小于 10－8 nm， 普通光源中，谱线宽为4.7×10－3 nm. 3. 高度相干性 激光光波的相干长度可达105 m，相干性好. 普通光源的光波的相干长度小于1 m. 4. 高亮度 经过会聚的激光强度可达1017W· cm－2， 氧炔焰的强度不过103 W· cm－2.
空带
ΔEg
受主能级 EA
满带
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二、P-N 结
1.Ｐ-Ｎ结的形成 电子和空穴扩散 在p型和n型半导体的交界面 附近形成一电偶层，厚度约为 10－7m，产生一电场,称为内建 场。当场大到一定程度，遏止 电子和空穴的继续扩散，最后 达到动平衡状态
p型
n型
E阻
P-N 结
在ｐ型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为 P-N结。 P-N结处存在接触电势差Uo，由P区向N区递增。
E 空带 禁带 价带 禁带 满带
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导带：不满带或满带以上最低的空带
不满带
导带
价带
空带
导带
满带
价带
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四、导体、半导体和绝缘体
1.导体的能带结构
空带 空带 满带 价带
某些二价金属， 如:Be, Ca, Ba …
空带
导带 价带
如:Na, K, Cu, Al, Ag…
导带
价带
某些一价金属， 如:Li …
脉冲，大功率
连续，中小功率 脉冲，大功率 连续，大功率 脉冲、连续，大功率
氦氖
氩离子 二氧化碳
He、Ne
Ar＋ CO2
632.8,1150,3390 连续，小功率
氮分子
氦镉 染料 半导体
N2
He、Cd 染料液体 GaAs/GaAl等
337.1
441.6,325.0 590～640 800～900
脉冲
空带 E D ΔEg 施主能级
满带
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3. p型半导体 四价的本征半导体(Si、Ge等)，掺入少量三价的 杂质元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体． 在p型半导体中：空穴多数载流子，电子少数载流子 量子力学表明，这种掺杂 后多余的空穴的能级在禁带中 紧靠满带处，ED～10-2eV， 极易产生空穴导电，该能级称 受主能级．
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3.受激辐射: 处于高能态的原子，在外来光子的作用下, 从高能 态向低能态跃迁，同时辐射出一个全同的光子。
E2
hv N2 hv hv N1 全同光子
E1
单位体积中单位时间内，从E2E1受激辐射的原子 数：
dN 21 , T N 2 dt 受激 dN 21 B21 , T N 2 dt 受激
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2.氦—氖激光器 是氦和氖混合气体所成的激光光源
布儒斯特 窗 特斯儒布
阳极
毛细管
阴极
反射镜
反透镜
内腔式
外腔式
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工作物质: He是辅助物质， Ne是激活物质，
毛细管内径1mm左右．管内氦、氖比例为 7:1(5:1~10:1)，总压强约2—3mmHg．
21S He 碰 5s 撞 转 4s 移
Ne
hv
E
1
N1
dN 21 N2 dt 自发
dN 21 A21 N 2 dt 自发
dN 21 A21 N dt 2
自发
A21自发辐射系数表示一个原子在单位时间内 发生自发辐射的概率。 自发辐射的各原子发的光是各自独立无关的非 相干光 。
电子的能量应考虑电势差Uo带来的附加势能。
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P-N 结 空带 电势曲线 P区 U0 N区 满带
P区
N区
eU0
这使电子能带出现弯曲
电子能级 |-eU0|
电子电势能曲线
能带的弯曲对N区的电子和P区的空穴都形成了一 个势垒，它阻碍着N区的电子进入P区，同时也阻碍 着P区的空穴进入N区，这一势垒区通常称为阻挡层.
空带
ΔEg= 0.1 ～2eV
价带
当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝 缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。
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3.绝缘体的能带结构
从能级图上来看：满带与 空带之间有一个较宽的禁带， 共有化电子很难从低能级(满带) 跃迁到高能级(空带)上去． 当外电场足够强时，绝缘体 被击穿 。
空带
ΔEg=3～6eV
空穴跃迁也形成电流， 这称为空穴导电。
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2. n型半导体 四价的本征半导体(Si、Ge等)，掺入少量五价 的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体, 称 n 型半导体． 在n型半导体中: 电子多数载流子，空穴少数载流子 量子力学表明，这种掺杂 后多余的电子的能级在禁带中 紧靠空带处, ED～10-2eV，极 易形成电子导电, 该能级称为 施主能级．
连续，中功率 连续可调，小功率 可调谐，小功率
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§17.2
固体的能带结构
固体指具有确定形状和体积的物体。 分三大类： 晶 体 食盐、云母、金刚石 非晶体 玻璃、松香、沥青 准晶体 （1984年发现Ti--Ni—V 急冷合金 中发现的五次对称现象） 单晶体结构 外观上：具有规则的几何形状 点阵 微观上：晶体中原子规则排列 形成晶体点阵 (晶格) 晶体中的重复单元称为晶胞 基本特征：规则排列, 长程有序性
B21 :受激辐射系数， 令W21=B21•(v,T) ， 则 W21反映单个原子发生受激辐射的概率。
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受激辐射特点： (1) 只有外来光子的能量hv=E2-E1，才能引起受激 辐射。 (2)受激辐射发射的光是相干光. 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相 及传播方向均相同。 (3) 具有光的放大作用. 完全相同的光子数增加了。 受激辐射过程是产生激光的基本过程。
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能带
能级
E
2P 2S
1S
r 1 r2
离子间距
能带的一般规律： • 原子间距越小，能带越宽，E越大。 • 越是外层电子，能带越宽，E越大。 • 两个能带有可能重叠。
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三、满带、导带和禁带
电子在能带中的分布： (1) 每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应 的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶 体的原子个数）。
3.39m
4p 3p
23S 泵 浦
0.6328 1.15m m
3s 11s 2p
氖原子两个能级的粒子数反转
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作为激光工作物质的有固体、液体、气体。 常用激光器
名称 工作物质 典型波长(nm) 性能
红宝石
YAG 钕玻璃
掺Cr3＋红宝石
掺Nd3＋钇铝石榴 石 掺Nd3＋
694.3
1064 1059 488.0,515.5 1060
(2) 正常情况下，总是优先填能量较低的能级。
3p 3s 2p 2s 1s 6N 2N 6N 2N 2N
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Mg (Z=12)原子 晶体Mg(N个原子)
满带：能带中的各个能级都填满的能带。 价带：与价电子能级相应的能带。 价带能量最高 可能被填满，也可不满。 空带：没有电子占据的能带。 禁带：不被允许填充电子的能区。 满带中电子不参与导电过程。 满带中电子不 参与导电过程
第17章 激光和固体物理简介
§17.1 §17.2 §17.3 §17.4 激光原理 固体的能带结构 半导体 超导电性Байду номын сангаас
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20世纪30年代，量子力学开始应用于固体 物理领域，从而引发了对固体材料、半导体、 激光、超导……的广泛研究，使固体物理理论 日趋完善，促成了电子计算机的诞生和以计算 机技术为基础的信息技术的快速发展.
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四、激光器原理
激光器组成 ：激励能源、激活介质和谐振腔
激光
M1 M2
激励能源
1.红宝石激光器 1960年第一个问世的固体脉冲激光器 红宝石棒(Al2O3晶体)，其中掺有质量比为 0.035%的铬离子(Cr 3＋) 红宝石激光器有关的工作能级和光谱性质都来 源于铬离子 红宝石激光器的脉冲激光主要波长为694.3nm.
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二.受激吸收、自发辐射和受激辐射
1.受激吸收: 原子吸收能量为h= E2- E1的光子从低能态跃迁 到高能态。 E
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满足条件：h=E2-E1
N2
hv
E1
N1
单位体积中单位时间内因吸收外来光((,T):外来 光的能量密度)而从E1E2 的原子数：
dN12 , T N1 dt 吸收
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三、产生激光的基本条件
1.粒子数反转
由大量原子组成的系统，通常是处在热平衡状态， 原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：
N n Ae
En / kT
N2 e E2 E1 /kT N1
E2－E1＝1eV，T＝300K，则
若E2 > E1
N2 E2 E1 / kT e 1 N1
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§17.1
激光原理
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Laser) “受激辐射光放大”简称激光(Laser)
• 激光器是从微波量子放大器(Maser)发展而来。 • 1916年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发 射的存在。 • 1960年，梅曼（Maiman) 成功制成第一台红宝石 激光器。同年， 雅文（Javan）又制成了氦氖激光 器。
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二、能带的形成
孤立单原子中的电子处于不同的能级。 当原子间有相互作用时,电子共有化.而根据泡利 不相容原理，须使原先每个原子中具有相同能级的电 子能级分裂,才能再填充电子.
3p 3s 2p 2s 1s 空带 价带
Mg
当N个原子相互靠近形成晶体时，对应于原来孤 立原子的一个能级，分裂成N个很接近的新能级，称 为能带
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2. Ｐ-Ｎ结的单向导电性 正向偏压:在Ｐ-Ｎ结的p型区 接电源正极. 阻挡层势垒被削弱、变窄， 有利于空穴向n区运动，电 子向P区运动， 形成正向电 流(mＡ级).
反向偏压:在Ｐ-Ｎ结的ｐ 型区接电源负极. 阻挡层势垒增大、变宽，不利 于空穴向n区运动，也不利于 电子向P区运动,没有正向电流.
E3 抽运 E1 E2
亚稳态
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2.光学谐振腔 要能形成持续稳定激光， 在激活物质两侧有两个 反射镜，构成一个“光学谐振腔”。
激光
部分反射镜 (98%反射镜)
全反射镜 (100%反射镜)
•光学谐振腔的作用 (1) 使激光具有极好的方向性（沿轴线）; (2) 增强光放大作用（相当延长了工作物质）;
(3) 使激光具有极好的单色性（选频）。
dN 12 B12 , T N 1 dt 吸收
B12：吸收系数
令 W12=B12· (v,T)
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则Ｗ12反映单个原子发生吸收的概率。
2.自发辐射： 激发态原子自发地从高能态向低能态跃迁，同时辐 射出一光子。 N2 E2 满足条件：h=E2-E1 跃迁 辐射 单位体积中单位时间内，从 E2E1自发辐射的原子数：
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一、电子共有化
单原子势场
U + r
双原子势场
多原子势场
E2 E1 E0
电子受周期性势场 U(x)=U(x+nl)
的作用.
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解定态薛定谔方程，可以得出： (1)电子的能量是量子化的 (2)能量较高的电子(如为E1)的运动有隧道效应 (3)能量高于势垒高度的电子(如为E2)可在晶体内自由 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，称为电子的共有化.