第章半導(dǎo)體與激光簡(jiǎn)介

(QuantumPhysics)第六篇

量子物理2第16半導(dǎo)體與激光簡(jiǎn)介SemiconductorandLaser第1節(jié)半導(dǎo)體第2節(jié)激光3第1節(jié)半導(dǎo)體1.半導(dǎo)體的基本概念半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。既有負(fù)電性載流子(電子)又有正電性載流子(空穴)，其電學(xué)性能，可用能帶理論解釋。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體42.固體的能帶(1)電子共有化固體具有大量分子、原子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用外層電子（高能級(jí)）不再局限于一個(gè)原子，電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)?！灿谢娮釉拥膬?nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般不是共有化電子。a由于相鄰原子靠的很緊,使電子的內(nèi)外各層“軌道”有不同程度的重疊。5(2)能帶(energyband)固體中的電子能級(jí)有什么新特點(diǎn)？能帶的寬度記作E數(shù)量級(jí)為E～eV晶體中原子數(shù)目則能帶中相鄰兩能級(jí)的間距約10-23eVN~1023/cm3量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí)，分裂成N個(gè)靠得很近的能級(jí),稱為能帶。N個(gè)新能級(jí)6原子中每一個(gè)許可的能級(jí)都能分裂成為能帶。由于原子內(nèi)外層電子的“軌道”重疊的程度不同，所以電子共有化情況不同。最外層電子“軌道”重疊的多，電子共有化運(yùn)動(dòng)顯著，對(duì)應(yīng)的能帶較寬，內(nèi)層則相反。注意一般規(guī)律：

1o

越是外層電子

能帶越寬、E越大

2o

點(diǎn)陣間距越小

能帶越寬、E越大

4o

兩個(gè)能帶有可能重疊a2p2s1sE0能帶重疊示意圖離子間距7

3o

能帶寬度與N無(wú)關(guān)，只與

組成晶體的原子性質(zhì)有關(guān)。8(3)能帶中電子的排布

一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上排布原則1o

服從泡利不相容原理2o

服從能量最小原理孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl最多能容納電子數(shù)為?能級(jí)Enl分裂成由

N個(gè)能級(jí)組成的能帶后，這個(gè)能帶最多能容納個(gè)電子2(2l+1)個(gè)例如：1s、2s能級(jí)最多容納個(gè)電子22p、3p能級(jí)最多容納個(gè)電子62(2l+1)N2p、3p

能帶，最多容納6N個(gè)電子1s、2s

能帶，最多容納2N

個(gè)電子

電子排布時(shí),從最低的能級(jí)排起。9

各能帶具有的電子數(shù)目的多少構(gòu)成不同的能帶

1o滿帶（排滿電子）

2o價(jià)帶（亦稱導(dǎo)帶）

3o空帶（亦稱導(dǎo)帶）

4o禁帶各能級(jí)完全被電子占據(jù)的能帶能帶中未排電子不能排電子各種物質(zhì)的導(dǎo)電性,

由各自的能帶結(jié)構(gòu)不同而不同禁帶能帶中只有一部分能級(jí)排滿電子103.導(dǎo)體開和絕緣誼體它們的導(dǎo)菜電性脫能不同俱是因?yàn)樗鼈冊(cè)\的能價(jià)帶結(jié)斧構(gòu)不唉同按導(dǎo)摸電性能的高低可以跨分為EEgEgEgEE價(jià)帶價(jià)帶空帶禁帶空帶帶價(jià)空帶EE帶滿空帶帶滿空帶禁帶禁帶導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體11從能北級(jí)圖詞上來(lái)育看：E(1蕉)導(dǎo)體EgE價(jià)帶空帶禁帶E滿帶空帶E帶滿空

帶其共有葬化電拍子很容易灑從低能松級(jí)躍竿遷到狗高能再級(jí)上憤去。12從能級(jí)糖圖上松來(lái)看瓦，是肅因?yàn)樾g(shù)滿帶首與空帶之間惱有一亂個(gè)較寬嗎的禁帶Eg≈3～6eV。共有趟化電穿子很健難從泳低能茫級(jí)（蘭滿帶必）躍遷到高低能級(jí)引（空蠶帶）徑上去闖。在外電場(chǎng)托的作勒用下,共有帆化電夜子很濟(jì)難接受埋外電驚場(chǎng)的帆能量腿，所舒以不悠形成誓電流支。能帶買結(jié)構(gòu)崗中滿片帶與所空帶替之間體也是遞禁帶稀，但是禁帶受很窄Eg≈0.孟1～2eV。(2圈)絕緣愈體(3帆)半導(dǎo)櫻體EgE帶滿空帶禁帶EgE帶滿空帶禁帶當(dāng)外臺(tái)電場(chǎng)伏非常略強(qiáng)時(shí),它們異的共幟有化此電子糊還是能越這過(guò)禁帶恨躍遷命到上值面的肢空帶杠中。導(dǎo)體134.半導(dǎo)掛體(1南)本征鄭半導(dǎo)疫體（se脫mi冤co故nd插uc揪to汽r）半導(dǎo)夠體禁帶返寬度悉窄、灣在外場(chǎng)數(shù)的作用檔下,導(dǎo)帶項(xiàng)中的電子、滿鎖帶中法的空穴同時(shí)多參與拼導(dǎo)電信。——本征急導(dǎo)電罩性外麥場(chǎng)滿帶空帶純凈品的半犬導(dǎo)體,如硅裹、鍺笨等電子、空穴——本征匪載流族子14(2剩)雜質(zhì)半導(dǎo)蹲體四價(jià)的騎元素(S粱i、Ge未)中摻秩入少量圍五價(jià)筆元素(P、As丙)**P型半句導(dǎo)體四價(jià)驗(yàn)的元份素(S攀i、Ge桿)中摻工入行少量金三價(jià)族元素(B、Ga價(jià))外陶?qǐng)鰸M帶空帶滿帶空帶施主兵能級(jí)受主悄能級(jí)*N型半導(dǎo)聰體量子嚼力學(xué)計(jì)算爺表明元，這弊種摻湊雜后主多余啞的電俊子(或空菊穴)的能乖級(jí)，采在禁爺帶并養(yǎng)緊靠菜空帶(或滿速帶)處，創(chuàng)能級(jí)間隔:ED～10-2eV極易形體成電矩子（枯或空北穴）導(dǎo)電芬。本征塘半導(dǎo)粉體摻入鍬少量與的其爽它原子——雜質(zhì)嘉半導(dǎo)優(yōu)體?！噪娦熳訉?dǎo)困電為急主——以空強(qiáng)穴導(dǎo)逗電為體主15(3育)盜P威-N結(jié)結(jié)果襲：交敵界處出現(xiàn)鹽正、胃負(fù)電偶騎層，豎阻擋閉繼續(xù)礎(chǔ)擴(kuò)散虧達(dá)到銀平衡叔。形效成P-以N結(jié)，抱約0.增1m厚。形成搖：P型與N型半導(dǎo)滴體密鑄切接末觸P型中嚇的空照穴將向N型擴(kuò)散N型中的暮電子爹將向P型擴(kuò)惕散N型

P型EP-N結(jié)E阻16P-邁N結(jié)處存跌在電篇?jiǎng)莶頤0也阻止N區(qū)帶負(fù)劣電的遷電子昂進(jìn)一步餓向P區(qū)擴(kuò)散膚。它阻止P區(qū)帶正墊電的聾空穴捆進(jìn)一步向N區(qū)擴(kuò)散虧；U0電勢(shì)曲線E阻電子能級(jí)電子電勢(shì)能曲線P-就N結(jié)17電子策的能國(guó)帶出隔現(xiàn)彎裝曲現(xiàn)冒象:P型N型空帶空帶施主能級(jí)受主能級(jí)

滿帶滿帶滿帶P-N結(jié)18正向眼連接景時(shí)用途何：P-癥N結(jié)的單俱向?qū)с@電性阻擋汁層勢(shì)做壘被到削弱以變窄，P中的空穴褲，N中的電子碌都易于氧通過(guò)P-捎N結(jié),形成PN的正向厭宏觀形電流留。反向覽連接尾時(shí)阻擋鬧層勢(shì)行壘增塵大變寬，P中的華空穴和N中的電子都難危以通測(cè)過(guò)P-報(bào)N結(jié)，沒有正向石電流。P

NIPNI擊穿電壓是制傭造二壩極管趙整流易器和偷集成定電路宴的好挪材料191.激光極好眼方向謹(jǐn)性：極大騾脈沖鉤瞬時(shí)療功率鋪：可丙達(dá)～1014W極好聯(lián)相干截性：能量榮集中脖性：極好園單色顛性：相干椒長(zhǎng)度汪可達(dá)黃幾十達(dá)公里氦氖同激光井器λ10–7?發(fā)散息角沉～10-4弧度幾個(gè)衫微米紗的范秒圍內(nèi)禿產(chǎn)生別幾百找萬(wàn)度才的高勤溫(1舍)特性第2節(jié)吊激監(jiān)光激光念又名巷鐳射(L劈燕as稻er置),它的贊全名是：Lig猶htAmp煌li啟fi發(fā)ca倒ti釀on狹b恒ySti并mu假la紛te雙dEmi杠ss咬io迎n枝ofRad好ia界ti撒on20(2高)種類固體東（如杏紅寶忽石Al2O3）液體湯（如演某些魯染料裝）氣體度（如He捆-N曾e，CO2）半導(dǎo)性體（怎如砷汽化鎵Ga聚As）按工難作物億質(zhì)分愧類按工鉆作方脈式分竹類連續(xù)賤式（洗功率版可達(dá)104W）脈沖咬式（婦瞬時(shí)奏功率僑可達(dá)1014W）(3淘)波長(zhǎng)（10才0違nm）肺（1.譯22暫2察mm）極紫劉外─殘─可往見光池──么亞毫縣米212.激光層的產(chǎn)胞生a)自發(fā)烏輻射各原控子所家發(fā)光櫻子的費(fèi)位相希、方福向、煙偏振立態(tài)各橋不相同米，非宰相干圈光源饞。(1況)自發(fā)叢輻射策與受偷激輻日射處于高能宗級(jí)E1的原子軟自發(fā)語(yǔ)地向兩低能潑級(jí)E2躍遷卡，并發(fā)射前出一幟個(gè)頻介率等倍于ν＝(E1-E2)/異h的光子銀的過(guò)程睜。根據(jù)翠愛因堂斯坦片輻射望理論飾，設(shè)固初態(tài)E1上的鍛原子團(tuán)數(shù)密語(yǔ)度為N1，E2上的揉原子硬數(shù)密種度為N2，則紐奉自發(fā)另過(guò)程香的概辨率只喚與N2有關(guān)祝，單樸位時(shí)懼間內(nèi)蜘自發(fā)晚輻射構(gòu)的光歸子密圓度為揀：22b)受激卷輻射受激燈輻射比光與引外來(lái)厭光的駐頻率楊、偏廈振方添向、相嫁位及傳眨播方裙向均相同舞。處于高能肯級(jí)E2上的陡原子質(zhì)在頻樂(lè)率為ν=(E2-E1)/h的光謎子誘掌發(fā)下，向低能苦級(jí)E1躍遷雄并輻圍射出與唐誘發(fā)光子鮮的狀態(tài)趴完全相同鵝的光子悔。1→裕2→打4→忽8-技--臥-有光的滔放大道作用根據(jù)澇愛因途斯坦鎮(zhèn)輻射用理論逐，單跑位時(shí)眉間內(nèi)受激輻射吊的原鉆子密么度為您：23c)受激貸吸收處于低能賤級(jí)E1上的男一個(gè)威原子歷在頻亂率等姥于ν＝(E2-E1)/h的輻射否場(chǎng)作孔用下，吸收一個(gè)胳光子掃后向表高能結(jié)級(jí)E2躍遷生。根據(jù)揭愛因街斯坦然輻射唱理論役，單位撓時(shí)間協(xié)內(nèi)由學(xué)于吸杰收的脆光子屢產(chǎn)生舒躍遷劣的原勞子密用度為齒：如果襯以ρ(ν)表示斬入射豪光的新能量配密度虎，則笑單位證時(shí)間沾內(nèi)由濕于吸戀收的保光子占產(chǎn)生禍躍遷掌的原垃子密占度為袍：24a21、b12、b21--螞--愛因咳斯坦香系數(shù)W12--損--單位遮時(shí)間境內(nèi)原報(bào)子從E1躍遷鐘到E2的概績(jī)率W21--瞧--單位棕時(shí)間索內(nèi)原磨子從E2躍遷勻到E1受激語(yǔ)輻射抗的概小率單位軍時(shí)間襯、單鹿位體月積內(nèi)禍通過(guò)份吸收葡從基杰態(tài)躍德遷到瓣激發(fā)凝態(tài)的寇原子探數(shù)等樓于從冊(cè)激發(fā)釣態(tài)通醬過(guò)自貸發(fā)輻六射和答受激今輻射迎回到惡基態(tài)妹的原液子數(shù)扭：25通過(guò)趁統(tǒng)計(jì)殺理論雁可以洞求得鳳三個(gè)偽愛因楊斯坦住系數(shù)葵之間啦的關(guān)嫌系為b21=b12由于令自發(fā)盛輻射純，處核于E2的原竿子將殊不斷蜘躍遷訪到基漿態(tài)，奮使得N2不斷偶減小纏。dt時(shí)間固內(nèi)N2減小吼量為萬(wàn)：dN2=-屬dN21=-a21N2dt則N20--嬸--t=0時(shí)激脫發(fā)態(tài)E2上的賭原子物數(shù)26當(dāng)時(shí)，--蜘--原子傾在E2能級(jí)叼的平每均壽謀命如果泡原子舍處在染激發(fā)室態(tài)En，En下面堤存在媽多個(gè)勒較低覺能級(jí)Em，從En到各杏處低絮能態(tài)誤都存屑在躍姨遷概黑率，原子爭(zhēng)在E2能級(jí)體的平邪均壽株命：27注意(1)發(fā)三個(gè)系數(shù)a21、b12、b21均是粒復(fù)子能淘級(jí)結(jié)翼構(gòu)的谷特征桂量,多和外場(chǎng)ρ無(wú)關(guān)。2)偶三種幾鋼率:a21和外場(chǎng)無(wú)關(guān)盜;李而W12、W21與入射伯光的能量藏密度ρ(ν)有關(guān)。28受激渾輻射自發(fā)佳輻射受激展吸收發(fā)光之物質(zhì)存的受音激輻怪射與族受激夠吸收糟哪個(gè)晝占優(yōu)皂勢(shì)？由處痛在高校能態(tài)基或低錢能態(tài)寒的原耗子數(shù)禿決定渠：N1—低能欠態(tài)的圾原子歲數(shù)N2—高能檔態(tài)的秩原子騙數(shù)若N1>N2光被灣吸收若N2>N1光被伙放大處在晨能量茶為E的粒敬子數(shù)從熱艇力學(xué)挽定律固知：若則N2<N1N2N129例：氫原塌子基藏態(tài)E1=–13井.6海eV，第薦一激發(fā)泊態(tài)E2=–3.梅4e貸V，E2>E1解：專在常溫T=午30稈0K時(shí)可見,處在猶熱平鑄衡狀邪態(tài)時(shí)楚原子驢幾乎誕都處皮在基鋼態(tài)要使彩受激鄰輻射襯占主冊(cè)導(dǎo)地嚷位必射須使妖：N2>N1即讓粒子若數(shù)反愿轉(zhuǎn)——系統(tǒng)傘處在箱非平圈衡狀譽(yù)態(tài)303.粒子換數(shù)反蹤蝶轉(zhuǎn)——產(chǎn)生頂激光唉的必做要條蓮件激勵(lì)孕過(guò)程“泵浦”方法塌：光激彈發(fā)粒子南碰撞化學(xué)滔激發(fā)核能抵激發(fā)為保揀證實(shí)辭現(xiàn)粒填子數(shù)哲反轉(zhuǎn)破必須把：(1爐)有激勵(lì)炎能源(2吳)合適的工數(shù)作物觸質(zhì)——合適蝴的能留量輸瞞入系占統(tǒng)——有合腐適的嫂能級(jí)貞結(jié)構(gòu)吸（亞翼穩(wěn)態(tài)摸）一般蜂激發(fā)為態(tài)壽傍命：亞穩(wěn)妹態(tài)壽款命：具有隨亞穩(wěn)裝能級(jí)迫的物帝質(zhì)——激活丘物質(zhì)工作懼物質(zhì)非平搖衡態(tài)外界輸入能量31亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)(1屬)氦氖扛激光專器工作婦物質(zhì)般：混晴合的帶氦氖叮氣體63臭28?被激抖發(fā)的He原子--文--激勵(lì)能源“光逆泵”最終棄被激標(biāo)發(fā)的Ne原子--絲式--激活物質(zhì)粒子鍛數(shù)反亂轉(zhuǎn)電子框碰撞碰撞掠轉(zhuǎn)移k陰極氦、除氖氣港體陽(yáng)極32He破-N家e激光賓的工付作原夸理：(1朽)由于電子自的碰納撞,盾He被激罩發(fā)到2s的概川率比Ne原子被激壟發(fā)的機(jī)概率語(yǔ)大；(2批)骨H袖e的1s撐2s能級(jí)亭是亞療穩(wěn)態(tài)水，“翠很難螺”回凱到基炎態(tài)；在He的激仗發(fā)態(tài)嬌上集證聚了應(yīng)較多隔的原豈子(3產(chǎn))由于Ne的5s與He的2s的能竿量幾桃乎相樓等,在碰撞倒中He原子器很容瞇易把什能量悟傳遞勞給Ne原子戚回到基態(tài),而Ne原子帆則被愿激發(fā)到2p55s；(4健)辰3約p能級(jí)梨的壽傭命比5s能級(jí)翻要短瓜得多朱，這形樣就獄可以端形成粒子縮