第六篇量子物理
(3) 第 27章 激光和半导体
（ 2课时）
第 27章 激光和半导体
27— 1 激光
27— 2 半导体
§ 27— 1,激光激光技术是二十年代发展起来的新的科学技术，对整个科学技术领域起了重大的改革和推动作用。
1,激光的特点
（ 1） 方向 性强、亮度高：直径百分之几 —— 千分之毫米的范围内产生几百万度的高温
（ 3） 相干 性好：相干长度长。一般光源相干长度为
0.1— 10cm,氦氖激光器可达 180 公里 。

2tcl相干长度：
（ 4） 传递的信息容量大。
2,激光的发光原理原子运动状态的变化与发光相关联的情况有三种,1
（ 2） 单色 性好：氦氖激光器 10-7A0 (千万分之一埃 )
（ 1） 受激吸收
（ 2） 自发辐射
nE
mE
h
各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同 。
（ 3） 受激辐射 nE
mE
h
h
一个光子刺激高能态上的一个电子，
电子跃迁形成二个光子,二个光子刺激高能态上的二个电子形成四个光子 …… 光子数成几何级数增加，
受激辐射引起光放大。 2
（光子数越来越少）
动画动画动画
3,产生激光的条件要得到激光，就要使 受激辐射 占优势。因此，必须首先使 高能态的粒子数大大超过低能态。 —— 粒子数反转
KT
E
AeN根据玻尔兹曼分布率为保证实现粒子数反转必须有,
*激励能源（泵浦） —— 光、气体放电、化学、核能等。
*工作物质（激活物质）有合适的能级结构 （亚稳态）
如氦氖激光器 （ 氦氖按以下比例混合 ） 1:101:4,NeHe
2E
1E
亚稳态 亚稳态
06328A
'3E
'2E
'1E
He Ne 3
（ 1）粒子数反转,),( NE
（ 2）谐振腔

氦、氖气体 阴极反射镜 反射镜%100 %98
阳极
*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），
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。
4
布儒斯特窗动画谐振腔的作用：
*产生与维持光的振荡，使光得到加强。
*使激光有极好的方向性。
*使激光单色性好。
总之，具有对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。
5
10 最近科学家的研究表明,通过非线性相干相互作用，
无需粒子数反转，也能得到激光。
20 氦氖激光器已被广泛地应用于测量、对准、通讯、
全息及医学等多个领域。
注意：
激光实验
X射线激光器激光科学技术
6
激光加工技术
7
激光工艺激光扫描投影技术激光加工
8
激光存储技术光盘存储激光载体
9
激光通信技术光导纤维 光信息处理机 10
激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，
一根极细的光纤能承载的信息量，
相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的 信息量。
11
激 光 眼 部 检 查
12
激光治疗切除染色体致病基因照射病灶治疗近视眼
13
激光手术
14
激光手术刀 （不需开胸，不住院）
照明束
…… 照亮视场
纤维镜 激光光纤
…… 成象
有源纤维 强激光
…… 使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道 有源纤维 套环纤维镜照明束
附属通道
（可注入气或液）
…… 排除残物以明视线
套环
…… （可充、放气）
阻止血流或使血流流通
15
激光武器地基战略激光武器地炮测距仪战术激光武器
16
贝尔实验室的半导体激光
§ 27— 2 半导体
1,半导体：
电阻率介于导体和绝缘体之间。
既有 负电性载流子 又有正电性载流子,其电学性能可用能带理论解释。 17
2,固体的能带理论 （半导体的导电机构）
固体由原子组成，原子的能量是不连续的（即具有量子化的 能级 ）。由于环境及物理的原因原子的能级要发生变化：
每个能级将分裂成彼此相差很小的的一组能级，称为 能带 。内层能级被电子填满，由它分裂成的能带也被电子占满，称为 满带,外层能级未被电子填满，它它分裂成的能带亦未被填满，称为 导带 。
电子在满带中运动时不形成电流,导带中的电子在跃入更高的空能级时形成电流。
下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，
这 里仅画出了导带和满带，它们间的能 量距离g，
称为 禁带 。从 能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的 禁带不同（如图），前者较窄,后者较宽，而金属的g =0 。 18
（ 1） 半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。
导带中的电子在外场作用下可向稍高能级转移参与导电。
（ 3） 导体没有禁带，可显示很强的导电性。 19
（ 2） 绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，
导电性很差。
E
外场 E E
满带导带满带导带满带导带
（ 1）半导体
eVE g 1 禁带
eVE g 10
禁带外场
（ 2） 绝缘体 （ 3）金属
3,半导体的分类
（ 1）本征半导体纯净的半导体，如硅、锗等。
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 都可参与导电。（本征导电性。见下图）
E 外 场满带导带
E
20
（ 2）杂质半导体当四价的元素中 掺入少量五价元素时形成
n 型半导体。如：硅中掺入磷杂质后，磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。
一般温度下，杂质的价电子很容易 被激发跃迁至导带，成为导电电子，
使导带中的电子浓度大大增加。半导体成为以电子导电为主的 n 型半导体。
* n 型半导体
E
外场满带导带施主能级
n 型半导体
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* P 型半导体四价的元素中 掺入少量三价元素时形成 P 型半导体，如：在硅中掺入三价的硼杂质，杂质原子的局部能级位于导带顶附近（称为受主能级）。
一般温度下满带中的电子很容易 被激发跃迁至杂质能级上，满带中的空穴也将因此而大大增加，
而成为多数载流子。从而半导体成为空穴型导电的
P 型半导体。 22
外场 E
满带导带受主能级
P 型半导体
4Si 4Ge
5P 5As 5Sb
3In 3Al 3B 3Ga
附几个 3,4,5价的元素：
4,P-N结：
正向连接 时,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。
（ 2） 作用：
PN结具有单向导电作用,是制造二极管整流器和集成电路的好材料。
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。
P型材料中的空穴将向 N型材料扩散。
N型材料中的电子将向 P型材料扩散。
23
动画
NP? NP
正向连接 反向连接反向连接 时,P中的空穴和 N中的电子都难以通过 P-N
结。故 P-N结具有单向导电的性能。
P N





（ 1） 形成,P与 N密切接触问题：
10 怎样从晶体能带结构图来区分 绝缘体、半导体、导体。
20 硅用铝、磷、掺杂，锗用铟、锑掺杂：
问：各获得什么样的半导体？
30 P-N结中阻挡层是怎样形成的？它对正向电压和反向电压各有什么作用？
24
40 P型 N型半导体的导电机构？
50 在激光工作物质中，如果只用基态和某一激发态能否实现粒子数反转？申诉理由。
60 谐振腔的作用,（控制、选择、增强）。
70 产生激光的条件：
以保证实现粒子数反转*激活物质内有亚稳态*外有激励能源
*有光学谐振腔例,某 He —— Ne 激光器所发 6328A0 的谱线宽度
10-7A0，计算,相干长度 。
25
解：

c
2
c
相干长度 tcl
2
1

ccc
2
1

c

2
mA 4 0 0 0 010410 )6 3 2 8( 0147
2

END