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第第16章章 固体物理简介固体物理简介 激光激光磁悬出现象磁悬出现象第1页第1页本章内容本章内容16.1 晶体结构和晶体分类晶体结构和晶体分类16.2 固体能带固体能带16.3 绝缘体绝缘体 导体导体 半导体半导体16.5 激光激光16.6 激光器基本构成激光器基本构成 激光形成激光形成16.7 激光特性及应用激光特性及应用16.4 杂质半导体杂质半导体 pn结结第2页第2页 类型类型结合力方向性方向性饱和性饱和性性能性能导电性导电性硬度硬度 熔点熔点离子晶体离子晶体离子键离子键无无弱弱高高共价晶体共价晶体共价键共价键有有很低很低高高分子晶体分子晶体范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键无无低低差差金属晶体金属晶体金属键金属键无无好好16.1 晶体结构和晶体分类晶体结构和晶体分类一一.晶体分类晶体分类第3页第3页二二.晶体结构晶体结构面心立方结构立方结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。为空间点阵。第4页第4页金刚石体心立方第5页第5页一维晶体点阵形成势能函数曲线一维晶体点阵形成势能函数曲线EPr+16.2 固体能带固体能带一一.周期性势场和电子共有化周期性势场和电子共有化r以钠为例，分析价电子在以钠为例，分析价电子在 Na+电场中势能特点。电场中势能特点。电子能量电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。高，穿过势垒概率大，共有化程度高。E+dE第6页第6页电子在晶体中作共有化运动，处于三维周期性势场电子在晶体中作共有化运动，处于三维周期性势场 中中结论：结论：二二.能带和能带中电子分布能带和能带中电子分布第7页第7页遵守遵守 泡利不相容原理泡利不相容原理最多容纳电子数最多容纳电子数2N2N2N6N6N10N能量最小原理能量最小原理普通情况下，价带是被电子所填充能量最高能带。普通情况下，价带是被电子所填充能量最高能带。阐明阐明第8页第8页满带满带空带空带导带导带 未填满能带及空带未填满能带及空带（普通与价带相邻普通与价带相邻）。未填满价带未填满价带例例 能带对导电性影响能带对导电性影响不参与不参与导电导电参与参与导电导电参与参与导电导电填满价带填满价带第9页第9页价价带带16.3 绝缘体绝缘体 导体导体 半导体半导体36eV0.11.5eV绝缘体绝缘体半导体半导体价价带带第10页第10页锂锂镁镁铜铜 铝铝 银银导体导体（三种情况）（三种情况）第11页第11页 类型类型掺有杂质掺有杂质主要载流子主要载流子导电性能导电性能本征半导体本征半导体无无电子电子 空穴空穴差差杂质杂质半导体半导体n 型型五价元素五价元素(砷或磷砷或磷)电子电子提升p 型型三价元素三价元素(硼或镓硼或镓)空穴空穴提升一一.半导体类型半导体类型16.4 杂质半导体杂质半导体 pn结结第12页第12页杂质杂质能级能级1.n 型半导体型半导体价带价带10-2 eV施主施主能级能级二二.杂质半导体杂质半导体第13页第13页杂质杂质能级能级2.P 型半导体型半导体价带价带受主受主能级能级10-2 eV空穴空穴第14页第14页三三.pn 结结 pn 结中电场和电势差结中电场和电势差p区区能带升高，能带升高，n区能区能带减少，形成势垒带减少，形成势垒1.pn 结中电场和势垒结中电场和势垒第15页第15页pn结中电场削弱，势垒减少，结中电场削弱，势垒减少，电子、空穴扩散容易，形成正电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压改变。向宏观电流，并随电压改变。pn结中电场增强，势垒增高，结中电场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成电子、空穴扩散困难，形成很小反向电流。很小反向电流。2.pn结中电流和外加电压关系结中电流和外加电压关系正向电压反向电压EE第16页第16页10203010200.40.82030半导体光电检测器半导体光电检测器pn 结单向导电性结单向导电性pn 结伏安特性曲线结伏安特性曲线U/VI/mA正向反向击穿电压第17页第17页自自发发辐辐射射受受激激吸吸取取自自发发辐辐射射系系数数受受激激吸吸取取系系数数E2E1自发自发辐射辐射受激受激辐射辐射光波频率 相位偏振态无关无关全同全同一一.光吸取与辐射光吸取与辐射受受激激辐辐射射E2E1E2E1受受激激辐辐射射系系数数16.5 激激 光光普通情况下普通情况下第18页第18页二二.粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 受激吸取受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射介质中光强 I-kN1 IB+kN2 IB忽略忽略粒子数粒子数反转态反转态 介质介质热平衡热平衡状态状态光强改变光强改变若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。阐明阐明第19页第19页电子电子碰撞碰撞碰撞碰撞亚稳态亚稳态例例 He-Ne激光器中激光器中Ne气粒子数反转态实现气粒子数反转态实现 第20页第20页一一.激光器基本构成及激光器基本构成及激光形成激光形成16.6 激光器基本构成激光器基本构成 激光形成激光形成激励能源激励能源增益介质增益介质谐振腔谐振腔全反全反射镜射镜部分部分 反射镜反射镜(99)谐振腔，增益介质，谐振腔，增益介质，激励能源。激励能源。1.基本构成部分基本构成部分2.激光形成激光形成光束在谐振腔内光束在谐振腔内往返震荡，在增往返震荡，在增益介质中传播使益介质中传播使光得以放大，并光得以放大，并输出激光。输出激光。第21页第21页二二.谐振腔作用谐振腔作用增益介质增益介质1.限定光方向限定光方向沿轴线光在增益介质内来沿轴线光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向光不久逸出谐振腔。成激光。其它方向光不久逸出谐振腔。2.选择光振荡频率选择光振荡频率（驻波条件）（驻波条件）I0 eGLr1I0 eGLr1I0 e2GL3.延长增益介质延长增益介质r2r1I0增益介质增益介质阈值条件阈值条件 r1r2I0 e2GL第22页第22页高压高压直流电源直流电源工作物质：工作物质：氖气氖气激励方式：激励方式：直流气体放电直流气体放电1.氦氖激氦氖激光器光器电子经电场加速后，与电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态碰撞。处于激发态 He 与与 Ne 碰碰撞，把能量传递给撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。之间形成反转分布。三三.几种常见激光器几种常见激光器第23页第23页红宝石红宝石触触 发发高压高压直流电源直流电源限流电阻限流电阻2.红宝石激光器红宝石激光器工作物质：工作物质：红宝石中红宝石中CrCr+3+3激励能源：激励能源：脉冲氙灯脉冲氙灯脉冲氙灯发出光照射红宝石，使得脉冲氙灯发出光照射红宝石，使得CrCr+3+3 在亚稳态和基态之在亚稳态和基态之间形成反转分布。间形成反转分布。椭圆柱面椭圆柱面脉冲脉冲氙灯氙灯第24页第24页1.高定向性高定向性2.高单色性高单色性16.7 激光特性及应用激光特性及应用 普通光源中，氪普通光源中，氪(Kr86)86)灯单色性最好灯单色性最好 =4.7 10-13 m 氦氖激光器单色性为氦氖激光器单色性为 10-17 m激光发散角极小激光发散角极小，可用于定位，准直，导向，测距，可用于定位，准直，导向，测距等。等。能量集中在很窄频率范围能量集中在很窄频率范围激光谱线分辨率高，可用于研究激光谱线分辨率高，可用于研究原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构，超精细结原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构，超精细结构等。构等。3.高相干性高相干性 用于测量长度、干涉以及全息术，用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分子和射线激光可作分子和生物高分子全息图。生物高分子全息图。第25页第25页激光加工激光加工 6KW CO2 激光加激光加工机在进行金属表面涂敷合金工机在进行金属表面涂敷合金粉末作业粉末作业 太阳表面亮度约太阳表面亮度约 103 Wcm-2sr-1 大功率激光亮度大功率激光亮度 1010 1017 Wcm-2sr-14.高亮度高亮度 可用于精密加工，医学，核聚变等。可用于精密加工，医学，核聚变等。第26页第26页试验中采用大功率试验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器钕玻璃激光器核聚变试验六路真空靶室核聚变试验六路真空靶室第27页第27页C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子粒子数反转，研制了微年在量子电子学研究中实现了氨分子粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年几乎同时年几乎同时在量子电子学基在量子电子学基础研究中，依据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工础研究中，依据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作造成了激光器创造。作造成了激光器创造。The Nobel Prize in Physics 1964第28页第28页