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两种运动处于平衡状态为止

时间:2020-10-12 13:59

  6.3.1 半导体激光器任务道理和根本机合 半导体激光器是向半导体PN结注入电流•,完毕粒子 数反转漫衍,发生受激辐射•,再行使谐振腔的正反应, 完毕光放大而发生激光振荡的。 光受激辐射、发出激光务必具备三个因素•: 1、激活介质经受激后能完毕能级之间的跃迁; 2•、能使激活介质发生粒子数反转的泵浦装配; 3、安置激活介质的谐振腔,供应光反应并举行放大, 发出激光。 1. 受激辐射和粒子数反转漫衍 有源器件的物理根底是光和物质互相用意的 效应。 正在物质的原子中•,存正在很多能级,最低能 级E1称为基态,能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为引发态。(热力学平均状况下,正在较低 能级上比拟高能级上存正在较多的电子) 电子正在低能级E1的基态和高能级E2的引发态 之间的跃迁有三种根本办法:受激招揽(本征 招揽) 自愿辐射 受激辐射 E2 初态 E1 E2 hυ=E2-E1 E1 终态 (a) 自愿辐射 光子的特质:非相合光 E2 hυ E1 初态 E2 E1 终态 (b) 受激辐射 光子的特质:相合光 E2 hυ E1 初态 E2 E1 终态 E2 E2 hυ E1 终态 E1 初态 (b) 受激辐射 (c) 受激招揽 发生激光的需要前提一:受激辐射占主导位子 (1)自愿辐射 正在高能级E2的电子是担心定的,纵然没有表界的用意, 也 会主动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,开释的能量转换为光子 辐射出去,这种跃迁称为自愿辐射••,见图6-15(a)。 (2)受激辐射 正在高能级E2的电子,受到入射光的用意,被迫跃迁到低能级 E1上与空穴复合,开释的能量发生光辐射,这种跃迁称为受激辐 射,见图6-15(b)。 (3)受激招揽 正在寻常状况下,电子处于低能级E1••,正在入射光用意下,它 会招揽光子的能量跃迁到高能级E2上•,这种跃迁称为受激招揽。 电子跃迁后,正在低能级留下一致数量标空穴,见图6-15(c)。 受激辐射和自愿辐射区别正在于是否有表来光子的参加,且发生 的光的特质很纷歧致。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和鼓吹偏向与入射光相 同,这种光称为相合光。 自愿辐射光是由豪爽差异引发态的电子自愿跃迁发生的, 其频率和偏向漫衍正在肯定鸿沟内,相位和偏振态是动乱的••,这 种光称为非相合光•。 受激辐射和受激招揽的区别与相合 受激辐射是受激招揽的逆历程。电子正在E1和E2两个能级之 间跃迁,招揽的光子能量或辐射的光子能量都要满意波尔前提••, 即 E2-E1=hυ 式中,h=6.628×10-34J·s,为普朗克常数, υ为招揽或辐射的 光子频率。 发生受激辐射和发生受激招揽的物质是差异的。 设正在单 位物质中,处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数判袂 为N1和N2。 当编造处于热平均状况时, N2 ? exp( ? E2 ? E1 ) N1 kT 式中, k=1.381×10-23J/K,为波尔兹曼常数•,T为热力学温度。 因为(E2-E1)0,T0,于是正在这种状况下,老是N1N2。 这是 由于电子老是起初盘踞低能量的轨道。 受激招揽和受激辐射的速度判袂比例于N1和N2•,且比例 系数(招揽和辐射的概率)相当。 若是N1N2,即受激招揽大于受激辐射。当光通过这种物 质时,光强按指数衰减, 这种物质称为招揽物质。 若是N2N1,即受激辐射大于受激招揽,当光通过这种物 质时•,会发生放大用意,这种物质称为激活物质•。 N2N1的漫衍•,和寻常状况(N1N2)的漫衍相反,于是称为 粒子(电子)数反转漫衍。 题目:怎么获得粒子数反转漫衍的状况呢? 导带 导带 价带 价带 寻常漫衍 反转漫衍 发生激光的需要前提二:粒子数反转漫衍 发生粒子数反转的办法 ? 注入载流子-半导体激光器 •? 强光对激光物质举行照耀-固体激光器 ? 气体电离-气体激光器 2. PN 正在半导体中,因为左近原子的用意,电子所处的能态扩展 成能级相连漫衍的能带。能量低的能带称为价带,能量高的能带 称为导带,导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不大概盘踞禁带•。 能量 Eg 导带 Ec Eg/2 Ef Eg Eg/2 Ev 价带 Ec Ec Ef Eg Ef Ev Ev (a) (b) (c) 图 3.2 (a) 本征半导体; (b) N型半导体; (c) P型半导体 能量 Eg 导带 Ec Eg/2 Ef Eg Eg/2 Ev 价带 Ec Ec Ef Eg Ef Ev Ev 正在热平均状况下(a,) 能量为E的能级(b)被电子盘踞的概(c率) 为费米分 布 p(E) ? 1 1? E exp( ? Ef ) (3.3) kT 式中,k为波兹曼常数,T为热力学温度。Ef 称为费米 能级,用来描摹半导体中各能级被电子盘踞的状况•。 正在费米能级•,被电子盘踞和空穴盘踞的概率一致•。 凡是状况下•,本征半导体的电子和空穴是成对展示的•,用Ef 位于禁带主旨来显露,见图3.2(a)。 正在本征半导体中掺入施主杂质,称为N型半导体,见图 3.2(b)。 正在本征半导体中,掺入受主杂质,称为P型半导体,见图 3.2(c)。 正在P型和N型半导体构成的PN结界面上•,因为存正在无数载流 子(电子或空穴)的梯度,于是发生扩散运动,造成内部电场••, 见图3•.3(a)。 内部电场发生与扩散相反偏向的漂移运动•,直到P区和N区的 Ef 一致,两种运动处于平均状况为止,结果能带爆发倾斜,见 图3.3(b)。 P区 能量 p E c P区 p E v 内部电场 PN 结空 间电 荷区 扩散 漂移 N区 n E c (a) P-N结内载流子运动; 势垒 E f N区 n E v 图 3.3 PN (b) 零偏压时P-N结 的能带倾

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