固体的能带

晶体中电子的状态

对孤立原子，其电子的能量是量子化的。原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子。

量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带

固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。

圆管能量被占据的情况：

导电性能不同的原因：能带结构不同

本征半导体(纯净的半导体，如硅、锗等)：满带中的能级全部被电子填满，导带中几乎没有电子

空穴：满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。

电子导电：半导体的载流子是电子(带负电)

空穴导电：半导体的载流子是空穴(带正电)

电子和空穴总是成对出现的。

杂质半导体

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等)形成电子型半导体，称n型半导体。

掺杂后多余的电子的能级(局部能级)在导带底附近，极易形成电子导电。该能级称为施主能级。杂质能级不断地为导带提供导电电子。
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等)形成空穴型半导体，称p型半导体。

掺杂后多余空穴的局部能级在满带顶附近，极易形成空穴导电。该能级称为受主能级。杂质能级不断地收留满带中的电子，使满带中的空穴大大增加。

自发辐射：普通光源的发光机理，各原子自发辐射的光，是独立的非相干光

受激吸收：外来光子被吸收，使原子从\(E_1\to E_2\)

受激辐射：得到的放大了的光是相干光--激光

粒子数反转

粒子数的正常分布：原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼统计分布率

若\(E_2>E_1\):\(\frac{N_2}{N_1}=e^{-\frac{E_2-E_1}{kT}}\gg 1\)通

常光源中低能级上的原子数比高能级上的原子数多得多。光吸收过程较光受激辐射过程占优势!

激光： \[ N_{E_2}\gg N_{E_1} \]
实现粒子反转的条件
- 有激励能源 (光、气体放电、化学、核能等)将基态原子激发到高能态，但原子一般在激发态上停留的寿命只有\(10^{-9}\sim10^{-8}s\)
- 工作物质(激活物质)：有的元素原子存在某些特殊的激发态，激发态寿命\(10^{-3}\)s(提高5-6个数量级)，用具有亚稳态的元素做工作物质。
光学谐振腔，激光的形成

工作物质激活后，能产生光放大，虽可得到激光，但这时的激光寿命短，强度弱，没有实用价值。必须加上一个光学谐振腔。

光谐振腔的作用：