原子中 的能级
氢原子的能级分裂
晶体中的能带
能带的一般规律： E
1. 原子间距越小，能带
越宽，E越大。 2p
2. 越是外层电子，能带
越宽，E越大。
2s
3. 两个能带有可能重叠。
禁带：两个相邻能带间
可能有一个不被允许的
能量间隔。
O
1s
r0
离子间距
能带重叠示意图
电子在能带中的分布： 1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应 的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶 体的原子个数）。
空带 禁带 满带 半导体能带
空带 禁带 满带 绝缘体能带
价带 禁带 满带 空带
满带
空带
价带
满带
一个好的金属导体，它最上 面的能带或是未被电子填满 ，或虽被填满但填满的能带 却与空带相重叠。
四、半导体 本征半导体是指纯净的半导体。
杂质半导体是指掺有杂质半导体。 电子导电——半导体的载流子是电子 空穴导电——半导体的载流子是空穴（满带上
I （毫安）
U（伏） O
在p-n结的p型区接电 源负极，n区接正极。
阻挡层势垒增大、变 宽，不利于空穴向n区 运动，也不利于电子 向p区运动。
p型 n型
I（微安）
U(伏)
4、半导体的其他特征和应用 热敏电阻 半导体的电阻随温度的升高而指数下降 ，导电性能随变化十分灵敏。 热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长
3、相干性好 4、能量集中
四、激光的应用 1、激光测距 干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距 2、激光加工与激光医疗 打孔、切割、焊接 、外科手术刀、武器 3、光信息处理和激光通信 光盘的高速高密记录、激光打印机 4、激光在受控核聚变中的应用
5、激光的非线性效应
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，
材料处于下临界磁场时是完全超导态，在下临界磁
场和上临界磁场之间，处于混合态。当磁场达到上
临界磁场时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电
阻的正常态。 高温超导材料
外磁场 正常态
混合态
超导
温度
四、超导理论新动向 现在超导材料主要是多元金属氧化物。
1987年安德逊提出共振理论，认为电子在晶格 附近配成自旋相反的共价键，通过掺杂的驱动 ，这种共价电子就共振转变为超流的库珀对而 形成超导。
只要两个电子之间存在有净的吸引作用，不论多 么微弱，结果总能形成电子对束缚态。
库珀电子对 库珀对使整个导体处于更为有序化的状态。
电子位置有序化
BCS理论的核心： 在超导态中，电子通过电—声作用而结成束缚态的 库珀对，而泡利不相容原理使所有的库珀对电子有 序化为群体电子的动量和角动量相关为零。
超导体处于超导态时，价电子以库珀对为整体与晶 格作用，库珀对电子在散射前后总动量仍然保持不 变，即电流的流动不发生变化，因此没有电阻。
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser——受激辐射光放大
一、激光的基本原理 1、自发辐射与受激辐射 光与原子体系相互作用，同时存在吸收、 自发辐射和受激辐射三种过程。
自发辐射 在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从
散射的原因
缺陷 杂质电阻
热振动 热振动电阻
i与杂质
浓度有关
2、弗罗里希的“电-声”作用
电子密度在局部范围内有大有小，高密度的电子会 对附近的离子晶格产生较大吸引力，是该处的离子 实离开自己的平衡位置而产生振动，振动传播形成 晶格波。
晶格波的能量量子化，每一份能量为
电子之间有一种有效吸引， 是通过交换声子而实现的。 3、BCS理论
2、正常情况下，总是优先填能量较低的能级。
满带：各能级都被电子填满的能带。 满带中电子不参与导电过程。
价带：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。
空带：与各原子的激发态能级相应的能带 。
正常情况下没有电子填入。
满带
空带 （导）带
禁带
满带
导带
三、导体和绝缘体 当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘 体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。
4、纵模与横模 激光的纵模 谐振条件：光波在谐振腔内能形成驻波
腔长
或
谐振频率
频谱中每个谐振 频率成为一个振 荡纵模。
相邻两纵模间隔
N个纵模
谐振腔选频作用：
工作物质辐射的谱线有一 定宽度，只有满足阈值条件， 并处于物质辐射谱线宽度内。
输出纵模个数：
激光的横模 激光斑中的光的强度有不同形式的稳定分布花样 ， 在光束横截面上的稳定分布称为激光横模。
六、约瑟夫逊效应及其应用 1、单电子隧道效应 超导结：N-I-N结、N-I-S结、S-I-S结 N—正常态金属膜，S—超导体，I—绝缘层 绝缘层对电子来说是一个势垒，电子动能小于 势垒高度时，仍有一定的概率贯穿势垒。
三、超导材料的分类
按超导体在临界磁场Hc时将磁通排斥在超 导体外的方式分类：
第Ⅰ类超导材料
电流密度
在临界磁场以下，磁
通是完全被排斥在超
导体之外的，只要磁
超导
场高于临界磁场，磁
场就完全透入超导体 中，材料也恢复正常
温度
。
超导态向正常态的转变无任何中间态。
正常 磁场
第Ⅱ类超导材料
存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），
由于n区的电子向p区扩散， p区的空穴向p区扩散，在p 型半导体和n型半导体的交 界面附近产生了一个电场 , 称为内电场。
p型
n型
p-n结
导带 禁带 满带
p-n结的单向导电性
在p-n结的p型区接电源 正极，n区接负极
I
p型 n型
阻挡层势垒被削弱、 变窄，有利于空穴向 n区运动，电子向p区 运动，形成正向电流 。
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。
例激光手术刀 （不需开胸，不住院）
照明束：照亮视场
纤维镜激光光纤： 主动脉 成象
臂动脉
冠状动脉 有源纤维强激光：
使堵塞物熔化
内窥镜
附属通道：
附属通道 有源纤维 套环
（可注入气或液） 排除残物以明视线
照明束 纤维镜
无方向性 无饱和性
金属键
有明显方向性 有饱和性
晶体 特性
熔点低、硬度低、 导电性差
具有导电性、导 热性、金属光泽
二、固体的能带 1、电子共有化
单个原子 晶体中周期性势场
两个原子
由于晶体中原子的周期 性排列而使价电子不再 为单个原子所有的现象 ，称为电子的共有化。
2、能带的形成
电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的 电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系 列和原来能级很接近的新能级，形成能带。
基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同 ，空间相干性最好。
二、激光器 工作物质：具有亚稳态能级结构 光学谐振腔：维持光振荡 激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光 He-Ne 气体激光器
Å
碰撞转移 电子碰撞
He、Ne原子部分能级图
三、激光的特性 1、单色性好 单色性较好的普通光 He-Ne激光器发出的红光 2、方向性好
光敏电阻 在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急 剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。
温差电偶 将两种不同的半导体组成回路，两个接头处于不同 温度，回路中将产生温差电动势。
电流 n型
热端
冷端 负载
p型 电流
电势差增加，半导体内 电场也增强，阻止载流 子扩散，最后达到平衡 。
18-2 激光原理
2、粒子数反转 激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激
辐射超过吸收和自发辐射
根据玻尔兹曼 能量分布律
热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有
高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件：h=E2-E1
随机过程，用概率描述 N2——t时刻处于能级E2上的原子数 ——单位时间内从高能级自发跃迁到 低能级的原子数
A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子 在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率
自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、 偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光 是非相干光。
新技术的物理基础
18-1 固体的能带理论
固体指具有确定形状和体积的物体。 分为：晶体、非晶体和准晶体 一、晶体结构和晶体分类
1、晶体结构 外观上：具有规则的几何形状 微观上：晶体点阵（晶格）
基本特征：规则排列，表现出长程有序性 晶体中的重复单元称为晶胞
立方
体心 立方
面心 立方
晶胞
晶体 组成
结合力
的一个电子跃迁到空带后,满带 中出现的空位）
1、 n型半导体 在四价元素中掺入少量五价元素，形成n型半导体。
Si Si Si Si
Si P
Si Si
导带 施主 能级
满带
2、 p型半导体 在四价元素中掺入少量三价元素，形成p型半导体。
Si Si Si Si
Si B
Si Si
Hale Waihona Puke 导带受主 能级 满带3、p-n结的形成
谐
振
腔
全反射镜
（100%反射镜）
基 态
辐射的光的位相、 偏振状态、频率、 传播方向是随机的 。
输出
部分透光反射镜 （98%反射）
光
学