技術(shù)

一、有關(guān)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識
     1．能帶
     構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體晶體。在半導(dǎo)體晶體中，電子的運(yùn)動狀態(tài)和單個原子時的情況大不相同，尤其是其外層電子有了明顯的變化，即所謂的“共有化運(yùn)動”。
      量子力學(xué)證明：當(dāng)N個原子相接近形成晶體時，由于共有化運(yùn)動，原來單個原子中每一個允許能級要分裂成 N個與原來能級很接近的新能級。在實(shí)際的晶體中，由于原子數(shù)目N非常大，新能級又與原來能級非常接近，所以兩個新能級間距離很?。ㄏ嗷ラg的能級差為10-22） ，幾乎可把這一段能級看作是連續(xù)的。我們便把這N個能級所具有的能量范圍稱為“能帶”。不同的能帶之間可以有一定的能量間隔，在這個間隔范圍內(nèi)電子不能處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際上形成一個能級禁區(qū)，稱為“禁帶”。此間距用禁帶寬度 Ev來衡量。下圖說明了原子中子軌道、能級及能帶之間的對應(yīng)關(guān)系。

在晶體中，由價電子能級分裂而成的能帶叫做“價帶”，如某一能帶被電子填滿，則稱之為“滿帶”，而在未激發(fā)情況下無電子填入的能帶叫做“空帶’，若價帶中的電子受激而進(jìn)入空帶，則此空帶稱為“導(dǎo)帶”，同時，價帶上由于價電 子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下一些空著的能級稱為“空穴”。 “價帶” 和“導(dǎo)帶”之間是“禁帶”。
       在純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，由于熱運(yùn)動而產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)量很少。這時，半導(dǎo)體是一個不導(dǎo)電的絕緣體。但如果半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，情況就不同了。如四價半導(dǎo)體中摻入五價半導(dǎo)體，就會在導(dǎo)帶下形成雜質(zhì)能級。雜質(zhì)能級上電子很容易轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶上去，這種雜質(zhì)稱為施主。摻施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。而如果我們在四價半導(dǎo)體中摻入三價元素，則會在價帶上方形成受主雜質(zhì)能級，價帶上的電子可跑到受主能級上去，從而在價帶上產(chǎn)生許多空穴。這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。
 2．電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布
    統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出：熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，一個電子占據(jù)能量為E的能級的幾率為

由上式可見，對于某一溫度T，能級E上的電子占據(jù)率唯一地由費(fèi)米能級EF所確定，因此可以把EF視作電子填充能級水平的一把“尺子”。
3.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說明問題，圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。

①在未摻雜質(zhì)的本征型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級居于禁帶中央，導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴是非簡并化分布(圖a)。
②在輕摻雜P型半導(dǎo)體中，受主能級使費(fèi)米能級向下移動(圖b);輕摻雜N型半導(dǎo)體中，施主能級使費(fèi)米能級向上移動(圖d);
③在重?fù)诫sP型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級向下移到價帶中，低于費(fèi)米能級的能帶被電子填滿，高于費(fèi)米能級的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中出現(xiàn)空穴——P型簡并半導(dǎo)體 (圖c);
④在重?fù)诫sN型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級向上移到導(dǎo)帶中，低于費(fèi)米能級的能帶被電子填滿，高于費(fèi)米能級的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中也有自由電子——N型簡并半導(dǎo)體 (圖e);
⑤雙簡并半導(dǎo)體——半導(dǎo)體中存在兩個費(fèi)米能級。 (圖f );
兩個費(fèi)米能級使得導(dǎo)帶中有自由電子；價帶中有空穴。

4.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡并能帶
 (圖a—e )中的情況都只有一個費(fèi)米能級，在它上面沒有有自由電子，在它下面已經(jīng)被電子充滿，不可能發(fā)生電子躍遷，只能將外來光子吸收。(圖f  )中的情況都只有兩費(fèi)米能級，導(dǎo)帶有自由電子，價帶中有空穴，當(dāng)入射光的頻率滿足

時，外來光子會誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的自由電子向價帶空穴躍遷而發(fā)出一個同樣的光子。