半导体光电子学第一章讲解
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半导体光电子技术第一章
能带
布洛赫定理
v) =e ikv .rvuk (r ) v k (r
薛定谔方程（波动方程）
2 V [h 2 + (r )](r ) =E (r )(r ) 2m
(1)
而uk (k)必须同时具有晶体周期性
v v
求导后有
2
v
h (1+ ) 2 +V (r )]uk (r ) =E (r )uk (r ) (2) [ k 2m i
在纯净的半导体中掺入杂质，杂质电离 后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的 导电能力。通常把主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在n型半导体中： 电子浓度n>>空穴浓度p
电子是多数载流子，简称多子; 空穴是少数载流子，简称少子。
受主杂质、受主能级
下面讨论硅中掺硼(B)的情况：
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层 之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳 层交叠较少。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去， 因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共 有化运动。
电子只能在相似壳层间转移； 最外层电子的共有化运动最显著；
当价带顶部的一些电子被激发到导带后，价带中就留 下了一些空状态。相当于在下图中的共价键上缺少一个 电子而出现一个空位。在晶格间隙出现一个导电电子。 根据电中性的要求，可以认为这个空状态带有正电荷。
因为价带带有空状态后，就会 有电流，而价带电子的总电 流，就如同一个带正电荷的粒 子运动时所产生的电流。因 此，通常把价带中空着的状态 看成是带正电的粒子，称为空 穴。引入这样一个假想的粒子--- 空穴后，便可以把价带中大 量电子对电流的贡献用少量空 穴表达出来。
半导体物理基础第一章课件
42
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 2、P型半导体
• 在杂质饱和电离的温度范围内有：p N a • 导带电子浓度为： n ni2 ni2
p Na
• 费米能级为
EF
EV
KT ln
NV Na
EF
Ei
KT
ln
Na ni
43
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离 温度范围之内，费米能级位于价带顶之上， 本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高， 费米能级接近价带顶；随着温度升高，费 米能级远离价带顶。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
22
1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
23
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
NV
2 2mdp KT
h3
3 2
• 称为价带有效状态密度
34
1.7.3能带中电子和空穴的浓度
• 导带电子浓度和价带空穴浓度之积
Eg
np Nc NV e KT • 式 把中它E写g为成禁经带验宽关度系。式与E温g 度有E关g0 ， 可T以
• 其 时中的Eg值为。禁带宽度温度系数，Eg0为0K
Chap1 半导体物理基础
1
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 2、P型半导体
• 在杂质饱和电离的温度范围内有：p N a • 导带电子浓度为： n ni2 ni2
p Na
• 费米能级为
EF
EV
KT ln
NV Na
EF
Ei
KT
ln
Na ni
43
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离 温度范围之内，费米能级位于价带顶之上， 本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高， 费米能级接近价带顶；随着温度升高，费 米能级远离价带顶。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
22
1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
23
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
NV
2 2mdp KT
h3
3 2
• 称为价带有效状态密度
34
1.7.3能带中电子和空穴的浓度
• 导带电子浓度和价带空穴浓度之积
Eg
np Nc NV e KT • 式 把中它E写g为成禁经带验宽关度系。式与E温g 度有E关g0 ， 可T以
• 其 时中的Eg值为。禁带宽度温度系数，Eg0为0K
Chap1 半导体物理基础
1
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
半导体基础知识PPT幻灯片课件
流为Izmax 。
i
I zmax
U ZW RL
25mA
1.2ui iR U zW 25R 10
——方程1
(1-37)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
i
iL
R
ui
DZ
iZRL uo
i
I
zm in
U ZW RL
10mA
0.8ui iR U zW 10R 10
在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
(1-9)
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
(1-10)
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
(1-43)
1.4.2 电流放大原理
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少部入分P区与R的B基电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
P
IBE
N
E IE
发射结正 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极
电流EICE。
(1-44)
集电结反偏， 有少子形成的
半导体光电子学第一章
碰撞加宽
无规则运动状态的分子由于相互之间的碰撞引起的谱线加宽。
非均匀加宽
每一个发光粒子所发的光只对谱线内某些确定的频率才有贡献，各种不同的粒子对线型函数中的不同频率各有贡献，
因此各种发光粒子的作用是不并度。如果一个能级只有一个量子态，该能级称为非简并的。
（3）．费密分布律
（4）．玻色分布律
对不满足泡里不相容原理的粒子(如光子、介子等)按能量分布的规律
３、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式；
热辐射（温度辐射）：
任何物体的温度在高于绝对零度时都能产生辐射。
朗伯体：
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。
有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 公式一
式中I0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为 余弦辐射体 或 朗伯体 。
余弦辐射体的辐射亮度为 公式二
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。
视见函数：P15
第一章 光与物质相互作用基础
基本概念与名词解释
１、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等；
（1） 相体积（相格）:
a在相空间体积元h3内的各点，物理上是不能分开的，因而属于同一状态；
b光子所能被分辨的最小尺度；
c一个相格代表一种光子的量子态；
备注：光子的一种状态对应的相空间体积元h3
（2） 光子简并度
简并：一个相格代表一种光子的量子态，但光子与电子不同，
可以有多个光子处于同一种量子态上，这种现象称为简并；
光子简并度：处于同一量子态的平均光子数目。
２、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率；
无规则运动状态的分子由于相互之间的碰撞引起的谱线加宽。
非均匀加宽
每一个发光粒子所发的光只对谱线内某些确定的频率才有贡献，各种不同的粒子对线型函数中的不同频率各有贡献，
因此各种发光粒子的作用是不并度。如果一个能级只有一个量子态，该能级称为非简并的。
（3）．费密分布律
（4）．玻色分布律
对不满足泡里不相容原理的粒子(如光子、介子等)按能量分布的规律
３、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式；
热辐射（温度辐射）：
任何物体的温度在高于绝对零度时都能产生辐射。
朗伯体：
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。
有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 公式一
式中I0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为 余弦辐射体 或 朗伯体 。
余弦辐射体的辐射亮度为 公式二
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。
视见函数：P15
第一章 光与物质相互作用基础
基本概念与名词解释
１、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等；
（1） 相体积（相格）:
a在相空间体积元h3内的各点，物理上是不能分开的，因而属于同一状态；
b光子所能被分辨的最小尺度；
c一个相格代表一种光子的量子态；
备注：光子的一种状态对应的相空间体积元h3
（2） 光子简并度
简并：一个相格代表一种光子的量子态，但光子与电子不同，
可以有多个光子处于同一种量子态上，这种现象称为简并；
光子简并度：处于同一量子态的平均光子数目。
２、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率；
光电子学第一章
例如： 可见光对应能量：3.1~1.65eV 光通信常用波长（1.3m和1.55m），对应能量为 0.8eV和0.95eV 光盘存储用激光波长650nm，对应能量为1.91eV
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
光电器件基础 第一章 半导体光学基础知识
1.1.3 光电子技术的应用 从光电子技术研究初期开始，人们就不停地探索其应用价值，而且军事应用被优先考
虑，并投入大量的人力、物力、财力。20 世纪 50 年代末，美军将光电探测器用于代号为响 尾蛇的空空导弹，取得了明显的作战效果；之后，美、英、法等国相继开发了中波（3~5μm） 和长波（8~10μm）红外多元探测器组件、红外焦平面阵列等，广泛应用于夜视、侦查、观 瞄、火控、制导等系统；1961 年，第一台激光测距仪问世；70 年代初，美军在对越战争中 用激光制导炸弹一举摧毁了曾用普通炸弹付出很大代价都没有炸毁的一座桥梁，当时还盛 传美军准备在越南战场使用激光致盲武器，谋求取得心理威慑作用。
大多伦多大学等报道了其光计算机研究的重大进展。
21 世纪。我们正在步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、
传输、处理、存储与实现都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展、国防实力的增强
等都更加依赖于信息的广度、深度和速度，而这取决于我们获取、传输、处理和存储信息
的能力与水平。随着现代科学技术的迅速发展，在空间科学、现代防御体系、生命科学、
现在，激光器的波长覆盖了从软 X 射线到远红外的各个波段，峰值功率达到 1014W， 最高平均功率达到兆瓦级，最窄脉宽为 10-16s 量级，最高频率稳定度达到 10-15，调谐范围 从 190nm 到 4μm，同时其结构、工艺日趋成熟，稳定性、可靠性和可操作性显著改进。激 光器尤其是半导体激光器的进步带动了整个光电子技术的研究、开发与应用领域的飞速发 展。光电子技术具有许多优异的性能特征，具有很大的使用价值，概括如图 1.4 所示。
进了相应各学科，特别是半导体光电子学、导波光学和非线性光学的发展和彼此之间的相
互渗透，而且还和数学、物理学、材料学等基础学科交叉，形成新的边缘领域，如半导体
半导体光电子学第1章 半导体中光子-电子的...
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子器件及其应用： ①半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿 命长，应用领域十分广，VCD(780nm)、 CD-ROM、DVD(635nm,650nm)中读取数 据，激光打印、计算机直接印刷、医疗中切 割，内窥镜光源，工业中打孔、焊接、切割， 泵浦源，光纤通信中光发射机的核心、中继 器关键，军事上：测距、红外夜视，激光雷 达，激光制导，激光打靶。（6个方面，日常、 工业、医疗技术的发展及应用
半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光 能与电能相互转换的一门学科。
半导体光电子技术的发展及应用
发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时 候人们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。 上个世纪60年代得到飞速发展，这主要归因于半导 体激光器（LD）的出现。1962年第一台半导体激光 器诞生，是由美国GE公司的霍尔(Hall)研制成的。 这一时期的半导体激光器的特点是：同质结材料， 激光器的阈值电流密度特别高，只能在液氮温度 （77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没有任何实 用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研 制出DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异质结激光器电流密度大大降低，实现 了室温下连续工作，就在同一时间低损耗光纤研制 成功。
在晶格匹配的限制下，x和y的值就不能随便取了。 在与InP材料晶格匹配的限制下，x和y之间有如下关系：
0.4526 y x 0.45 y 1 0.031 y
在这种情况下，带隙为
2 E g in eV 1.35 0.72 y 0.12 y(指无掺杂情况)
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半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子器件及其应用： ①半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿 命长，应用领域十分广，VCD(780nm)、 CD-ROM、DVD(635nm,650nm)中读取数 据，激光打印、计算机直接印刷、医疗中切 割，内窥镜光源，工业中打孔、焊接、切割， 泵浦源，光纤通信中光发射机的核心、中继 器关键，军事上：测距、红外夜视，激光雷 达，激光制导，激光打靶。（6个方面：日常、 工业、医疗、军事、通信、泵浦源等）
半导体光电子学
教师简介
简历（程立文） 2005年吉林大学电子科学与技术本科；2008年中科院长春光机所光电 子学硕士；2012年中科院上海技术物理研究所微电子学与固体电子学博士 2012年到扬大任教 现主要从事研究方向: 光电子器件芯片设计和优化； 教学课程 《专业软件应用》《LED及固态照明》《传感器原理及应用》《光电 子学》 联系方式 E-MAIL：lwcheng@ 办公地点：瘦西湖校区物理楼（57号楼）214
主要内容：
半导体中光子-电子相互作用 异质结及光波导方面的理论 半导体激光器 发光二极管 半导体光探测器 太阳能电池 CCD图象传感器
学习本课程的意义：
就业方向之一：半导体光电子学以半导体 为基础，半导体器件有电子器件和光子器 件。 光电子技术发展迅速。 考研：北京大学、清华大学、北师大、北 邮、华中科技大学、中科院苏州纳米所、 中科院半导体所
发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时 候人们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。 上个世纪60年代得到飞速发展，这主要归因于半导 体激光器（LD）的出现。1962年第一台半导体激光 器诞生，是由美国GE公司的霍尔(Hall)研制成的。 这一时期的半导体激光器的特点是：同质结材料， 激光器的阈值电流密度特别高，只能在液氮温度 （77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没有任何实 用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研 制出DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异质结激光器电流密度大大降低，实现 了室温下连续工作，就在同一时间低损耗光纤研制 成功。
前言：半导体物理基础
参照课件：半导体物理 上海交通大学物理系：半导体第1 章半导体中的电子状态 能带模型： 孤立原子、电子有确定的能级结构。在固体中则不同，由 于原子之间距离很近，相互作用很强，在晶体中电子在理 想的周期势场内作共有化运动 。
原子的内层电子的状态几乎没有变化， 其能量仍是一些分立的能级，然而原子的 外层电子（价电子）的状态发生了很大的 变化，由于共有化运动，外层每个运动轨 道容纳的电子个数增多，由泡利不相容原 理知每个轨道只能容纳自旋方向不同的两 个电子，轨道不够用，轨道对应的能级发 生分裂，由一个变为N(固体中原子的个 数)靠得很近的能级，就形成了一个能带。 这样能级就变成了能带
绪
论
半导体光电子技术的发展及应用 主要内容 学习本课程的意义
参考教材
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光 能与电能相互转换的一门学科。 涉及的学科：量子力学、固体物理、半导体物 理、半导体光电子材料、半导体光电子器件、 光学
半导体光电子技术的发展及应用
学习要求
课堂要求
要求出勤率。 准时到位，迟到者请在后排就坐，迟到10分钟以上免进。勿中途 退场。 可以随时提问、讨论和嘲笑。 要求独立完成作业，抄写作业且还不会者，成绩0分。 平时考核：出勤+作业＋讨论，成绩占30％； 期末考试：闭卷（含实验设计），成绩占70%。
作业要求
考核要求
这两项技术使得光纤通信得以实现，获得飞 速发展。光纤通信的发展对半导体光电子技 术提出了越来越高的要求，因而促进了半导 体光电子学的进一步发展，近三十年是半导 体光电子学发展最快的一个时期，现在它已 经发展成为一门独立的学科，半导体光电子 技术是当今各国广泛关注的高科技领域。半 导体光电子产业是21世纪最有希望的产业。
Wavelength:532nm、Spot mode:TEM00、Operation material:Nd:YVO4+KTP Output power:5mW/10mW/20mW、Line breadth: <0.1nm、Beam diameter:0.2mm Beam divergence:1.2～2.4mrad、Work temperature:10℃～35℃、Preheat time: 10minutes、Life: ≥5000hours
激光中心波长:808nm、940nm、980nm 输出功率:15-50W 光谱线宽：<3nm 或 <5nm 输出方式：自由光输出或光纤输出 波长公差：+/-10 (+/-3)nm 标准寿命：10000小时
②发光二极管（LED-Light Emitting Diode）:低电 压、低功耗、高亮度、寿命远比白炽灯长，响应速度快。 可见光的用作家电、仪器设备的指示灯，七段数字显示、 图形显示、交通指示灯、汽车尾灯，室外大型显示（三 色全了），不可见光的用在遥控器、光通信、传感器中。 ③半导体光探测器：光电成像，自动控制，辐射测量， 弱信号探测，军事上，跟踪、制导、侦察、遥感。 ④太阳能电池：耗电低的产品，如万用表、时钟、电 子计算机（LCD-liquid crystal display）显示的，灯 塔，海上航标灯，人造卫星，家用太阳能热水器。 ⑤CCD图象传感器（固体摄像器件）：传真机、扫描 仪、摄像机、数字照相机中都用到，光谱分析。
参考教材 黄德修.半导体光电子学.电子工业出版社， 2013.01
江剑平.半导体激光器.电子工业出版 社.2000.02
讨论和建议！
第一章 半导体中光子-电子的相互作用
前言：半导体物理基础 1.1 半导体中量子跃迁的特点 1.2 直接带隙与间接带隙跃迁 1.3 光子密度分布 1.4 电子态密度与占据几率 1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系 1.6 半导体中的载流子复合 1.7 增益系数与电流密度的关系 小结