直接和间接带隙半导体 ppt课件
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半导体激光器原理PPT课件
适合做有源区发光材料
态的
（如GaAs，InP，AlGaInAs） 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收
和发
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半导体异质结
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
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异质结对光场的限制作用
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半导体激光器的材料选择
3 PECVD 生长 SiO2， 填充聚酰亚胺
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VCSEL 芯片制造
4 欧姆接触
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感谢您的观看！
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VCSEL 的优点 ●易于实现二维平面和光电集成； ●圆形光束易于实现与光纤的有效耦合； ●有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流； ●芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验； ●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作； ● 成品率高、价格低。
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F-P腔激光器
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DFB激光器
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DFB-LD与DBR-LD
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F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
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DFB-LD的增益与损耗
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工作特性
1.阈值电流 Ith
影响阈值电流的因素： 1. 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 2. 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 3. 解理面、镀膜 4. 电场和光场的限制水平 5. 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子效率降低，这些都会
直接带隙半导体和间接带隙半导体吸收
称为Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ 效应． ＧａＡｓ 例子（右）
见图 ５．２： Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ， Ｖ． ａｎｄ Ｍａｃｒａｎｄｅｒ， Ａ．Ｔ．， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＧａＡｓ ａｎｄ ＩｎＰ Ｂａｓｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎ．Ｊ．： Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， １９９１． Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ９
Ｒ（λ） 为交界处的反射系数。在涉及Ｒ（λ）之前，我们先讨论α（λ）．
Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ２
半导体的吸收 – 能级系统 我们将着眼于体系统和量子阱系统的能级跃迁
Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｓｌｉｄｅ ３
半导体的吸收 － ０ Ｋ附近的激子吸收
在超低温下观察到的结构 光谱的吸收峰是 在超低温、 少量光子的 条件下获得的。 （图像原稿删除） 注意电子－空穴对 吸收光谱里陡峭 的上升沿， 对照比较忽略激子 吸收的ｂｕｌｋ ｔｈｅｏｒｙ结果 （图中虚线表示）
半导体吸收 －自由载流子（空穴）吸收
价带自由载流子吸收
注意：电子的自由载流子 吸收光谱有一个简单的λ２关系， 而对于空穴自由载流子的
吸收光谱，由于多重价带
的影响， 变得非常复杂，
在价带和价带的共振处 （图删除）
存在峰值。
见图 ５．１０： Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ， Ｖ． ａｎｄ Ｍａｃｒａｎｄｅｒ， Ａ．Ｔ．， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＧａＡｓ ａｎｄ ＩｎＰ Ｂａｓｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎ．Ｊ．： Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， １９９１． Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ １２ Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３
直接和间接带隙半导体课件
14
主要半导体器件所用材料及原理
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15
展望
微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
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16
半导体发展趋势
硅在可预见的将来依然是主要元素 化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到进一步
的发展，重点将是GaAs、InP、GaN等 大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将得到进
直接和间接带隙半导体
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1
主要内容
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
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2
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电 阻温度系数的物质称为半导体,换句话说半导体是导 电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
一步的发展 低维结构材料进一步发展 相关检测技术发展
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17
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进的 原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一直 是人们关注的重点。
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6
本征光的吸收
半导体吸收光子使电子由价带激发到导带，形成 电子-空穴对的过程就叫本征光吸收。
光子能量满足的条件是：
准动量守恒条件是：
h Eg
hkrhkrp rphoton
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两种跃迁方式
1.竖直跃迁（直接光吸收过程） 对应于导带底和价带顶在k空间相同点的情况
能量守恒： Eg h
对应于导带边和价带边在k空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子
直接和间接带隙半导体
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介 于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能 量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
半导体的能带分布结构
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
展望
微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
半导体发展趋势
硅在可预见的将来依然是主要元素 化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到
进一步的发展，重点将是GaAs、InP、GaN等 大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将
得到进一步的发展 低维结构材料进一步发展 相关检测技术发展
直接和间接带隙半导体
主要内容
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进的 原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一直 是人们关注的重点。
从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了 笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然 而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领 域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为 代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子 领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信 和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、DVD 和多媒体技术的飞速发展。
半导体的能带分布结构
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
展望
微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
半导体发展趋势
硅在可预见的将来依然是主要元素 化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到
进一步的发展，重点将是GaAs、InP、GaN等 大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将
得到进一步的发展 低维结构材料进一步发展 相关检测技术发展
直接和间接带隙半导体
主要内容
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进的 原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一直 是人们关注的重点。
从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了 笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然 而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领 域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为 代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子 领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信 和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、DVD 和多媒体技术的飞速发展。
第1章半导体材料 83页PPT文档
CuCr2S3C
稀土氧、硫、硒、碲化合物 EuO EEuS EuSe EuTe
非晶态 半导体
有机 半导体
元素 化合物 芳香族化合物 电荷移动络合物
Ge Si Te Se GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te 多环芳香族化合物
元素半导体
具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其 是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都 是用硅材料制作的。
n为导带电子浓度，N＋d为电离施主浓度，p价带上空穴浓度
nNd p
Nd为电离施主浓度
把n、p代入电中性方程得：
Nd
Nd
12expEF
Ed
kBT
N cex (E p k cB T E F ) 1 2 eN x E dFp E dN vex (E p k F B T E v) kB T
二元化合物半导体
它们由两种元素 组成，主要是有 III-V族化合物半 导体、II-VI族化 合物半导体、IVVI族化合物半导 体、II-IV族化合 物半导体，铅化 合物及氧化物半 导体等。
三元化合物半导体
以A1GaAs相GaAsP为代表的二元化合物半导 体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；
利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表 明InP是制作转移器件的更好半导体材料。
2. n型和p型半导体
半导体掺杂——改变半导体的性质、载流子类型……
人工掺杂——半导体材料设计——器件……
掺杂工艺——扩散、离子注入……
掺杂种类：
施主掺杂（n型）——高价元素掺杂，杂质原子提供的价 电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导 带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。
直接带隙半导体和间接带隙
直接带隙半导体和间接带隙
在半导体材料的研究中，直接带隙半导体和间接带隙半导体是两个重要的概念。
这两种半导体材料在能带结构上存在显著的区别，影响着它们在电子器件中的应用和性能。
直接带隙半导体
直接带隙半导体是指其导带和价带在动量空间中有明显重叠的半导体材料。
这
种材料的能带结构使得电子在吸收能量时可以直接跨越能带间隙而发生光电子转换。
因此，直接带隙半导体在光电器件中具有优势，如光伏电池和激光器。
硅(Si)是一种经典的直接带隙半导体，其能带结构使得硅在光伏电池中有着广
泛的应用。
当硅受到光照时，电子可以被激发到导带中，进而产生电流。
这种原理是目前太阳能电池的基本工作原理。
间接带隙半导体
相比之下，间接带隙半导体的导带和价带在动量空间中没有重叠，电子在从价
带跃迁至导带时必须通过晶格振动等间接过程。
这导致了电子和空穴之间能量转移的低效率，通常间接带隙半导体的光电转换效率较低。
常见的间接带隙半导体包括锗(Ge)和硒化镉(CdSe)等材料。
虽然间接带隙半导
体在光电转换方面的效率较低，但在一些特定的应用领域，如红外探测器方面，仍然具有重要意义。
总的来说，直接带隙半导体和间接带隙半导体在能带结构和光电性质上存在显
著差异。
对于光电器件的选择和应用，需要根据具体的要求和性能需求来选取合适的半导体材料，以实现最佳的功能和性能表现。
半导体能带结构ppt课件
EEF
fB(E) e
k0T 波尔兹曼分布函
整理版课件
19
服从Boltzmann分布的电子系统 非简并系统
相应的半导体 非简并半导体
服从Fermi分布的电子系统
简并系统
相应的半导体
简并半导体
整理版课件
20
导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 本征载流子的产生：
整理版课件
21
单位体积的电子数n0和空穴数p0：
应用：
制作复合发光的发光器件（一般要用直接带隙半导体。发光
的颜色取决于半导体的带隙宽度）．
整理版课件
6
三、杂质和缺陷能级
在实际的半导体材料中,总是不可避免地存在有杂质和各 种类型的缺陷.特别是在半导体的研究和应用中,常常有意识 的加入适当的杂质.这些杂质和缺陷产生的附加势场,有可能 使电子和空穴束缚在杂质和缺陷的周围,产生局域化的电子态, 在禁带中引入相应的杂质和缺陷能级.
4
但是声子能量是较小的，数量级为百分之几电子伏以下，因此 近似的有
电子能量差 ＝ 光子能量 而准动量守恒的跃迁选择定则为
其中ħq 为声子的准动量，它与能带中电子的准动量相仿，略去光子 动量，有
结论： （１）在非竖直跃迁中，光子主要提供跃迁所需要的 能量，而声子则主要提供跃迁所需要的准动量
（２）与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级
央较明显,如锑化铟,mdp/mdn=32,而Eg=0.18ev,
室温下,本征费米整理能版课级件 移至导带.
28
一般温度下，Si、Ge、GaAs等本征半导体的 EF近似在禁带中央Ei，只有温度较高时，EF 才会偏离Ei。
整理版课件
29
将本征费米能级的公式代入(2)(3)式即得到：
直接和间接带隙半导体
直接和间接带隙半导体在半导体物理学中，带隙是指电价带和导带之间的能量差。
半导体中的电子在导带中可以自由移动，而在电价带中则处于束缚状态。
因此，带隙大小对半导体电子性能有着重要影响。
根据电子在能量分布上的特点，半导体可以分为直接带隙半导体和间接带隙半导体两种类型。
直接带隙半导体直接带隙半导体是指电子的最高能量状态和最低能量状态在空间上非常接近，并且在k空间中也非常接近。
这会导致光子一旦与材料相互作用，就能够直接激发电子，使其从价带跃迁到导带，从而发生电子导电。
一些代表性的直接带隙半导体材料包括：硅(Si)、锗(Ge)、镓砷化物(GaAs)和铟磷化物(InP)等。
它们在电子器件中的应用非常广泛，例如太阳能电池、发光二极管(LED)、激光器和集成电路等。
间接带隙半导体而间接带隙半导体则是指电子的最高能量状态和最低能量状态在空间、k空间上相距较远。
因此，电子在跃迁过程中需要吸收或放出较大的额外能量才能完成跃迁，这使得它们的光学性能较差。
常见的间接带隙半导体材料包括：硫化铜(Cu2S)、硫化银(Ag2S)、氧化硅(SiO2)和硝化硅(Si3N4)等。
由于它们的光学性能不佳，因此在光学器件中的应用较少，但仍有一些重要的应用，例如热敏电阻器和压电陶瓷等。
直接带隙半导体和间接带隙半导体的主要区别在于它们电子能带结构中的最高能量状态和最低能量状态的位置。
具体而言，直接带隙半导体中电子跃迁容易，而间接带隙半导体中电子跃迁需要吸收或放出额外的能量。
这两种半导体材料都有其特殊的应用领域，因此了解它们的差异有助于我们更好地理解半导体的性能和应用。
直接带隙半导体和间接带隙半导体吸收
６．７７２／ＳＭＡ５１１１ – 化合物半导体 第１５讲 － 光学过程 – 概要 吸收过程
能带到能带体效应： 间接能隙， 直接能隙， 电子空穴对 量子阱： 能带间，能带内：选择定则 杂质吸收 自由载流子吸收 光发射 （体半导体中光的产生） 复合过程
能带到能带 （直接与间接） 经由中间能隙 Ａｕｇｅｒ 受激 辐射跃迁和非辐射跃迁（辐射效率） 自发辐射和受激辐射 折射和衍射 定向和传导光 （第１６讲重点）
半导体的吸收 － ０ Ｋ附近的激子吸收
在超低温下观察到的结构 光谱的吸收峰是 在超低温、 少量光子的 条件下获得的。 （图像原稿删除） 注意电子－空穴对 吸收光谱里陡峭 的上升沿， 对照比较忽略激子 吸收的ｂｕｌｋ ｔｈｅｏｒｙ结果 （图中虚线表示）
称为Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ 效应． ＧａＡｓ 例子（右）
见图 ５．２： Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ， Ｖ． ａｎｄ Ｍａｃｒａｎｄｅｒ， Ａ．Ｔ．， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＧａＡｓ ａｎｄ ＩｎＰ Ｂａｓｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎ．Ｊ．： Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， １９９１． Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ９
半导体的吸收 －能带到能带
直接带隙：直接带隙吸收只有一个电子和一个光子参与。单电子理 论（忽略电子孔穴对的产生）告诉我们，直接带隙吸收的吸收系数 与超出能带边界的能量的平方根有关：
间接带隙：间接带隙吸收除了一个光子，还需要吸收或者发射一个 声子。 这种情况下，根据单电子理论，直接带隙吸收的吸收系数随能量的 平方根变化而变化：
Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ４
能带到能带体效应： 间接能隙， 直接能隙， 电子空穴对 量子阱： 能带间，能带内：选择定则 杂质吸收 自由载流子吸收 光发射 （体半导体中光的产生） 复合过程
能带到能带 （直接与间接） 经由中间能隙 Ａｕｇｅｒ 受激 辐射跃迁和非辐射跃迁（辐射效率） 自发辐射和受激辐射 折射和衍射 定向和传导光 （第１６讲重点）
半导体的吸收 － ０ Ｋ附近的激子吸收
在超低温下观察到的结构 光谱的吸收峰是 在超低温、 少量光子的 条件下获得的。 （图像原稿删除） 注意电子－空穴对 吸收光谱里陡峭 的上升沿， 对照比较忽略激子 吸收的ｂｕｌｋ ｔｈｅｏｒｙ结果 （图中虚线表示）
称为Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ 效应． ＧａＡｓ 例子（右）
见图 ５．２： Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ， Ｖ． ａｎｄ Ｍａｃｒａｎｄｅｒ， Ａ．Ｔ．， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ＧａＡｓ ａｎｄ ＩｎＰ Ｂａｓｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎ．Ｊ．： Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ， １９９１． Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ９
半导体的吸收 －能带到能带
直接带隙：直接带隙吸收只有一个电子和一个光子参与。单电子理 论（忽略电子孔穴对的产生）告诉我们，直接带隙吸收的吸收系数 与超出能带边界的能量的平方根有关：
间接带隙：间接带隙吸收除了一个光子，还需要吸收或者发射一个 声子。 这种情况下，根据单电子理论，直接带隙吸收的吸收系数随能量的 平方根变化而变化：
Ｃ． Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ， ４／０３ Ｌｅｃｔｕｒｅ １５ － Ｓｌｉｄｅ ４
直接和间接带隙半导体ppt课件
间接带隙半导体是一类特殊的半导体材料，其导带边和价带边在K空间处于同的点。这种半导体中的电子在发生跃迁时，不仅需要吸收相应的能量，还必须改变其动量。这一特性使得间接带隙半导体中的电子跃迁过程相较于直接带隙半导体更为复杂。在间接带隙半导体中，电子从价带跃迁至导带的过程通常伴随着声子的吸收或发射，这是因为电子在跃迁过程中需要满足能量守恒和动量守恒的原理。由于这种非竖直跃迁的方式，间接带隙半导体中电子跃迁的几率通常要小于直接带隙半导体中的竖直跃迁。此外，间接带隙半导体在电子跃迁过程中，有较大的可能性将能量以声子的形式释放给晶格，进而转化为热能。这也是间接带隙半导体与直接带隙半导体在能量转化方面的一个重要区别。总的来说，间接带隙半导体的这些特性使其在电子器件和光电器件等领域具有独特的应用价值。
直接和间接带隙半导体
对应于导带边和价带边在K空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子 在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。 Ek 满足能量守恒： 声子的能量 ~ kBD ~ 102 eV ,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k ' k p photon q 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的 动量，我们有 k ' k q 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量 Ek k ' k q
半导体发展展望
需要同学们来引领！！未来在你我手中，任务 十分艰巨！ 如何带动半导体的发展？ 首先要把固体物理学好。 其次是将固体物理应用于到工业中去。
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
半导体的导电性
材料的导电性是由“导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带” （valence band）获得能量而跳跃至“导带”时， 电子就可以在带间任意移动而导电。 常见的金属材料其导电带与价电带之间的 “能量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能 量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙 很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导 电带，所以无法导电。 一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特， 介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的 能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导 电。
半导体应用
半导体器件 光学窗口、透镜等
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子 在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。 Ek 满足能量守恒： 声子的能量 ~ kBD ~ 102 eV ,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k ' k p photon q 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的 动量，我们有 k ' k q 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量 Ek k ' k q
半导体发展展望
需要同学们来引领！！未来在你我手中，任务 十分艰巨！ 如何带动半导体的发展？ 首先要把固体物理学好。 其次是将固体物理应用于到工业中去。
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
半导体的导电性
材料的导电性是由“导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带” （valence band）获得能量而跳跃至“导带”时， 电子就可以在带间任意移动而导电。 常见的金属材料其导电带与价电带之间的 “能量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能 量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙 很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导 电带，所以无法导电。 一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特， 介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的 能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导 电。
半导体应用
半导体器件 光学窗口、透镜等
直接和间接带隙半导体
对应于导带边和价带边在K空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子 在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。 Ek 满足能量守恒： 声子的能量 ~ kBD ~ 102 eV ,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k ' k p photon q 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的 动量，我们有 k ' k q 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量 Ek k ' k q
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进 的原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一 直是人们关注的重点。 从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了 笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然 而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领 域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为 代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子 领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信 和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、 DVD和多媒体技术的飞速发展。 第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓(GaN)材料p型掺杂的突破为起点 ，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志， 包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化锌(Zn0)等宽禁带材料。具有强度大，耐高 温、耐缺陷、不易退化等优点。
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子 在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。 Ek 满足能量守恒： 声子的能量 ~ kBD ~ 102 eV ,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k ' k p photon q 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的 动量，我们有 k ' k q 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量 Ek k ' k q
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进 的原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一 直是人们关注的重点。 从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了 笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然 而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领 域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为 代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子 领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信 和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、 DVD和多媒体技术的飞速发展。 第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓(GaN)材料p型掺杂的突破为起点 ，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志， 包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化锌(Zn0)等宽禁带材料。具有强度大，耐高 温、耐缺陷、不易退化等优点。
什么是半导体
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
直接和间接带隙半导体
半导体的发展历史
21世纪是信息技术的世纪，而半导体材料的发展则是推动信息时代前进 的原动力，作为现代高科技的核心，半导体材料的研究和新材料的开发一 直是人们关注的重点。 从上世纪五十年代开始，以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了 笨重的电子管引发了以集成电路(IC)为核心的微电子领域的迅速发展。然 而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领 域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，所以，以砷化镓(GaAs)为 代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子 领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。它们在光通信 和光信息处理等领域起到了不可替代的作用，并由此带来家用VCD、 DVD和多媒体技术的飞速发展。 第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓(GaN)材料p型掺杂的突破为起点 ，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志， 包括GaN、碳化硅(SiC)和氧化锌(Zn0)等宽禁带材料。具有强度大，耐高 温、耐缺陷、不易退化等优点。
半导体的能带分布结构
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
什么是带隙？
带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）
导带边和价带边处于k空间不同点的半导体通 常被称为间接带隙半导体。形成半满能带不只 需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体：Ge,Si等 在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个 二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多
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间接跃迁型，导带的电子需要动量与价带空穴复 合。因此难以产生基于再结合的发光。想让间接 带隙材料发光，可以采用掺杂引入发光体，将能 量引入发光体使其发光（提高发光效率）。
15
半导体应用
2020/11/13
半导体器件
光学窗口、透镜等
集成电路
分立器件
混
GaAs
Si
合
集
集
集
成
成 电 路
电 路
成 电 路
晶晶 体体 二三 极极 管管
7
什么是带隙？
2020/11/13
带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）
8
本征光的吸收
2020/11/13
半导体吸收光子使电子由价带激发到导带， 形成电子-空穴对的过程就叫本征光吸收。
光子能量满足的条件是：
准动量守恒条件是：
Eg
kkpp h o to n
9
两种跃迁方式
2020/11/13
直接带隙半导体的例子：GaAs、InP、InSb等。
12
2020/11/13
间接带隙半导体 In English？ Indirect gap semiconductor
导带边和价带边处于k空间不同点的半导体通 常被称为间接带隙半导体。形成半满能带不只 需要吸收能量，还要改变动量。
间接带隙半导体：Ge,Si等 在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个
14
间接带隙半导体的重要性质
2020/11/13
简单点说，从能带图谱可以看出，间接带隙半导 体中的电子在跃迁时K值会发生变化，这意味着 电子跃迁前后在K空间的位置不一样了，这样会
极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变 成热能释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只 有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几 率将能量以光子的形式释放出来。另一方面,对于
2020/11/13
动量，我们有 k'kq 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量
Ek
k'kq
11
2020/11/13
直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）
导带边和价带边处于k空间相同点的半导体通 常被称为直接带隙半导体。电子要跃迁到导带 上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只 需要吸收能量。
二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多
13
直接带隙半导体的重要性质源自2020/11/13直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时， 电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着 电子在跃迁过程中，动量可保持不变——满足动量守恒定 律。相反，如果导带电子下落到价带（即电子与空穴复合） 时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子与空穴只 要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。 因此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时， 这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（因为 没有声子参与，故也没有把能量交给晶体原子）——发光 效率高（这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导 体来制作的根本原因）。
2020/11/13
直接和间接带隙半导体
1
主要内容
2020/11/13
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
5
2020/11/13
半导体的导电性
材料的导电性是由“导带”（conduction band） 中含有的电子数量决定。当电子从“价带” （valence band）获得能量而跳跃至“导带”时，电 子就可以在带间任意移动而导电。
常见的金属材料其导电带与价电带之间的“能 量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而 跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大 （通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带， 所以无法导电。
1.竖直跃迁（直接光吸收过程） 对应于导带底和价带顶在k空间相同点的情况
能量守恒： Eg
跃迁需满足准动量守恒 k'kpp h o to n 光子的波矢 2π/ λ ~104cm-1 价带顶部电子的波矢2π/a~108cm-1 因此可以忽略光子动量， k' k 在此次跃迁中，电子的波矢可以看作是不变的。我们称之为竖直跃 迁，这种半导体我们称之为直接带隙半导体。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介 于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能 量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
6
半导体的能带分布结构
2020/11/13
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
什么是半导体
2020/11/13
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
发 激 电电能敏
光 光 子子量感
二 管 电转转元
级
力换换件
管
器器器
件件件
双 极 型 电 路
路半金 导属 体氧 型化 电物
路双 极 电
MOS
16
2020/11/13
主要半导体器件所用材料及原理
17
展望
2020/11/13
微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
18
半导体发展趋势
10
2.非竖直跃迁（间接光吸收过程） 2020/11/13
对应于导带边和价带边在k空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子
在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。
满足能量守恒：Ek
声子的能量 ~kB D~1 0 2eV,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k 'k p p h o to nq 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的
15
半导体应用
2020/11/13
半导体器件
光学窗口、透镜等
集成电路
分立器件
混
GaAs
Si
合
集
集
集
成
成 电 路
电 路
成 电 路
晶晶 体体 二三 极极 管管
7
什么是带隙？
2020/11/13
带隙就是导带的最低点和价带的最高点的能量之差（Eg）
8
本征光的吸收
2020/11/13
半导体吸收光子使电子由价带激发到导带， 形成电子-空穴对的过程就叫本征光吸收。
光子能量满足的条件是：
准动量守恒条件是：
Eg
kkpp h o to n
9
两种跃迁方式
2020/11/13
直接带隙半导体的例子：GaAs、InP、InSb等。
12
2020/11/13
间接带隙半导体 In English？ Indirect gap semiconductor
导带边和价带边处于k空间不同点的半导体通 常被称为间接带隙半导体。形成半满能带不只 需要吸收能量，还要改变动量。
间接带隙半导体：Ge,Si等 在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个
14
间接带隙半导体的重要性质
2020/11/13
简单点说，从能带图谱可以看出，间接带隙半导 体中的电子在跃迁时K值会发生变化，这意味着 电子跃迁前后在K空间的位置不一样了，这样会
极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变 成热能释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只 有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几 率将能量以光子的形式释放出来。另一方面,对于
2020/11/13
动量，我们有 k'kq 即光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需要的动量
Ek
k'kq
11
2020/11/13
直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）
导带边和价带边处于k空间相同点的半导体通 常被称为直接带隙半导体。电子要跃迁到导带 上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只 需要吸收能量。
二级过程，发生的几率比竖直跃迁要小得多
13
直接带隙半导体的重要性质源自2020/11/13直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时， 电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着 电子在跃迁过程中，动量可保持不变——满足动量守恒定 律。相反，如果导带电子下落到价带（即电子与空穴复合） 时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子与空穴只 要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。 因此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时， 这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（因为 没有声子参与，故也没有把能量交给晶体原子）——发光 效率高（这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导 体来制作的根本原因）。
2020/11/13
直接和间接带隙半导体
1
主要内容
2020/11/13
半导体定义及其性质 什么是带隙 直接带隙和间接带隙半导体的性质、区别 半导体的应用 半导体的发展趋势
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
5
2020/11/13
半导体的导电性
材料的导电性是由“导带”（conduction band） 中含有的电子数量决定。当电子从“价带” （valence band）获得能量而跳跃至“导带”时，电 子就可以在带间任意移动而导电。
常见的金属材料其导电带与价电带之间的“能 量间隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而 跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大 （通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带， 所以无法导电。
1.竖直跃迁（直接光吸收过程） 对应于导带底和价带顶在k空间相同点的情况
能量守恒： Eg
跃迁需满足准动量守恒 k'kpp h o to n 光子的波矢 2π/ λ ~104cm-1 价带顶部电子的波矢2π/a~108cm-1 因此可以忽略光子动量， k' k 在此次跃迁中，电子的波矢可以看作是不变的。我们称之为竖直跃 迁，这种半导体我们称之为直接带隙半导体。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介 于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能 量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
6
半导体的能带分布结构
2020/11/13
根据能带理论，电子主要分布在满价带，当半导体受到温度影 响时，满价带的电子会被激发到导带上，在价带上留下空轨道， 这些空轨道就是空穴。温度越高，电子被激发到空导带的概率 越大。导带上的电子和价带上的空穴决定了半导体的导电能力。
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
什么是半导体
2020/11/13
半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质称为半导体,换句话 说半导体是导电性可受控制，范围可从绝缘 体至导体之间的材料。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等， 而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上 最具有影响力的一种。
发 激 电电能敏
光 光 子子量感
二 管 电转转元
级
力换换件
管
器器器
件件件
双 极 型 电 路
路半金 导属 体氧 型化 电物
路双 极 电
MOS
16
2020/11/13
主要半导体器件所用材料及原理
17
展望
2020/11/13
微电子学、光电子学 军事应用 新技术、新材料、新结构、新现象
18
半导体发展趋势
10
2.非竖直跃迁（间接光吸收过程） 2020/11/13
对应于导带边和价带边在k空间不同点的情况
由上图可以看出，单纯吸收光子从价带顶跃迁到导带底，电子
在吸收光子的同时伴随着吸收或者发出一个声子。
满足能量守恒：Ek
声子的能量 ~kB D~1 0 2eV,可忽略不计，所以 Ek 准动量守恒： k 'k p p h o to nq 声子的准动量和电子的准动量数量相仿，同样的，不计光子的