光电信息技术

半导体能带
注意：半导体的能带与绝缘体的能带很相似，只不过价带和导带 之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此，半导体是一种绝 缘体，但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。
半导体分类
•完全纯净和结构完整的半导体称为本征 半导体。 •含有缺陷和杂质的半导体称为非本征半 导体。 •半导体的许多特性是由所含的杂质和缺 陷决定的。
本课程学什么？
•介绍光电检测技术的物理基础、电光信息转 换、光电信息转换和光电测控技术的应用。
课程基本情况：
• 1） 学时：授课32, • 2） 学分：2学分 • 3） 相关课程：电工与电子技术、工程光学等
考核评定方式
平时+报告
报告主题：提出一个运用光电技术的方案； 报告评定原则：根据方案实现功能的新颖 性、可行性、性价比，以及参与讨论时的 情况，从而判定学生创新能力和理解掌握 本课程的程度。 报告方式：每组4-6人，PPT，演讲有加分。
几点要求：
1. 及时和老师沟通，沟通渠道 55271048,changmin@yahoo.cn 2. 有事情提前请假
3. 遵守课堂纪律
第一章：光电信息技术物理基础
§1.1 理论基础 §1.1.1 能带理论 §1.1.2 光电发射效应 §1.1.3 光电导效应 §1.1.4 光伏效应 §1.1.5 热释电效应
金属能带
3p 3s 2p 2s 1s
空 带 半满带
价带内最上面的电子在外 界电场的作用下，可产生 集体运动！
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
图1.1.1-3导体内的能带
钠是良导体
疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于良导体呢？
3p
未满带
能带重叠
3s 2p
半满带
2s 1s
满带 镁 (1s2 2s2 2p6 3s2 ) 晶体能带
结论：实际上由于最高能带可能发生重叠，镁的3S电子可分布在 3S和3P能带中，因此镁应为良导体。对有些物质，它们的 原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一 个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。
半金属能带
3p 3s 2p 2s 1s
结论：绝缘体最上面的价带是满的，同时和下一个空 带之间有几个电子伏特能隙的固体。
绝缘体能带
3p 3s 2p 2s 1s
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
绝缘体能带
图1.1.1-5 绝缘体
半导体的能带
现在考虑这样一种物质，该物质的最高能带 是满的，而且不与下一个全空的能带重叠。
导 带(空) 能隙较小 价 带(满)
1.1.1能带理论 原子中电子的能级
E2激发态 E1激发态 E0基态
2P
原子核
用能级表示电子绕 核运动的运动状态
2S 1S
能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运 动的一种图象。
导体,半导体,绝缘体的区别是什么？各有什么不同的用途？ 导体绝缘体和半导体能带有何异同? 半导体是什么意思? 导体的导电原理 什么是半导体？
能带 重叠
未满带 未满带
满 带
镁 (1s2 2s2 2p6 3s2 ) 晶体能带 3s 电子可分布在 3s 和 3p 能带中
绝缘体的能带
3p 3s 2p 2s 1s
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
现在考虑这样一种物质， 最高能带即价带是满的， 而且不与下一个全空的 能带重叠,如图所示。
绝缘体能带
光电信息技术
光学 Optics （古希腊）
以几何光学和物理光学为基础 ——各种光学 仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、 光谱仪）。
以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）——以 光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、 光探测器、新型光源）。
电子学 Electronics (1910年)
研究电子运动的各种物理过程和物理现 象并加以广泛利用的科学。 研究电波的振荡、传播，电信号的放大、 变换，频率的稳定，混合，检波等等——半 导体微电子学。
能带理论
价带 ：能量最高的被价电子填满 的能带 导带：价带以上的能带基本上是 空的 其中能量最低的能带 禁带：价带与导带之间的区域
导带
禁带
价带
晶体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原子的能带
电子可以在某些整个能带内运动
3p 3s 2p 2s 1s 3s 2p 2s 1s
未填满
填 满 结晶格能带
原子能级
图1.1.1-2 钠原子的能级和结晶格中的能带之比较
什么叫半导体材料?
怎样知道一个物品是导体还是绝缘体? 半导体中的芯片是什么?
半导体的一些电学特性
①压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生 较大的变化． 用途：制成压敏元件，接入电路，测出电 流变化，以确定压力的变化． ②热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升 高而迅速减小． 用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围 内的温度变化．
实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特
性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：
本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体 N型半导体(掺有施主杂质原子，有额外的电子) 杂质半导体 P型半导体(掺有受主杂质原子，有额外的空穴)
多数载流子、少数载流子 载流子：晶体中荷载电流（或传导 电流）的粒子。金属中为电子，半 导体中有两种载流子即电子和空穴。
导体中的能带
3p 3s 2p 2s 1s
空 带 半满带
考虑一种如图所示能带结构的 金属，这种能带结构可能相当 于钠(Z=11)的能级。 又如: Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1) Mg(1S22S22P63S2)
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
结论：具有如图所示那样能带结构的物质应为良导体， 换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未 被完全填满的固体。
光电子学 Opto-electronics (1955)
光学与电子学相结合的产物。将电 子学使用的电磁波频率提高到光频， 产生电子学所不可能产生的许多新功 能。 以前由电子方法实现的任务现在 用光学方法来完成 ——光电子技术。
光子学 Photonics (1970)
关于光子的科学及其应用。描述光子 在信息传输中的应用，包括光子束的产 生、导波、偏转、调制、放大，图象处 理、存储和探测 ”。 激光——光子时代的领衔主角。
思考题：
P型半导体的多数载流子是？N型半导 体的多数载流子是？