半导体光电子学课件23光子密度分布与光子能量分布
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《半导体光电子学》PPT课件
以空穴行为为例14反向抽取负向偏压扩散流漂移流内建电场pn结两端加上一个负向偏压它与内建电场的方向相同因此在pn结边缘处的积累电荷会被抽取出来
半导体光电子学
插图 2010.4.07
地球表面 平均太阳能 4 x1024J/年，或者5 x 1020 J/小时 2001年全球能量的消耗 4x1020J/年
美国
空穴 (positive)
P
平衡态
内建电场
扩散流 漂移流
电子(negative)
N
当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载流 子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场产生 的漂移电流抵消。
正向注入
内建电场
+p
扩散为例)
加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的势垒变窄.。 因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由于复合效应， 少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场
扩散流
P
漂移流
N
_
负向偏压
+ (以空穴行为为例)
PN结两端加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此在PN结边缘处的积 累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载流子就会随着复合 而消失。
感谢下 载
半导体光电子学
插图 2010.4.07
地球表面 平均太阳能 4 x1024J/年，或者5 x 1020 J/小时 2001年全球能量的消耗 4x1020J/年
美国
空穴 (positive)
P
平衡态
内建电场
扩散流 漂移流
电子(negative)
N
当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载流 子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场产生 的漂移电流抵消。
正向注入
内建电场
+p
扩散为例)
加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的势垒变窄.。 因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由于复合效应， 少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场
扩散流
P
漂移流
N
_
负向偏压
+ (以空穴行为为例)
PN结两端加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此在PN结边缘处的积 累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载流子就会随着复合 而消失。
感谢下 载
半导体中光子-电子的相互作用PPT课件
直接带隙跃迁符合k选择定律。
在间接带隙半导体中 ki k f
上式不再相等，为满足选择定则，跃迁过程 一定有声子参与（声子：晶格振动能量的单位， 有能量、动量）。
这时动量守恒可表示为：
(ki kf kpks)0
(ki kf ks)0
E iEf h vs0
正号表示吸收光子、声子，负号表示发射光子、声子。
)
1
kBT
表示在温度T时或能量为 h的状态被光子占据的几率
单位体积内 d
之间的光子数为:
dD()8cn332 ex1ph(ndd)n1d
否有外来光子的参与 。 同一种光电子器件中，有可能同时并存以上两
种甚至三种跃迁过程。
半导体中量子跃迁过程的突出特点：
量子跃迁速率高，光增益系数大。 频响应特性好，量子效率高。 能量转换效率高。 半导体LD比普通LD有更宽的谱线宽度。
1.2 直接带隙与间接带隙跃迁
Ge、Si和GaAs的能带图
（导带）是空带，且禁带宽度比较小，数量级约在 1eV左右。
电子和空穴
半导体由于Eg较小，在室温下，由于热激发或入 射光子吸收，使得价带中一部分电子跃迁到导带中， 一个电子由价带跃迁至导带，就在价带留下一个空量 子状态，可以把它看成是带正电荷的准粒子，称之为 空穴（hole）。这个过程是电子-空穴对的产生，反之 电子由导带跃迁至价带，价带内丢失一个空穴，是电 子空穴对的复合。二者为载流子。
P和As都是5价原子，用P取代一部分As，那么晶 体的结构以及类型不会改变，只是改变能带和晶格常 数。同样，用In取代一部分Ga，也只是改变能带和晶 格常数。原则上，通过改变x或y的值，在一定的范围 内就可以得到想要的带隙，也就得到想要的发射波长。
在间接带隙半导体中 ki k f
上式不再相等，为满足选择定则，跃迁过程 一定有声子参与（声子：晶格振动能量的单位， 有能量、动量）。
这时动量守恒可表示为：
(ki kf kpks)0
(ki kf ks)0
E iEf h vs0
正号表示吸收光子、声子，负号表示发射光子、声子。
)
1
kBT
表示在温度T时或能量为 h的状态被光子占据的几率
单位体积内 d
之间的光子数为:
dD()8cn332 ex1ph(ndd)n1d
否有外来光子的参与 。 同一种光电子器件中，有可能同时并存以上两
种甚至三种跃迁过程。
半导体中量子跃迁过程的突出特点：
量子跃迁速率高，光增益系数大。 频响应特性好，量子效率高。 能量转换效率高。 半导体LD比普通LD有更宽的谱线宽度。
1.2 直接带隙与间接带隙跃迁
Ge、Si和GaAs的能带图
（导带）是空带，且禁带宽度比较小，数量级约在 1eV左右。
电子和空穴
半导体由于Eg较小，在室温下，由于热激发或入 射光子吸收，使得价带中一部分电子跃迁到导带中， 一个电子由价带跃迁至导带，就在价带留下一个空量 子状态，可以把它看成是带正电荷的准粒子，称之为 空穴（hole）。这个过程是电子-空穴对的产生，反之 电子由导带跃迁至价带，价带内丢失一个空穴，是电 子空穴对的复合。二者为载流子。
P和As都是5价原子，用P取代一部分As，那么晶 体的结构以及类型不会改变，只是改变能带和晶格常 数。同样，用In取代一部分Ga，也只是改变能带和晶 格常数。原则上，通过改变x或y的值，在一定的范围 内就可以得到想要的带隙，也就得到想要的发射波长。
半导体物理第三章 共102页PPT资料
Kz
2 n z L
(nz
0,1,2, )
(1-18)
k空间中，由一组整数(nx,ny,nz)决定一个波矢k，代表电子的一个允许 能量状态。这些允许量子态在k空间构成一个点阵。
k在空间分布是均匀的，每个代表点的坐标沿坐标轴方向都是2/L的 整数倍，对应着k空间中一个体积为83/V的立方体。
温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降， 而占据能量大于费米能级的量子态的概率增大。
20
Hunan University of Science and Technology
§3.2.2 玻耳兹曼分布函数
f E
1
1exp(EEF )
k0T
量子态为电子占据的概率很小，泡利原理 失去作用，两种统计的结果变成一样了
(3-8)
10
Hunan University of Science and Technology
表明： 导带底（价带顶）附近单位能 量间隔内的量子态数目，随着 电子（空穴）的能量增加按抛 物线关系增大。即电子（空穴） 的能量越大，状态密度越大。
状态密度与能量的关系
11
Hunan University of Science and Technology
电子如何按照能量分布
允许量子态按能量的分布
状态密度g(E)
电子在允许量子态中的分布
费米和玻耳兹曼分布f(E)
g(E)
f(E)
能量
量子态分布
电子在量子态中分布
E到E+dE之间被电子占据的量子态f(E)g(E)dE
6
Hunan University of Science and Technology
《半导体光电子学课件》绪论
04
半导体光电子学的技术挑 战
材料制备与表征技术
材料纯度与缺陷控制
为了获得高性能的光电子器件，需要制备高纯度、低缺陷的材料。
晶体生长技术
晶体生长是光电子器件制造的基础，需要发展先进的晶体生长技术， 以获得大尺寸、高质量的晶体。
材料表征技术
对材料的物理、化学和光学性质进行准确测量和表征，是评估材料 质量和性能的关键。
《半导体光电子学课 件》绪论
目录
• 半导体光电子学的定义与重要性 • 半导体光电子学的发展历程 • 半导体光电子学的核心概念
目录
• 半导体光电子学的技术挑战 • 半导体光电子学的未来展望
01
半导体光电子学的定学是一门研究半导体中光与物质相互作用的科学，主要涉及光子在半 导体材料中的产生、传播和吸收等过程。
光电器件的工作原理
1
光电器件是指利用光子与电子相互作用原理制成 的器件，其工作原理主要基于半导体的光电效应。
2
光电器件可以分为光电导器件、光生伏特器件和 光电发射器件等类型，它们分别利用不同机制实 现光能与电能的转换。
3
光电器件的性能参数包括光谱响应范围、响应速 度、量子效率等，这些参数决定了器件在不同领 域的应用价值。
半导体光电子学的交叉学科研究
物理与化学
将物理和化学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以深入理解光电子现 象的本质和规律。
生物与医学
将生物和医学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以开发新型的光电子 生物传感器和医疗设备。
THANKS
感谢观看
新器件
研究新型光电器件，如光子晶体器件 、表面等离子体激元器件等，以实现 更高效、更紧凑的光电子器件。
光电器件的高效化与小型化
半导体光电子PPT课件
2 2
3/ 2
导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
第11页/共25页
【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
v
0
第5页/共25页
根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
第13页/共25页
准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
e
EdE
p
3/ 2
导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
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【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
v
0
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根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
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准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
e
EdE
p
《半导体的基本知识》PPT课件
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体光电材料基础-2PPT课件
.
10
2.4.3 能带中的电子和空穴浓度
➢ 载流子浓度乘积 np：
npN cN vexp E c K T E v N cN vexp K E T g
✓ 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关，只决定 于带隙和温度，与所含杂质无关。
✓ 对于一定的半导体材料，在一定温度下，乘积np 是定值。
✓ 适用于热平衡状态下的本征半导体和杂质半导体。
✓ 外加电场不太强时，漂移电流满足欧姆定律 j=E， 为电导率。
✓ 电子电导率n=nqn——N型半导体（n>>p） ✓ 空穴电导率p=pqp ——P型半导体（p>>n） ✓ 半导体的电导率=q(nn+pp)
.
27
2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流
➢ 扩散运动：当半导体中出现不均匀的载流子分布 时，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运 动，产生的电流称为扩散电流。
jnn qnE q D n n jpp qpE q D p p
➢ 总电流密度： j jn jp
对于分析器件在低电场状态下的工作情形
非常重要。然而在很高的电场状态下，电子和空
穴的漂移速度应该以饱. 和速度替代。
29
2.半导体物理基础
2.1 孤立原子中电子的运动状态 2.2 半导体中电子的运动状态和能带 2.3 杂质和缺陷能级 2.4 载流子的统计分布 2.5 半导体的导电性 2.6 非平衡载流子
级之下。受主浓度越高，费米能级越靠近价带顶。
温度升高，费米能级. 逐渐远离价带顶。
18
2.4.5 杂质半导体的载流子浓度
➢ 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质。
✓ 由于施主能级上的电子首先要填充受主能级，使 施主向导带提供电子和受主向价带提供空穴的能 力减弱。
半导体光电子器课件
《半导体光电子器》PPT课件
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
《半导体光电子器》PPT课件
典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N 区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾 斜，见图4.5(b)。
能量
p
Ec
P区
p
E
v
n
E
c
势垒
E
f
N区
n
E
v
(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；
《半导体光电子器》PPT课件
PN结:
耗 尽区
扩散电子
-
+
-
+
-
+
pn结
内建电场
电势
U
Ef
n
p
1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致《半载导体流光电子子做器》反PP向T课漂件 移运动
P-N结施加反向电压
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。
《半导体光电子器》PPT课件
(a) 反向偏压使耗尽区加宽
少数载流子漂移
特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成
存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，
无法形成较高的载流子密度 1. 无法对产生的光进行有效约束
n
p
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典型的GaAlAs双异质结
异质结：
为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束
注入电子 －－－
电子能量 空穴势垒
电子势垒 电子-空穴复合
++
注入空穴
1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布
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