半导体物理-光源-光检测

半导体物理基础光源、光检测器

主讲：李彬

中国传媒大学

信息工程学院

半导体物理基础、光源、光检测器 背景知识，量子物理基本概念

•半导体能带模型

•PN结

光源

•PN结电致发光：发光二极管（LED）

•双异质结构激光二极管（LD）

•半导体激光器的静态，动态特性，温度特性 光检测器

•PIN光电二极管

•APD光电二极管

1900年普朗克为解释黑体辐射问题提出了谐振子能量以不连续的量值改变的量子假设。

ε=hν

爱因斯坦光子理论：光的粒子性

=ε/c2＝hν/c2

m

φ

c=hν/c=h/λ

p=m

φ

氢原子光谱，波尔氢原子理论

3个基本假设

德布罗意波

E＝hv，p＝h／λ，将表征粒子性的物理量能量、动量与表征波性的频率、波长通过一个常数h等效。

薛定谔方程

几率波,氢原子量子化

原子的壳层结构

原子中电子的状态：主量子数，角量子数，磁量子数，自旋量子数

固体中能带的形成

在单个原子中：

电子具有的能量是不连续的，这些不连续的能量可以借助于能量图上的一系列能级来表示。

当电子从原子中挣脱出来，进入离子化状态后，此时的能量已经没有一级一级的差别，而在能量图上形成能量连续的区域，这时电子可以自由运动，称为自由电子。

在晶体中：

当大量原子作有规则排列而形成晶体时，相邻原子电荷相互影响在晶体内形成周期性电场。它也是一种势垒。

晶体中能带的形成

晶体中电子不仅受到本身原子核的作用还受到相邻原子核的作用。

这种作用对内电子和价电子是不同的，内电子受原子核束缚作用强，从而受影响小，价电子由于轨道大小和相邻原子距离是相同数量级的，所以受影响显著。

量子力学容许电子在势垒宽度变小的情况下通过隧道效应穿越势垒进入另一个原子，这样价电子就不再分别属于各个原子而被整个晶体中的原子共有。

价电子共有化之后原来电子的能级也要发生变化。 按照量子力学的理论，处于周期性势场中运动的粒子即具有能带结构

晶体中电子共有化的结果使原先每个原子中具有相同能量的电子能级因各原子相互作用分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，这些能级基本上联成一片，形成能带。

晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。

因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图所示。内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽

导体

非导体

半导体，

绝缘体：

满带：填满电子的能带

空带：完全没有电子的能带 导带：未填满电子的能带 价带：与导带相邻的满带，相应于原子的最外层价电子

能级

禁带：隔离导带和满带，能带间不允许电子存在的能量状态，导体

导带

满带

禁带

空带

满带

满带

非导体

满带

电子进入导带后就有机会在电场作用下运动，占据新能级，这种定向运动的结果就是使晶体能够导电。

绝缘体、导体和半导体

¾导体和非导体

导体

满带中的电子均处于成键或束缚状态，由于Pauli 不相容原理，这些电子在外电场作用下不能形成电流。只有部分状态被电子占据的能带中的电子可以在外场作用下转移至其他动量状态并形成电流。

导带满带

禁带

空带满带满带

非导体

满带

¾

半导体

导带价带

当非导体的禁带宽度较小时，处于满带中的部分电子在室温下即可热激发至空带形成可以导电的电子，而在满带中留下电子空位（空穴）。空穴的性质与带正电荷的电子相似，也可形成电流。电子与空穴统称载流子。这种材料的导电性介于导体和绝缘体之间，故称半导体。

由于最上层的满带相应于最外层价电子能级，故称价带。

半导体

空穴：当半导体中一部分电子从满带跃迁到导带中之后，在满带中留下一些空位，这些空位的存在，造成了满带中导电的条件，这些在满带中因失去电子而留下的空位通常称为空穴。

空穴导电：满带中的电子在电场作用下运动，跃入相邻的空穴，而在原先位置上留下新的空穴。

半导体和绝缘体的差别在于禁带宽度的不同。（界限约1.5电子伏，）因而在一般温度下从满带激发到导带的电子数不同。

半导体的掺杂和导电类型

导带

施主能级

禁带

受主能级

价带

I 型（本征）半导体N型半导体P型半导体

I 型半导体：无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。

杂质能级：杂质原子能造成对周期性晶格势场的扰动，从而在禁带中形成电子的束缚态能级。若杂质态含有电子，则称为施主杂质；若杂质态为空，则称为受主杂质。

N型半导体：掺有施主杂质的半导体。其电子浓度大于空穴浓度。

P型半导体：掺有受主杂质的半导体。其电子浓度小于空穴浓度。

半导体材料的分类

¾直接带隙和间接带隙

直接带隙材料：导带最底点与价带最高点具有相同的k 值。

间接带隙材料：导带最底点与价带最高点的k 值不同。

半导体材料的分类

由于半导体内光子与电子的相互作用所伴随的带间跃迁需要满足能量和动量守恒条件，与电子相比，光子动量可忽略，仅有光子参与的带间跃迁要求电子的始末态具有相同的k值（k选择定则）。因此直接带隙材料具有良好的光电性质，而间接带隙材料则不然。