光电子技术 第五讲 半导体光源(1)
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绝缘体：几乎不导电的物质称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、 塑料和石英等。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半 导体, 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化 物等。
二. 晶体的能带
在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的
势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来
自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的
si
硅原子
GGee
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的四 个电子称为价电子。
2020/5/16
ห้องสมุดไป่ตู้
10
本征半导体（结构）
本征半导体共价键结构
+4
+4 +4
在绝对温度T=0 K时，
+4
+4 +4
所有的价电子都被共价键
紧紧束缚在共价键中，不
会成为自由电子，因此本
+4
+4 +4
征半导体的导电能力很弱，
共价键
接近绝缘体。
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本征半导体的能带
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杂质半导体
• 杂质半导体： 在本征半导体中掺入某些微量的杂 质，会使半导体的导电性能发生显著变化。
• 原因：掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。
N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷) 主要载流子：电子。
漂移运动
因电场作用所产生的 运动称为漂移运动。 （少子）
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平 衡，就形成了PN结。
2020/5/16
26
PN 结的单向导电性
PN结加上正向电压（正向偏置）： P区 加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压（反向偏置）： P区 加负、N区加正电压。
PN 结的单向导电性
能级，形成能带。
E
间距减小能级分裂
自由原子中电 子的能级越高，对 应的能带越宽。
能带
禁带 能带
2s 分 立 的
1s 能 级
d0
d
晶体中的能带
电子填充能带的情况
当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐 个填充能带。
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满 带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可 能不是满带。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流
PN结截止
PN 结的单向导电性（总结）
✓ PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； ✓ PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此得出结论：PN结具有单向导电性。
3s 填满的能带
缘体一样都没有导电
性。
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温 下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中， 这时，半导体就具有一定的导电性。
三、半导体的类型 本征半导体：纯净晶体结构的半导体
• 物质的导电性能取决于原子结构。
导体：低价元素
绝缘体：高价元素
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼) 主要载流子：空穴。
N型杂质半导体
多数载流子（多子）
杂质半导体主要靠多
数载流子导电。掺入杂质
5
越多，多子浓度越高，导
电性越强，实现导电性可
控。
磷（P）：施主原子
N型半导体的能带与施主能级
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P型杂质半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴
PN 结的伏安特性
u
i IS (eUT 1)
正向特性
I
（u>0）
PN 结处于反向偏置时，反
向电压超过某一数值时， 反向击穿部分
反向电流急剧增加，这种
现象称反向击穿。
U
反向特性 （u<0）
3.7.2 发光二极管（LED）
发光二极管（light emitting diode，LED） 是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向 电流时发光。它是直接把电能转换成光能的 器件，没有热转换过程，其发光机制是电致 发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于 发光面积小，故可以视为点光源。
光电子技术原理 及应用
2020/5/16
1
本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
2
3.7.1 半导体基础知识
一、导体、半导体和绝缘体
导 体：容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
导电，掺入杂质越多，空穴
3
浓度越高，导电性越强，
硼（B）
P型半导体的能带与受主能级
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四、费米能级
热平衡状态下，半导体中电子的能级分布服从费米分布：
1
fN E 1 eEEf kT
费米能级Ef 的意义是电子占据概率为0.5的能级，
具有标尺的作用，可以用来定性描述半导体中载 流子的分布。
五、PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴 浓度降低、靠近接触面N区的自由电子 浓度降低，产生内电场。
PN结的形成（2）
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
（1）正向电压
必要吗？
外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流
PN结导通
（2）反向电压
外电场的方向与内电场方向相同。
反向饱和电流：在一定的 温度下，由本征激发产生 的少子浓度是一定的，故 电流基本上与外加反压的 大小无关，与温度有关。
金属导体、绝缘体和半导体
1. 导体 较低的能带都 被电子填满，上面的能带 只是部分地被电子填充。
3s 未填满的导带
Eg 禁带 2p 填满的能带
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加 速，引起电子的定向流动而形成电流。
2. 绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。
满带和空带之间是较
宽的禁带。除非外电场相 当强，否则不能使电子获 得足够的能量从满带跃迁 到空带。
2p 空带 Eg 禁带 2s 填满的能带
即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的 对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。
金刚石是典型的绝缘体。
3. 本征半导体 不含杂质的纯净半导体。
当温度接近 0 K
时，价带都被电子填 满，价带以上的能带 都是空带。因此和绝
能有 跃些 入电 空子 带可
3p 空带 Eg 禁带
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半 导体, 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化 物等。
二. 晶体的能带
在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的
势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来
自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的
si
硅原子
GGee
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的四 个电子称为价电子。
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ห้องสมุดไป่ตู้
10
本征半导体（结构）
本征半导体共价键结构
+4
+4 +4
在绝对温度T=0 K时，
+4
+4 +4
所有的价电子都被共价键
紧紧束缚在共价键中，不
会成为自由电子，因此本
+4
+4 +4
征半导体的导电能力很弱，
共价键
接近绝缘体。
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本征半导体的能带
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杂质半导体
• 杂质半导体： 在本征半导体中掺入某些微量的杂 质，会使半导体的导电性能发生显著变化。
• 原因：掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。
N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷) 主要载流子：电子。
漂移运动
因电场作用所产生的 运动称为漂移运动。 （少子）
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平 衡，就形成了PN结。
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PN 结的单向导电性
PN结加上正向电压（正向偏置）： P区 加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压（反向偏置）： P区 加负、N区加正电压。
PN 结的单向导电性
能级，形成能带。
E
间距减小能级分裂
自由原子中电 子的能级越高，对 应的能带越宽。
能带
禁带 能带
2s 分 立 的
1s 能 级
d0
d
晶体中的能带
电子填充能带的情况
当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐 个填充能带。
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满 带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可 能不是满带。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流
PN结截止
PN 结的单向导电性（总结）
✓ PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； ✓ PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此得出结论：PN结具有单向导电性。
3s 填满的能带
缘体一样都没有导电
性。
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温 下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中， 这时，半导体就具有一定的导电性。
三、半导体的类型 本征半导体：纯净晶体结构的半导体
• 物质的导电性能取决于原子结构。
导体：低价元素
绝缘体：高价元素
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼) 主要载流子：空穴。
N型杂质半导体
多数载流子（多子）
杂质半导体主要靠多
数载流子导电。掺入杂质
5
越多，多子浓度越高，导
电性越强，实现导电性可
控。
磷（P）：施主原子
N型半导体的能带与施主能级
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P型杂质半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴
PN 结的伏安特性
u
i IS (eUT 1)
正向特性
I
（u>0）
PN 结处于反向偏置时，反
向电压超过某一数值时， 反向击穿部分
反向电流急剧增加，这种
现象称反向击穿。
U
反向特性 （u<0）
3.7.2 发光二极管（LED）
发光二极管（light emitting diode，LED） 是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向 电流时发光。它是直接把电能转换成光能的 器件，没有热转换过程，其发光机制是电致 发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于 发光面积小，故可以视为点光源。
光电子技术原理 及应用
2020/5/16
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本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
2
3.7.1 半导体基础知识
一、导体、半导体和绝缘体
导 体：容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
导电，掺入杂质越多，空穴
3
浓度越高，导电性越强，
硼（B）
P型半导体的能带与受主能级
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四、费米能级
热平衡状态下，半导体中电子的能级分布服从费米分布：
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fN E 1 eEEf kT
费米能级Ef 的意义是电子占据概率为0.5的能级，
具有标尺的作用，可以用来定性描述半导体中载 流子的分布。
五、PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴 浓度降低、靠近接触面N区的自由电子 浓度降低，产生内电场。
PN结的形成（2）
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
（1）正向电压
必要吗？
外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流
PN结导通
（2）反向电压
外电场的方向与内电场方向相同。
反向饱和电流：在一定的 温度下，由本征激发产生 的少子浓度是一定的，故 电流基本上与外加反压的 大小无关，与温度有关。
金属导体、绝缘体和半导体
1. 导体 较低的能带都 被电子填满，上面的能带 只是部分地被电子填充。
3s 未填满的导带
Eg 禁带 2p 填满的能带
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加 速，引起电子的定向流动而形成电流。
2. 绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。
满带和空带之间是较
宽的禁带。除非外电场相 当强，否则不能使电子获 得足够的能量从满带跃迁 到空带。
2p 空带 Eg 禁带 2s 填满的能带
即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的 对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。
金刚石是典型的绝缘体。
3. 本征半导体 不含杂质的纯净半导体。
当温度接近 0 K
时，价带都被电子填 满，价带以上的能带 都是空带。因此和绝
能有 跃些 入电 空子 带可
3p 空带 Eg 禁带