半导体光电材料基础
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(r,t) 也称为几率波幅。
几率密度 2 ，* 代表单位体积内发现一个粒子的 几率。
薜定谔方程
对于在势场 V (r ) 中运动的微观粒子，
i
t
(r
,
t)
2
2m
2
V
(r
)
(r
,
t)
Hˆ
(r
,
t)
2
2 x2
2 y 2
2 z 2
，Hˆ : (Hamilton) 哈密尔顿算符
早期量子论的提出
1900年，普朗克首先提出“量子(quantum)”假设，从理
论上导出黑体辐射公式，与观测结果极为吻合。——电
磁辐射能量不连续 E h , p h
1905年，爱因斯坦试图用量子假设去解释光电效应实验
的疑难，提出“光量子(light quantum)”概念。——光
半导体光电材料基础
考核方式：
平时成绩（20%）：课堂讨论
期末成绩（80%）：文献综述报告
要求：选择一种半导体光电材料，查阅相关文 献并撰写报告，介绍该材料的结构、性能、制 备方法及其在太阳能电池、光探测器、激光器、 发光二极管、生物荧光探针等光电、发光器件 等领域的研究进展情况。
例如：
“CdS量子点及其在光伏电池领域的研究进展”
报告格式要求：
题目:
学号
姓名
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
半导体光电材料概述 半导体物理基础 PN结 金属-半导体结 半导体异质结构 半导体太阳能电池和光电二极管 发光二极管和半导体激光器 量子点生物荧光探针
第一章 半导体光电材料概述
1.1 半导体光电器件与材料
E h, h p
薛定谔的波动力学 (1926) —— 揭示微观体系中粒子 的运动规律。
波函数的统计诠释 —— 几率波
波函数 (r,t) —— 描述一个微观粒子的量子态。
波恩的几率波 (1926)：将微观粒子的 “粒子性”与 “波动性”统一起来。“粒子性”指具有一定的质量和 电荷，但不同于经典粒子的概念，与“粒子有确切的轨 道”无关；“波动性”指波的叠加性，但不同于经典波， 并不是某种实在的物理量在空间的波动。
具有粒子性
19121913年，玻尔提出原子结构的量子论，成功地说 明了氢原子线状光谱实验结果。 ——分立能级、量子 跃迁
存在局限性和问题！
物质粒子的二象性
光的波粒二象性 波动性：光的干涉、衍射和偏振现象； 粒子性 (光子)：黑体辐射和光电效应。
德布罗意波 (1924)：原子世界中，物质粒子 (电子、 质子、中子、原子等) 都具有波动性，后被实验证实 (电子束在单晶上的衍射、透射衍射图样)。
E:体系的能量
此外，在解决具体问题中，边界条件 (束缚态边条件、
周期性边条件等) 要求只有某些 E 值对应的解 E (r ) 才是物 理上可以接受的。这些 E 值称为体系的能量本征值，而相应
的解 E (r ) 称为能量本征函数。方程 是粒子的能量本征 方程。
1.4 半导体光电器件的物理基础
太阳能电池、光探测器：半导体的光吸收、 光电导效应、光生伏特效应
内光电效应
发光二极管、半导体激光器：载流子的注入 和复合发光机制
光致发光器件（量子点生物荧光探针）：半 导体的光吸收、复合发光机制
第二章 半导体物理基础
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
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
2.1 孤立原子中电子的运动状态
量子论的提出 几率波 薛定谔方程 氢原子能量本征值及能量本征函数 原子核外的电子排布
半导体光电材料：半导体光电器件所用的主要半 导体材料。
1.2 主要的半导体光电材料
半导体光电材料
VI族光 III-V族光 电材料 电材料
II-VI族 光电材料
IV-VI族光 电材料
GaAs; GaP; GaN
ZnS; ZnO; ZnSe; ZnTe
PbS;
Ge
InAs; InP; InSb
Si
半导体光电器件：利用光子-电子（或电子-光子） 转换效应（光电效应）制成的，可实现光信号 （光能）-电信号（电能）相互转化的各种半导体 功能器件。
常用的半导体光电器件： 光-电器件：光敏元件、光探测器、太阳能电池 电-光器件：发光二极管、注入型半导体激光器 光-光器件：光激励半导体激光器、荧光量子点
薛定谔波动方程揭示了微观世界中物质运动的基 本规律，是量子力学最基本的方程。它实际上是一个 基本假定，其正确性只能靠实践来检验。
能量本征方程
若势场V (r ) 不显含t, (r ,t) E (r )eiEt / ，其中 E (r )
满足不含时薛定谔方程：
22
2m
V (r ) (r ) E (r )
AlAs; AlP
CdS; CdSe; CdTe
PbSe; PbSnTe; PbSnSe
SiC
GaAs1-xPx ;In1-xGaxP HgS; HgSe
1.3 主要半导体光电材料的应用
锗（Ge）：锗单晶及其掺杂是一种很好的光探测器材料。 硅（Si）：光探测器、太阳能电池 碳化硅（SiC）：电致发光器件 砷化镓（GaAs）：激光器、发光二极管、太阳能电池 硫化锌、氧化锌（ZnS,ZnO）：光致、电致发光材料（生
物荧光探针） 硫化镉（CdS）：光敏电阻、太阳能电池、激光材料、发
光材料 碲化镉（CdTe）：太阳能电池、红外探测器、生物荧光探针 硫化铅（PbS、PbSe、PbTe）：太阳能电池、红外探测器、
激光器
1.4 半导体光电器件的物理基础
半导体材料禁带的宽度决定了光电器件的工 作波长。
当半导体中的电子吸收了光能从价带跳跃到 导带中时，就把光能变成了电，而带有电能 的电子从导带跳回价带时，又可以把电能变 成光。
几率密度 2 ，* 代表单位体积内发现一个粒子的 几率。
薜定谔方程
对于在势场 V (r ) 中运动的微观粒子，
i
t
(r
,
t)
2
2m
2
V
(r
)
(r
,
t)
Hˆ
(r
,
t)
2
2 x2
2 y 2
2 z 2
，Hˆ : (Hamilton) 哈密尔顿算符
早期量子论的提出
1900年，普朗克首先提出“量子(quantum)”假设，从理
论上导出黑体辐射公式，与观测结果极为吻合。——电
磁辐射能量不连续 E h , p h
1905年，爱因斯坦试图用量子假设去解释光电效应实验
的疑难，提出“光量子(light quantum)”概念。——光
半导体光电材料基础
考核方式：
平时成绩（20%）：课堂讨论
期末成绩（80%）：文献综述报告
要求：选择一种半导体光电材料，查阅相关文 献并撰写报告，介绍该材料的结构、性能、制 备方法及其在太阳能电池、光探测器、激光器、 发光二极管、生物荧光探针等光电、发光器件 等领域的研究进展情况。
例如：
“CdS量子点及其在光伏电池领域的研究进展”
报告格式要求：
题目:
学号
姓名
课程主要内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
半导体光电材料概述 半导体物理基础 PN结 金属-半导体结 半导体异质结构 半导体太阳能电池和光电二极管 发光二极管和半导体激光器 量子点生物荧光探针
第一章 半导体光电材料概述
1.1 半导体光电器件与材料
E h, h p
薛定谔的波动力学 (1926) —— 揭示微观体系中粒子 的运动规律。
波函数的统计诠释 —— 几率波
波函数 (r,t) —— 描述一个微观粒子的量子态。
波恩的几率波 (1926)：将微观粒子的 “粒子性”与 “波动性”统一起来。“粒子性”指具有一定的质量和 电荷，但不同于经典粒子的概念，与“粒子有确切的轨 道”无关；“波动性”指波的叠加性，但不同于经典波， 并不是某种实在的物理量在空间的波动。
具有粒子性
19121913年，玻尔提出原子结构的量子论，成功地说 明了氢原子线状光谱实验结果。 ——分立能级、量子 跃迁
存在局限性和问题！
物质粒子的二象性
光的波粒二象性 波动性：光的干涉、衍射和偏振现象； 粒子性 (光子)：黑体辐射和光电效应。
德布罗意波 (1924)：原子世界中，物质粒子 (电子、 质子、中子、原子等) 都具有波动性，后被实验证实 (电子束在单晶上的衍射、透射衍射图样)。
E:体系的能量
此外，在解决具体问题中，边界条件 (束缚态边条件、
周期性边条件等) 要求只有某些 E 值对应的解 E (r ) 才是物 理上可以接受的。这些 E 值称为体系的能量本征值，而相应
的解 E (r ) 称为能量本征函数。方程 是粒子的能量本征 方程。
1.4 半导体光电器件的物理基础
太阳能电池、光探测器：半导体的光吸收、 光电导效应、光生伏特效应
内光电效应
发光二极管、半导体激光器：载流子的注入 和复合发光机制
光致发光器件（量子点生物荧光探针）：半 导体的光吸收、复合发光机制
第二章 半导体物理基础
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
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
2.1 孤立原子中电子的运动状态
量子论的提出 几率波 薛定谔方程 氢原子能量本征值及能量本征函数 原子核外的电子排布
半导体光电材料：半导体光电器件所用的主要半 导体材料。
1.2 主要的半导体光电材料
半导体光电材料
VI族光 III-V族光 电材料 电材料
II-VI族 光电材料
IV-VI族光 电材料
GaAs; GaP; GaN
ZnS; ZnO; ZnSe; ZnTe
PbS;
Ge
InAs; InP; InSb
Si
半导体光电器件：利用光子-电子（或电子-光子） 转换效应（光电效应）制成的，可实现光信号 （光能）-电信号（电能）相互转化的各种半导体 功能器件。
常用的半导体光电器件： 光-电器件：光敏元件、光探测器、太阳能电池 电-光器件：发光二极管、注入型半导体激光器 光-光器件：光激励半导体激光器、荧光量子点
薛定谔波动方程揭示了微观世界中物质运动的基 本规律，是量子力学最基本的方程。它实际上是一个 基本假定，其正确性只能靠实践来检验。
能量本征方程
若势场V (r ) 不显含t, (r ,t) E (r )eiEt / ，其中 E (r )
满足不含时薛定谔方程：
22
2m
V (r ) (r ) E (r )
AlAs; AlP
CdS; CdSe; CdTe
PbSe; PbSnTe; PbSnSe
SiC
GaAs1-xPx ;In1-xGaxP HgS; HgSe
1.3 主要半导体光电材料的应用
锗（Ge）：锗单晶及其掺杂是一种很好的光探测器材料。 硅（Si）：光探测器、太阳能电池 碳化硅（SiC）：电致发光器件 砷化镓（GaAs）：激光器、发光二极管、太阳能电池 硫化锌、氧化锌（ZnS,ZnO）：光致、电致发光材料（生
物荧光探针） 硫化镉（CdS）：光敏电阻、太阳能电池、激光材料、发
光材料 碲化镉（CdTe）：太阳能电池、红外探测器、生物荧光探针 硫化铅（PbS、PbSe、PbTe）：太阳能电池、红外探测器、
激光器
1.4 半导体光电器件的物理基础
半导体材料禁带的宽度决定了光电器件的工 作波长。
当半导体中的电子吸收了光能从价带跳跃到 导带中时，就把光能变成了电，而带有电能 的电子从导带跳回价带时，又可以把电能变 成光。