第9章_光子晶体波导及器件
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★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
一、本征半导 体
本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
• 光学薄膜：周期性排列的膜层——一维光 子晶体
自然界里是否存在光子晶体？
为什么蝴蝶的翅膀会色彩 斑斓？
光子晶体的应用
思考：光子晶体光纤可以让光在空 气芯中传输，这有什么用？
以OptiFDTD软 件尝试验证光 子晶体光纤对 光的束缚作用
三维光子晶体
二维光子晶体 及直角波导
金属球金刚石结构
光子晶体的制作
主要半导体材料
间接带隙
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
----用于集成电路、光电检测 直接带隙
★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
---用于集成电路、发光器件、光电检测
★ II-VI族化合物半导体材料
----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
本征半导体
• 能带结构
导带
禁带EG
价带
自由电子 费米能级Ef 价电子与空穴
二、杂质半导体
掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
1. N型半导体
在本征半导体中掺入的 五价元素如P
+4
+45
+4
+4
+4
+4
+4
+45
+4
杂质原子提供 自由电子是多子
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
导带 施主
+ + + + + + + 能级
价带
由热激发形成 空穴是少子
N型半导体
+4
++54
+4
+4
自由电子是少子
P型半导体
+4
++34
+4
+4
+4
+4
+4
+43
+4
-----
P型半导体
半导体的能带结构
本征半导体 导带
N型半导体 导带
P型半导体 导带
Ef 价带
Ef
施主
价带
受主 Ef
价带
电子 空穴
直接带隙与间接带隙半导体
E E
k 直接带隙材料，效率高
k 间接带隙材料，效率低
能带---波矢图
跃迁选择定则: 跃迁的始末态应具有相同的波矢
常用的本征半导体
Si +14 2 8 4
Ge +32 2 8 18 4
+4
本征半导体
• 本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 挣脱原称子为核束束缚缚电的子电子 价带中留下的称空为位自由电子 +4 称为+4空穴 +4
导带
自由电子定向移动 形成外电电子场流E
+4
+4
+4
禁带EG
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
思考：如果折射率是负的对已有光 学定律有哪些影响？
RHM RHM
RHM
LHM
这1 样的左手 现象有什么用？
(1)
(2)
k
S
1
(1)
Leabharlann Baidu
(2)
k
S
思考， 这有什 么用？
思考当n<0 时，对同样 的平板折射， 将发生什么 事情？
n>0
n<0
反射折射定律
RHM RHM
2 1
(1)
(2)
k
S
然后近年来有不同方法做出了负折射材 料，于是带来了光电领域的飞速变革
自上而下： 标准半导体 工艺
自下而上：自组织
类光子晶体现象的思考
我们能透过微波炉看到食物加 热过程，但里面的微波却出不 来。思考其中原因
微波炉的金属网，是否可以认为是微波的半 导体呢？
光子晶体的其他有趣现象
在光子晶体能带边缘， 或者金属结构的特殊 光子晶体，可能具有 某些特殊光学性质— —折射率是负数
----用于可见光和远红外光电子器件
半导体的特征？
• 周期性结构 • 完好的周期性排列不会导电：禁带 • 周期性被破坏才会导电：价带导带
根据这些线索思考一下光子晶 体（光的半导体）应该是什么 样子的？
光子晶体 光能在哪存在？
周期性结构
如果周期性排列的结构只有 在中间被打破了，猜测一下 发生了什么？
+4
+4
+4
+45
+4
++ ++ ++ ++
N型半导体
在本征半导体中掺入的
2. P型半导体 三价元素如B
+4
+43
+4
+4
+4
+4
+4
+43
+4
杂质原子提供 空穴是多子
因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
导带
受主 - - - - - - - 能级
价带 由热激发形成
lattice of split ring resonators
SCIENCE VOL 292 6 APRIL 2001
负折射率材料 让光偏离了原 有方向
思考：让光偏 离原有方向有 什么用？
人眼是如 何看到物 体的？
基于负折射的隐形材料
总结
第九章 光子晶体波导及器件
光子晶体：光的半导体
• 思考：半导体是什么？尝试由 半导体的基本特征思考光的半 导体——光子晶体应该长什么 样
9.1 半导体概念与分类
• 何谓半导体
物体分类 导体 — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属 绝缘体 — 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级， 如：橡胶、云母、塑料等。
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。
如：硅、锗、砷化镓等。
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 温度特性 温度增加使导电率大为增加
微电光子敏器器件件、 光激电光器器件
热敏器件
光照特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
猜测一下这有什么应用？
回忆半导体的能带结构光子晶体？
特定光学结构的光子晶体通常 都只对某些波长存在禁带，即 某些波段的光无法在晶体里传 输。 最理想的是做出对全波段光都 禁止的晶体
回忆生活中是否有类似光子晶体的应用？ （对某些波段光禁止传播的结构）
• 眼镜片上镀了抗紫外膜，能够阻止紫外光 透过。那么光学薄膜是否是光子晶体呢？
+4
+4
+4
价带
本征半导体
由此我们可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的
与外电场方向相反
自由电子始终在导带内运动
空穴流
价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
一、本征半导 体
本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
• 光学薄膜：周期性排列的膜层——一维光 子晶体
自然界里是否存在光子晶体？
为什么蝴蝶的翅膀会色彩 斑斓？
光子晶体的应用
思考：光子晶体光纤可以让光在空 气芯中传输，这有什么用？
以OptiFDTD软 件尝试验证光 子晶体光纤对 光的束缚作用
三维光子晶体
二维光子晶体 及直角波导
金属球金刚石结构
光子晶体的制作
主要半导体材料
间接带隙
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
----用于集成电路、光电检测 直接带隙
★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
---用于集成电路、发光器件、光电检测
★ II-VI族化合物半导体材料
----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
本征半导体
• 能带结构
导带
禁带EG
价带
自由电子 费米能级Ef 价电子与空穴
二、杂质半导体
掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
1. N型半导体
在本征半导体中掺入的 五价元素如P
+4
+45
+4
+4
+4
+4
+4
+45
+4
杂质原子提供 自由电子是多子
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
导带 施主
+ + + + + + + 能级
价带
由热激发形成 空穴是少子
N型半导体
+4
++54
+4
+4
自由电子是少子
P型半导体
+4
++34
+4
+4
+4
+4
+4
+43
+4
-----
P型半导体
半导体的能带结构
本征半导体 导带
N型半导体 导带
P型半导体 导带
Ef 价带
Ef
施主
价带
受主 Ef
价带
电子 空穴
直接带隙与间接带隙半导体
E E
k 直接带隙材料，效率高
k 间接带隙材料，效率低
能带---波矢图
跃迁选择定则: 跃迁的始末态应具有相同的波矢
常用的本征半导体
Si +14 2 8 4
Ge +32 2 8 18 4
+4
本征半导体
• 本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 挣脱原称子为核束束缚缚电的子电子 价带中留下的称空为位自由电子 +4 称为+4空穴 +4
导带
自由电子定向移动 形成外电电子场流E
+4
+4
+4
禁带EG
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
思考：如果折射率是负的对已有光 学定律有哪些影响？
RHM RHM
RHM
LHM
这1 样的左手 现象有什么用？
(1)
(2)
k
S
1
(1)
Leabharlann Baidu
(2)
k
S
思考， 这有什 么用？
思考当n<0 时，对同样 的平板折射， 将发生什么 事情？
n>0
n<0
反射折射定律
RHM RHM
2 1
(1)
(2)
k
S
然后近年来有不同方法做出了负折射材 料，于是带来了光电领域的飞速变革
自上而下： 标准半导体 工艺
自下而上：自组织
类光子晶体现象的思考
我们能透过微波炉看到食物加 热过程，但里面的微波却出不 来。思考其中原因
微波炉的金属网，是否可以认为是微波的半 导体呢？
光子晶体的其他有趣现象
在光子晶体能带边缘， 或者金属结构的特殊 光子晶体，可能具有 某些特殊光学性质— —折射率是负数
----用于可见光和远红外光电子器件
半导体的特征？
• 周期性结构 • 完好的周期性排列不会导电：禁带 • 周期性被破坏才会导电：价带导带
根据这些线索思考一下光子晶 体（光的半导体）应该是什么 样子的？
光子晶体 光能在哪存在？
周期性结构
如果周期性排列的结构只有 在中间被打破了，猜测一下 发生了什么？
+4
+4
+4
+45
+4
++ ++ ++ ++
N型半导体
在本征半导体中掺入的
2. P型半导体 三价元素如B
+4
+43
+4
+4
+4
+4
+4
+43
+4
杂质原子提供 空穴是多子
因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
导带
受主 - - - - - - - 能级
价带 由热激发形成
lattice of split ring resonators
SCIENCE VOL 292 6 APRIL 2001
负折射率材料 让光偏离了原 有方向
思考：让光偏 离原有方向有 什么用？
人眼是如 何看到物 体的？
基于负折射的隐形材料
总结
第九章 光子晶体波导及器件
光子晶体：光的半导体
• 思考：半导体是什么？尝试由 半导体的基本特征思考光的半 导体——光子晶体应该长什么 样
9.1 半导体概念与分类
• 何谓半导体
物体分类 导体 — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属 绝缘体 — 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级， 如：橡胶、云母、塑料等。
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。
如：硅、锗、砷化镓等。
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 温度特性 温度增加使导电率大为增加
微电光子敏器器件件、 光激电光器器件
热敏器件
光照特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
猜测一下这有什么应用？
回忆半导体的能带结构光子晶体？
特定光学结构的光子晶体通常 都只对某些波长存在禁带，即 某些波段的光无法在晶体里传 输。 最理想的是做出对全波段光都 禁止的晶体
回忆生活中是否有类似光子晶体的应用？ （对某些波段光禁止传播的结构）
• 眼镜片上镀了抗紫外膜，能够阻止紫外光 透过。那么光学薄膜是否是光子晶体呢？
+4
+4
+4
价带
本征半导体
由此我们可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的
与外电场方向相反
自由电子始终在导带内运动
空穴流
价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动