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1、光子学器件与工艺复旦大学信息学院 光科学与工程系 2008,9 - 2009,1主讲：主讲：张荣君张荣君 E-mail：本次课内容从光子学器件物理基础从光子学器件物理基础 到到 光有源器件光有源器件1、 光在介质中的传播、 光在介质中的传播 光在介质中开放性传播为行波态（相位匹配）；光在介质中开放性传播为行波态（相位匹配）； 光在介质中封闭性传播为驻波态（谐振模式）。光在介质中封闭性传播为驻波态（谐振模式）。光子学器件的物理基础：光子学器件的物理基础：2、光调制的物理基础、光调制的物理基础光的调制指光子光的调制指光子(或光波或光波) 载体载入信息的物理过程， 通过施加外场可以调制光波的振幅、相
2、位和频率，最 常见的是通过施加外场调制光波的振幅或相位。载体载入信息的物理过程， 通过施加外场可以调制光波的振幅、相位和频率，最 常见的是通过施加外场调制光波的振幅或相位。3、粒子系统中的光跃迁、粒子系统中的光跃迁光跃迁就是有光子参与的固体原子系统中能量交换过 程，主要有三类：光吸收跃迁、自发辐射跃迁和受激 辐射跃迁。光跃迁就是有光子参与的固体原子系统中能量交换过 程，主要有三类：光吸收跃迁、自发辐射跃迁和受激 辐射跃迁。4、介质的光学非线性特性、介质的光学非线性特性5、量子阱能带工程及其应用：新一代光子器件诞生的 摇篮、量子阱能带工程及其应用：新一代光子器件诞生的 摇篮第二章 半导体物理基础
3、知识简介第二章 半导体物理基础知识简介一、 原子的能级结构一、 原子的能级结构?原子由原子核和核外电子组成。原 子核带正电，电子带负电。原子核所 带的正电与核外电子所带的负电的总 和相等。因此，整个原子呈电中性 。原子由原子核和核外电子组成。原 子核带正电，电子带负电。原子核所 带的正电与核外电子所带的负电的总 和相等。因此，整个原子呈电中性 。?电子在原子中的运动轨道是量子化 的 。（电子在原子中的运动轨道是量子化 的 。（轨道的量子化是指原子中的电子以一定 的几率出现在各处，即原子中的电子只能在各个 特定轨道上运行，不能具有任意轨道；电子的能 量不能取任意值，而是具有确定的量子化的某些 离
4、散值，是不连续的。这些分立的能量值叫做原 子的能级轨道的量子化是指原子中的电子以一定 的几率出现在各处，即原子中的电子只能在各个 特定轨道上运行，不能具有任意轨道；电子的能 量不能取任意值，而是具有确定的量子化的某些 离散值，是不连续的。这些分立的能量值叫做原 子的能级）原子结构模型图原子结构模型图n=1n=2n=3n=4n=5基态第一激发态E(eV)E14E19E116E125E1粒子分立能级示意图粒子分立能级示意图?当原子中电子的能量最小 时，整个原子的能量最低， 这个原子处于稳态，称为当原子中电子的能量最小 时，整个原子的能量最低， 这个原子处于稳态，称为“基 态基 态”；当原子处于比基
5、态高的 能级时，称为；当原子处于比基态高的 能级时，称为“激发态激发态”. .?通常情况下，大部分原子 处于基态，只有少数原子被 激发到高能级，而且，能级 越高，处于该能级上的原子 数越少。通常情况下，大部分原子 处于基态，只有少数原子被 激发到高能级，而且，能级 越高，处于该能级上的原子 数越少。二、 固体的能带结构二、 固体的能带结构1.电子的共有化：1.电子的共有化：? 在正常状态下，原子中的电子并不能都处于最低 能级上。因为泡利不相容原理指出，每一能级上 至多只能有两个电子，且它们的自旋方向还必须 相反。在正常状态下，原子中的电子并不能都处于最低 能级上。因为泡利不相容原理指出，每一能
6、级上 至多只能有两个电子，且它们的自旋方向还必须 相反。? 能量愈高，相邻能级的间隔就越小，电子从下一 能级过渡到上一能级也就越方便。当电子从原子 中挣脱出来，而进入离子化状态后，这时能量已 没有一级一级的差别，而在能量图上形成一个能 量连续的区域，这时电子可以自由运动，所以称 为能量愈高，相邻能级的间隔就越小，电子从下一 能级过渡到上一能级也就越方便。当电子从原子 中挣脱出来，而进入离子化状态后，这时能量已 没有一级一级的差别，而在能量图上形成一个能 量连续的区域，这时电子可以自由运动，所以称 为自由电子自由电子。? 电子共有化是一种量子效应而非经典的性质:电子共有化是一种量子效应而非经典的
7、性质:由于原子离得很近，每个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。这种作用对于内电 子和价电子的影响是不一样的。内电子被本身原子核 牢牢地束缚着，所以所受的影响并不显著。价电子却 不然，它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量 级的，所以所受的影响很显著。按照经典物理，电子 是不能从一个原子转入另一个原子里去的；而量子力 学却容许电子通过隧道效应进入另一个原子。这样， 价电子就不再分别属于各个原子，而被整个晶体中原 子所共有，这就是电子的共有化。由于原子离得很近，每个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。这种作用对于内电 子和价电子的影响是不一样的。内电子被
8、本身原子核 牢牢地束缚着，所以所受的影响并不显著。价电子却 不然，它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量 级的，所以所受的影响很显著。按照经典物理，电子 是不能从一个原子转入另一个原子里去的；而量子力 学却容许电子通过隧道效应进入另一个原子。这样， 价电子就不再分别属于各个原子，而被整个晶体中原 子所共有，这就是电子的共有化。2. 能带的形成：2. 能带的形成：? 量子力学证明，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 子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近 的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成 能带。量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原 先每
9、个原子中具有相同能量的电子能级，因各原 子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近 的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成 能带。? 能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙（也 叫禁带），带隙宽度用电子伏特（能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙（也 叫禁带），带隙宽度用电子伏特（eV）表示。）表示。? 带隙下方与价电子对应的低 能量区称为价带，它是由价 电子能级分裂形成的能带。带隙下方与价电子对应的低 能量区称为价带，它是由价 电子能级分裂形成的能带。? 价带上方高能量区称为导带价带上方高能量区称为导带 （价带中的能级若没有被电子全 部填满，电子可以进入未被填充 的高能级，从而形成定向电
10、流。 这样的能带称为导带）（价带中的能级若没有被电子全 部填满，电子可以进入未被填充 的高能级，从而形成定向电流。 这样的能带称为导带）。? 导带底的电子能量比价带顶 的电子能量高，其值等于带 隙宽度导带底的电子能量比价带顶 的电子能量高，其值等于带 隙宽度Eg(简称(简称带隙的能量带隙的能量).).? 能带中的各个能级都被电子 所填满的能带，称为满带。 满带中电子不起导电作用.能带中的各个能级都被电子 所填满的能带，称为满带。 满带中电子不起导电作用.空带空带价带价带满带满带E导带导带晶体的能带结构晶体的能带结构3. 导体、半导体和绝缘体的能带结构 ：3. 导体、半导体和绝缘体的能带结构 ：
11、? 导体导体电阻率为10电阻率为10-8-810102 2欧姆欧姆米的物体；米的物体；? 绝缘体绝缘体电阻率为10电阻率为108 810101616欧姆欧姆米的物体；米的物体；? 半导体半导体电阻率则介于导体与绝缘体之间，如硅、硒、 、锗、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各种金属氧化 和其他许多无机物质。电阻率则介于导体与绝缘体之间，如硅、硒、 、锗、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各种金属氧化 和其他许多无机物质。? 从本质上说，半导体和绝缘体在能带结构上没有什么差别从本质上说，半导体和绝缘体在能带结构上没有什么差别 不过半导体的带隙较窄，约从十分之几eV到1.5eV，而绝缘体的带隙较 宽，
12、约从1.5eV到十个eV。在任何温度下，由于电子的热运动，将使一 些电子从满带越过禁带，激发到导带里去。因为导带中的能级在被热激 发电子占据之前是空着的，所以电子进入导带后，就有机会在电场作用 下，沿着电场相反的方向运动，去占据新的能级。这种定向运动的结果 就使晶体能够导电。绝缘体的禁带一般很宽，所以在一般温度下，从满 带热激发到导带的电子数是微不足道的，这样，它的外在表现便是电阻 率很大。半导体的禁带较窄，所以在一般温度下，热激发到导带去的电 子数也较多，电阻率因而较小。不过半导体的带隙较窄，约从十分之几eV到1.5eV，而绝缘体的带隙较 宽，约从1.5eV到十个eV。在任何温度下，由于电子
13、的热运动，将使一 些电子从满带越过禁带，激发到导带里去。因为导带中的能级在被热激 发电子占据之前是空着的，所以电子进入导带后，就有机会在电场作用 下，沿着电场相反的方向运动，去占据新的能级。这种定向运动的结果 就使晶体能够导电。绝缘体的禁带一般很宽，所以在一般温度下，从满 带热激发到导带的电子数是微不足道的，这样，它的外在表现便是电阻 率很大。半导体的禁带较窄，所以在一般温度下，热激发到导带去的电 子数也较多，电阻率因而较小。禁 带Eg半 导 体 能 带 简 图绝 缘 体 能 带 简 图E导 带单 价 金 属 能 带 简 图价 带E导 带金 属 导 体 能 带 简 图满 带E导 带E满 带导
14、带Eg 禁 带 满 带4. 半导体的特性 ：4. 半导体的特性 ：半导体之所以能成为制作半导体元器件的材料，并不 是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由 于它具有一些独特的导电性能。如光电导效应、光生 伏特效应和温差电效应等。半导体之所以能成为制作半导体元器件的材料，并不 是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由 于它具有一些独特的导电性能。如光电导效应、光生 伏特效应和温差电效应等。? 本征半导体本征半导体纯净的半导体单晶称为本征半导体。 它的导电性能取决于价带中电子向导带的跃迁。因此 在外电场作用下，既有发生在到导带中的电子的定向 运动，又有发生在价带中的电子的定向运动，它兼
15、具 电子导电和空穴导电的两种机构，这类导电性称为本 征导电。纯净的半导体单晶称为本征半导体。 它的导电性能取决于价带中电子向导带的跃迁。因此 在外电场作用下，既有发生在到导带中的电子的定向 运动，又有发生在价带中的电子的定向运动，它兼具 电子导电和空穴导电的两种机构，这类导电性称为本 征导电。? 自由电子和空穴自由电子和空穴在绝对温度0K( 即-273)，又无外部激发时，由于 共价键中的价电子被束缚着，半导体 中没有可以自由运动的带电粒子在绝对温度0K( 即-273)，又无外部激发时，由于 共价键中的价电子被束缚着，半导体 中没有可以自由运动的带电粒子 载流子。因此，即使有外电场的作用 也不能
16、产生电流。此时的半导体相当 于绝缘体。但是当有外部激发，如温 度升高或光照时，就会使一些价电子 获得能量后，挣脱共价键束缚，而成 为自由电子，也叫电子载流子，电荷 量为q。这种现象叫做本征激发。 当价电子挣脱共价键的束缚成为自由 电子后，在共价键中就留下一个空位 子，叫空穴。如右图所示。而邻近的 共价键内的价电子就会跑过来填充， 在原来的位置产生一新的空穴，相当 于空穴在移动。空穴是由于失去价电 子形成的，故它是带正电载流子。载流子。因此，即使有外电场的作用 也不能产生电流。此时的半导体相当 于绝缘体。但是当有外部激发，如温 度升高或光照时，就会使一些价电子 获得能量后，挣脱共价键束缚，而成 为自由电子，也叫电子载流子，电荷 量为q。这种现象叫做本征激发。 当价电子挣脱共价键的束缚成为自由 电子后，在共价键中就留下一个空位 子，叫空穴。如右图所示。而邻近的 共价键内的价电子就会跑过来填充， 在原来的位置产生一新的空穴，相当 于空穴在移动。空穴是由于失去价电 子形成的，故它是带正电载流子。+
