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1、第十一章 半导体光电子器件原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带：空带：
2、所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴半导体的能带结构半导体的能带结构在图中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。直接带隙与间接带隙E Ef f：Fermi Fermi能级。它与物质特性有关，它并不能级。它与物质特性
3、有关，它并不是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所是物质的实体能级，而是描述电子能量分布所用的假想能级。用的假想能级。费米能级A.电子占据能量为E的状态的几率对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，电子能量大小服从电子能量大小服从Fermi-DiracFermi-Dirac统计分布规律。统计分布规律。费米分布函数变化曲线 B.B.热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的FermiFermi能级。能级。C.C.准热平
4、衡状态准热平衡状态 在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的FermiFermi能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，可以用各自的可以用各自的FermiFermi能级来描述导带和价带的载流子能级来描述导带和价带的载流子分布，亦称准分布，亦称准FermiFermi能级。能级。：导带中的：导带中的FermiFermi能级。能级。导导带中能级被电子占据的几率。带中能级被电子占据的几率。：价带中的：价带中的FermiFermi能级
5、。能级。导导带中能级被电子占据的几率。带中能级被电子占据的几率。本征半导体 N型半导体 P型半导体 半导体的能带和电子分布 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。一般状态下，本本征征半半导导体体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体，见图(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型型半半导导
6、体体，见图(c)。硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg=1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数T为绝对温度kB 为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量Eg 带隙能量本征载流子浓度例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m=9.
7、1110-31 kg，me=0.068m=6.1910-32 kg mh=0.56m=5.110-31 kg Eg=1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3非本征半导体材料：非本征半导体材料：n型型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带 EC价带 EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能
8、级型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：非本征半导体材料：p型型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图 在PN结上施加正向电压，产生
9、与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增增益益区区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布，见图4.5(c)。外加电场 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv光电效应半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足
10、够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，又称光生载流子。当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。存在的问题：1.增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行有效约束同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：-同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能-pn结区的完全由载流子的扩散形成pn同质pn结折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空
11、穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不连续分布+典型的典型的GaAlAs双异质结双异质结不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束三种跃迁：三种跃迁：自发发射、受激吸收和受激发射自发发射、受激吸收和受激发射h h E E2 2E E1 1自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁E E2 2E E1 1受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁h h h h E E2 2E E1 1受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁h h h h 受激发射的光子受激发射的光子受
12、激发射的光子受激发射的光子与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位和传播方向和传播方向和传播方向和传播方向自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下：这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不
13、是放出能量，而是消耗外来光能。受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。外来光子的能量等于跃迁的能级之差。受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。这个过程可以使光得到放大。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。物体成为发光体需要光
14、辐射 光吸收激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态 设在单位物质中，处于低能级E1和处
15、于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒
16、子(电子)数反转分布。2.粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的泵浦源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。光学谐振腔1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.光的产生及方向选择 1)少数载流子的自发辐射产生光子 2)偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3)轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3.通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗(F-P)谐振腔100%90%受激发射和受激吸收受激发射和受激吸收受激发射受激发射-能量等于导带和价带能级差的能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收受激吸收-当晶体中有光场存在时，处在当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个
