PPT《第三章 半导体激光器件》

第三章 半导体激光器件

第一节 半导体能带论基础

第二节 半导体激光器件

第一节 半导体能带论基础 半导体概念与分类 各类半导体的能带结构 半导体中光与电子相互作用机理 半导体光电器件基础―PN结3.

1.1 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. ― 导电能力介于导体和绝缘体之间.如:硅、锗、砷化镓等. 半导体 ? 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光照特性 光敏器件光电器件 主要半导体材料 IV族半导体材料 ----硅Si,锗Ge 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. 常用的本征半导体 Si +14

2 8

4 Ge +32

2 8

18 4 +4 ? 本征半导体的原子结构和共价键 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键内的电子称为束缚电子 价带 导带 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子 价带中留下的空位称为空穴 禁带EG 外电场E 自由电子定向移动形成电子流 束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流 本征半导体 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 由此我们可以看出: 本征半导体 价带 导带 禁带EG ? 能带结构 自由电子 价电子与空穴 费米能级Ef 本征半导体 费米能级Ef 当T=0K时,电子占据E?>

Ef的状态的几率为零. 当T>

0K时,电子占据Ef的状态的几率为1/2. 导带中的电子绝大多数位于导带的底部;

价带中的空穴绝大部分位于价带的顶部. 本征半导体-能带结构 当T=0K时,本征半导体的费米能级在禁带的中央;

温度升高,费米能级略偏向导带一方. 温度对费米能级的影响 本征半导体-能带结构 Ec、E?―导带低和价带顶的能级mp、me―导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量

二、杂质半导体 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 掺入的三价元素如B、Al、In等,形成P型半导体,也称空穴型半导体 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 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +5 价带 导带 + + + + + + + 施主能级 自由电子是多子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 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 在本征半导体中掺入的五价元素如P +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +5 N型半导体 + + + + + + + + N型半导体 价带 导带 + + + + + + + 施主能级 Ef Ef Ef N型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +3 价带 导带 - - - - - - - 受主能级 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 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. 2. P型半导体 在本征半导体中掺入的三价元素如B +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +3 P型半导体 - - - - - - - - P型半导体 杂质半导体 价带 导带 Ef Ef Ef - - - - - - - 受主能级 P型半导体 半导体的能带结构 本征半导体 N型半导体 P型半导体 电子 空穴 导带 导带 价带 导带 价带 价带 施主 受主 本征半导体 P型半导体 N型半导体 半导体的能带结构 Ef Ef Ef 能带中的载流子 导带底的电子态密度: 价带顶的空穴态密度: 由量子力学理论而来 能带中的载流子 导带中电子浓度: 价带中的空穴浓度: 直接带隙与间接带隙半导体 k E 直接带隙材料,效率高 k E 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 主要半导体材料 IV族半导体材料 ----硅Si,锗Ge 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 ----用于集成电路、光电检测 ---用于集成电路、发光器件、光电检测 ----用于可见光和远红外光电子器件 间接带隙 导带E2 价带E1 半导体内光与电子相互作用 自发辐射 h? =E2-E1 >