2、半导体物理学基础
按导电性 材料分类
导体 半导体
绝缘体
半导体：禁带宽度小，满带(价带)中的少部分电子在 室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相 应的电子空位(空穴)，显示出部分导电性。导电性介 于导体和绝缘体之间。 载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。
半导体的掺杂和导电类型
✓ 半导体掺杂: 半导体材料的电磁性质可以 通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变.半 导体中的杂质可以在禁带中形成电子的束
传播速度
小于光速(c)
等于光速(c)
时间特性
具时间不可逆性 具一定的类时间可逆性
空间特性
高度的空间局域 不具空间局域性
粒 子 特 性 费米子 (费米统计) 玻色子 (玻色统计)
电 荷
-e
0
自 旋
l(h)/2
l(h)
光子的优越性
✓ 1.光子具有极高的信息容量和效率 ✓ 2.光子具有极快的响应能力 ✓ 3.光子具有极强的互连能力与并行能力 ✓ 4.光子具有极大的存储能力
【光无源器件】 ----不需要外加能源驱动工作的光电子器件
光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
【光有源器件】 -----需要外加能源驱动工作的光电子器件
半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器 光开关/路由器
超高速率、超大容量信息系 统中用光子作为信息的载体 是继电子之后的最佳选择。 由此应运产生了信息光子学。
未来的集成系统必然是 光子集成回路与微电子集成电路的共融体
光电子学
光电子学是以光与物质相互作用为研究对象的一门内容极其 深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光-电 和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展， 其关键是光电子器件。
三、光电子器件
精选ppt
1
1.什么是光电子技术、光电子学 2.半导体物理学基础 3.激光基本原理 4.半导体光源 5.半导体光电探测器
1.什么是光电子技术、光电子学
光子与电子
特征
电子
光子
静止质量(m)
m0
0
运动质量(m)
me
hν/c2
传 播 特 性 不能在自由空间传播 能在自由空间传播
难点
控制能力差
电子技术的发展
✓ 半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
✓ 处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
注 意 ：
缚态能级,称为杂质能级.
施
主
若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则称 为施主杂质
能 级 和
受
若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则称
主
为受主杂质
能
级
根据掺杂类型可对半导体材料进行分类: I
在
型、P型、N型
禁
带
施主掺杂及n型半导体
ED P
施主能级和 施主电离
分析
施主能级位于禁带之中； 施主能级上的电子很容易被激发到导带
光电子技术
光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、传 输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象的新 型综合性技术领域。内容包括：
激光技术 导波光电子技术(光子学、光无源器件) 半导体光电子技术(LD、LED、APD…) 其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光…) 。。。。。。 涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数
这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电 子占据该状态的几率近似按照指数衰减。
光增益产生的条件
*平衡状态下，半导体材料内具有统一的费米能级， 辐射与吸收达到平衡，不可能使产生的光子数不断 增多，即不可能产生光增益。
*只有通过外部激励产生非平衡载流子，使载流子 处于上能态的几率大于处于下能态的几率（粒子数 反转分布），才能实现光增益。
PN 结
主要的半导体材料(由其化学元素来区分)
Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子和光电 管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、 InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电 子和各种光电子器件。
Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可 见光和远红外光电子器件。
载流子的统计分布
在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从 Fermi-Dirac统计：
f(E)1expE 1Ef (kT)
Ef 为体系的Fermi能级，k 为Boltzmann常数，T 为绝对温度。
能量E越大，几率f(E)越小，符合能量最低原理。
当T = 0K时， f(E>Ef) = 0 ,f(E<Ef) = 1 当T > 0K时， f(Ef) = 1/2
上去； 导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，
导电性主要依赖电子。
受主掺杂及p型半导体
EA
受主能级和 受主电离
分析
受主能级位于禁带之中； 价带中的电子很容易被激发到受主能
级上去； 价带的空穴浓度远大于导带的电子浓
度，导电性主要依赖空穴。
三
类
半
导
体
I型（本征）半导体
N型半导体
P型半导体
➢ I 型半导体（本征型）：无杂质或杂质浓度很低的半导 体，电子与空穴浓度基本相同。 ➢N型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大 于空穴浓度。 ➢P型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小 于空穴浓度。