半导体物理基础光源、光检测器主讲：李彬中国传媒大学信息工程学院半导体物理基础、光源、光检测器 背景知识，量子物理基本概念•半导体能带模型•PN结光源•PN结电致发光：发光二极管（LED）•双异质结构激光二极管（LD）•半导体激光器的静态，动态特性，温度特性 光检测器•PIN光电二极管•APD光电二极管1900年普朗克为解释黑体辐射问题提出了谐振子能量以不连续的量值改变的量子假设。

ε=hν爱因斯坦光子理论：光的粒子性=ε/c2＝hν/c2mφc=hν/c=h/λp=mφ氢原子光谱，波尔氢原子理论3个基本假设德布罗意波E＝hv，p＝h／λ，将表征粒子性的物理量能量、动量与表征波性的频率、波长通过一个常数h等效。

薛定谔方程几率波,氢原子量子化原子的壳层结构原子中电子的状态：主量子数，角量子数，磁量子数，自旋量子数固体中能带的形成在单个原子中：电子具有的能量是不连续的，这些不连续的能量可以借助于能量图上的一系列能级来表示。

当电子从原子中挣脱出来，进入离子化状态后，此时的能量已经没有一级一级的差别，而在能量图上形成能量连续的区域，这时电子可以自由运动，称为自由电子。

在晶体中：当大量原子作有规则排列而形成晶体时，相邻原子电荷相互影响在晶体内形成周期性电场。

它也是一种势垒。

晶体中能带的形成晶体中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。

这种作用对内电子和价电子是不同的，内电子受原子核束缚作用强，从而受影响小，价电子由于轨道大小和相邻原子距离是相同数量级的，所以受影响显著。

量子力学容许电子在势垒宽度变小的情况下通过隧道效应穿越势垒进入另一个原子，这样价电子就不再分别属于各个原子而被整个晶体中的原子共有。

价电子共有化之后原来电子的能级也要发生变化。

按照量子力学的理论，处于周期性势场中运动的粒子即具有能带结构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相互作用分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，这些能级基本上联成一片，形成能带。

晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。

做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。

因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。

每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图所示。

内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽导体非导体半导体，绝缘体：满带：填满电子的能带空带：完全没有电子的能带 导带：未填满电子的能带 价带：与导带相邻的满带，相应于原子的最外层价电子能级禁带：隔离导带和满带，能带间不允许电子存在的能量状态，导体导带满带禁带空带满带满带非导体满带电子进入导带后就有机会在电场作用下运动，占据新能级，这种定向运动的结果就是使晶体能够导电。

绝缘体、导体和半导体¾导体和非导体导体满带中的电子均处于成键或束缚状态，由于Pauli 不相容原理，这些电子在外电场作用下不能形成电流。

只有部分状态被电子占据的能带中的电子可以在外场作用下转移至其他动量状态并形成电流。

导带满带禁带空带满带满带非导体满带¾半导体导带价带当非导体的禁带宽度较小时，处于满带中的部分电子在室温下即可热激发至空带形成可以导电的电子，而在满带中留下电子空位（空穴）。

空穴的性质与带正电荷的电子相似，也可形成电流。

电子与空穴统称载流子。

这种材料的导电性介于导体和绝缘体之间，故称半导体。

由于最上层的满带相应于最外层价电子能级，故称价带。

半导体空穴：当半导体中一部分电子从满带跃迁到导带中之后，在满带中留下一些空位，这些空位的存在，造成了满带中导电的条件，这些在满带中因失去电子而留下的空位通常称为空穴。

空穴导电：满带中的电子在电场作用下运动，跃入相邻的空穴，而在原先位置上留下新的空穴。

半导体和绝缘体的差别在于禁带宽度的不同。

（界限约1.5电子伏，）因而在一般温度下从满带激发到导带的电子数不同。

半导体的掺杂和导电类型导带施主能级禁带受主能级价带I 型（本征）半导体N型半导体P型半导体I 型半导体：无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。

杂质能级：杂质原子能造成对周期性晶格势场的扰动，从而在禁带中形成电子的束缚态能级。

若杂质态含有电子，则称为施主杂质；若杂质态为空，则称为受主杂质。

N型半导体：掺有施主杂质的半导体。

其电子浓度大于空穴浓度。

P型半导体：掺有受主杂质的半导体。

其电子浓度小于空穴浓度。

半导体材料的分类¾直接带隙和间接带隙直接带隙材料：导带最底点与价带最高点具有相同的k 值。

间接带隙材料：导带最底点与价带最高点的k 值不同。

半导体材料的分类由于半导体内光子与电子的相互作用所伴随的带间跃迁需要满足能量和动量守恒条件，与电子相比，光子动量可忽略，仅有光子参与的带间跃迁要求电子的始末态具有相同的k值（k选择定则）。

因此直接带隙材料具有良好的光电性质，而间接带隙材料则不然。

¾主要的半导体材料Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子器件和光电管。

Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、I nAlGaAs/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。

粒子的统计分布¾Fermi-Dirac 统计分布（电子）()[]kTE E E f f −+=exp 11)(¾Bose-Einstein 统计分布（光子）自旋为半奇数（电子为1/2）的粒子为费米子，一个状态只能容纳一个粒子。

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：E f 为体系的Fermi 能级，k 为Boltzmann 常数，T 为绝对温度。

T = 0K 时，f (E ) = 0 for E > E f ；f (E ) = 1 for E < E f 。

当T > 0K 时，f (E f ) = 1/2。

E -E f >> kT 时，Fermi 分布退化为经典的Boltzmann 分布：()[]kT E E E f f −−=exp )(自旋为整数（光子为1）的粒子为玻色子，一个状态可容纳任意数目的粒子。

在热平衡状态下，能量为E 的状态上的平均粒子数服从Bose-Einstein 统计：()1exp 1)(−=kT E E f费米能级：绝对零度情况下电子所能占据的最高能级。

一般温度下，被占满的几率为1/2的能级的能量费米能级是一个特殊的能级，它位于两种能带的间隙，电子具有这个能量后，跃迁到两种能带的可能均为50％。

相对纯净的硅材料而言，P型半导体的费米能级远离导带，而N型半导体的费米能级靠近导带。

光与电子的相互作用¾自发辐射复合¾受激吸收和光生载流子¾受激辐射复合νhE=λ波粒二象性：p=h非平衡载流子和光增益平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。

由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。

为获得光增益，加外界激励使得电子占据上能态的几率大于占据下能态的几率。

PN结两种不同掺杂的半导体，P型，N型 PN结的形成N型，P型半导体内建电场正偏，反偏p、n区接触后，p型半导体中的空穴向N型半导体中扩散，而n型半导体中的电子向p型半导体中扩散。

导致界面两侧出现正负电荷的积累，形成由N区指向p区的结电场，并阻止电子和空穴的进一步扩散。

当达到动态平衡时，形成由n 向p逐渐递减的结电压U0，称为pn结的接触电势差。

从而使pn结两端电子具有能量差eU0（电子带负电，势能越高处能量越低。

因p端电势低，所以p端电子能量大）。

这一电势差相当于一个势垒，阻止双方的进一步扩散。

PN结电致发光：发光二极管（LED）¾基本原理给PN结加正向偏压，PN结势垒降低，外建电场削弱了内建电场对载流子扩散的阻挡作用，这时PN结内原来靠载流子扩散所建立起来的平衡被外电场作用下注入的非平衡载流子所破坏。

注入到耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子。

当外电场作用下注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合产生光子的速率超过材料对光子的吸收速率的时候就在半导体内产生光增益。

同质结器件的不利因素1.非平衡载流子弥散在较宽范围，不能有效限制在节区2.由同种材料构成，不具有波导效应，产生的光场也弥散在较宽范围内。

异质结：不同带隙的半导体材料构成。

同型，异型异质结：掺杂成分。

双异质结：由两层宽带隙和中间一层窄带隙材料构成。

通常包含一个同型异质结和一个异型异质结。

作用：提高注入效率和受激辐射效率，中间层折射率高，形成波导。

PN结电致发光：发光二极管（LED）¾器件结构发光二极管利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此LED的出射光是一种非相干光，其谱线较宽(30nm～60nm)，辐射角也较大。

在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电（路较为简单，并且产量高、成本低。

在光纤通信中获得了广泛应用的有两种LED：•面发光二极管(SLED)•边发光二极管(ELED)。

PN结电致发光：发光二极管（LED）¾器件结构面发光二极管(SLED)有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法在正对有源区部位形成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。

在P ＋GaAs 侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中源区的电流密度约。

这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。

为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高2—3倍。

双异质结生长在二极管顶部的nGaAs 衬底上，PGaAs 有源层厚度仅l μm ～2μm ，与其两边的nAlGaAs 和pGaAs 构成两个异质结，限制了有源层中的载流子及光场分布。

ELED的结构图ELED的结构图如图所示。

这种结构的目的是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性，光从有源层的端面输出。

LED的输出光功率P与电流I的关系，即P—I特性如图所示，它是非阈值器件，发光率随工作电流增大，并在大电流时逐渐饱和。

LED的工作电流通常为50mA-100mA，偏置电压1.2 V-1.8 V,输出功率约几mW。

工作温度升高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。

例如当温度从20℃升高到70℃时，输出功率下降约一半，相对而言，温度的影响要比LD小。