光电信息导论2

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1、光电信息导论中山大学电子与信息工程学院王钢stswangg@mail.sysu.edu.cn参考书目：《半导体物理学》刘恩科（第七版）《半导体器件物理》施敏（第三版）1.半导体光电子基本理论1.1晶体结构1.2晶体能带理论1.3半导体中的光学过程1.4半导体的极性与掺杂1.5半导体PN节1.2晶体能带理论晶体的电子轨道：能带理论为什么有的材料能导电，有的材料不能？为什么有的材料发蓝光，有的材料发红光，有的材料发红外光？为什么光电子器件加电压后能够发光？电能如何有效的转化为光能？红外探测器、紫外探测器如何探测光信号并转换为电信号？能带理论

2、是光电子材料、光电子器件的理论基础！1.2晶体能带理论晶体的电子轨道：能带理论重点掌握：从能带的角度理解金属、半导体、绝缘体的差异和成因。半导体的能带特点。不同材料的电阻率导体：≤10-6ohm*cm半导体：10-3~108ohm*cm绝缘体：109~1022ohm*cm金属半导体绝缘体1.2晶体能带理论原子轨道：电子通过分立能级，能量由高到低排布在原子核周围。原子核-壳模型氢原子电子云玻尔模型：原子的电子轨道并非连续分布，而是具有不连续性。电子只能在这些特定的轨道之间发生跃迁。这是量子力学的结果。因此跃迁所发射的光谱是分立的谱线而非

3、连续谱线。孤立氢原子：分立能级1.2晶体能带理论分子：几个原子通过各自最外层电子的成键，紧密结合在一起。《NatureMaterials》：中国科学家首次观察到水分子内部CO电子云HO电子云结构。22分子和固体材料的成键，实际上是相互靠近的不同原子的最外层电子（有时候也包括次外层）互相作用的结果。在量子力学的理论框架下，两个原子合并后电子轨道发生了重整。分裂成反键态和成键态：一般一个轨道能容纳两个电子。由于成键态能量低，因此被两个电子填满，反键态则为空态。成键态相当于提供了电子对之间相互连接的“力”。什么是能带：外层电子处于周期性电势场

4、（即晶体）时，在满在量子力学中，电子所处的“周期性势场”是指周期排足量子力学限制的情况下，电子态布的原子和外层电子的相互和电子的布居状况。相比于孤立原作用。简单的说，可以认为子时电子态呈分立的能级，晶体中是这个势场是由周期排布的电子态一般呈现分立的“能带”。原子实提供的。能带的形成1.原子外层电子能级相互作用，形成成键态和反键态。由于电子态的相互作用（类似于库伦排斥力），成键（能级低）和反键（能级高）态相互分离。两者之间不能有电子态存在。（其具体过程是量子力学的推导结果，本课程不要求掌握。）2.对于晶体而言，其由无穷多个原子组成，所形成的反键态

5、十分密集的排列在一起，形成了导带，导带内的电子能级排列得十分紧密，可以认为是近似连续分布的。价带也有类似的情况。禁带能带的形成3.原子形成晶体后，原子贡献各自的外层电子态形成导带和价带。但在导带和价带之间有一个空隙，电子态不能分布在其中。这一空隙被称为禁带（带隙），其具体大小称为禁带宽度。4.晶体中的原子除了贡献电子态，还贡献电子用以填充这些态。由于每个电子态可以容纳两个（自旋相反的）电子，因此这些电子首先填充能量低的价带，且刚好可以完整的填充价带。在这种情况下，晶体的能带中，价带是全满带，而导带是全空带。禁带半导体中的载流子并非所有的电子都

6、具有导电能力。材料中大多数电子都不具有导电能力（亦即无法传递能量）。导带中的电子才具有导电能力。价带中的电子不具有导电能力！全满的价带电子无法导电（空间角度）：价带电子是用以提供原子和原子之间的成键的，因此从空间上看，这些电子必然被束缚在与其对应的原子周围，无法自由运动，因此也就无法传导电流。半导体中的载流子半导体中的载流子：常规半导体中具有两种可以导电的粒子，即电子（electron）和空穴（hole），统称为载流子（carrier）。空穴：价带中的电子“空缺”。一般情况下价带是全满的，如果人为的移走，或者将一个价带电子激发（如下图）到

7、导带中，则会在价带中留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴具有导电能力。半导体能带填充状态：半导体一般可以为满带、空带或者半满带。前两者都不具有导电能力，半满带才具有导电能力。金属VS半导体VS绝缘体材料带隙（eV）导电性从能带角度来理解，材料的导电性取决石墨烯0导电二维材料于其禁带宽度。Graphene对于金属，由于其电子态之间的排斥力InN0.7窄禁带半导体较弱，不足以分开导带和价带，因此导带和价带部分的重叠，材料中存在半满带。Si1.1窄禁带半导体半导体在绝对零度时GaAs1.4窄禁带半导体是绝缘体，但由于带隙GaP2.3宽禁带半导

8、体相比绝缘体小，在特定ZnO3.3宽禁带半导体情况下容易导电（热激GaN3.4宽禁带半导体发、光激发、掺杂等）。AlN6.1宽禁带半导体或绝缘体蓝宝石