半导体中光子-电子的相互作用PPT.ppt

第一章 半导体中光子-电子的相互作用;半导体物理基础;原子相互靠近→能级分裂→能带 （允带） 允带和允带之间的能量间隔——禁带 较低的能带被价电子填满，较高的能带是空的。对于半导体来说，能量最高的满带称为价带，能量最低的空带称为导带。 导带：接收被激发的电子（半导体） 价带：通常被价电子填满（半导体） Ec：导带底的能量 Ev：价带顶的能量 Eg：禁带宽度，是打破共价键所需的最小能量，是材料特有的重要特性。;导体、半导体、绝缘体的能带论解释; 电子和空穴 半导体由于Eg较小，在室温下，由于热激发或入射光子吸收，使得价带中一部分电子跃迁到导带中，一个电子由价带跃迁至导带，就在价带留下一个空量子状态，可以把它看成是带正电荷的准粒子，称之为空穴（hole）。这个过程是电子-空穴对的产生，反之电子由导带跃迁至价带，价带内丢失一个空穴，是电子空穴对的复合。二者为载流子。 ;1.1 半导体中量子跃迁的特点;半导体中三种跃迁现象： 1. 受激吸收 2. 自发发射 3. 受激发射 ;受激吸收;自发发射;受激发射;三种跃迁现象的区别与联系： 受激吸收与受激发射是互逆的。 受激发射与自发发射的区别在于这种跃迁中是否有外来光子的参与 。 同一种光电子器件中，有可能同时并存以上两种甚至三种跃迁过程。;半导体中量子跃迁过程的突出特点： 量子跃迁速率高，光增益系数大。 频响应特性好，量子效率高。 能量转换效率高。 半导体LD比普通LD有更宽的谱线宽度。;1.2 直接带隙与间接带隙跃迁;;;跃迁与跃迁选择定则： 跃迁发生在导带能量极小值与价带能量极大值之间 间接带隙半导体中电子在导带极小值与价带极大值之间的跃迁在能带图中表现为非竖直方向，称为非竖直跃迁（间接带隙跃迁）。 直接带隙半导体中电子在导带极小值与价带极大值之间的跃迁在能带图中表现为竖直方向，称为竖直跃迁（直接带隙跃迁）。 ; 给定电子跃迁的初始态能量和动量及终态能量和动量，当跃迁只涉及一个光子时，选择定则可表示为：; 在间接带隙半导体中 上式不再相等，为满足选择定则，跃迁过程一定有声子参与（声子：晶格振动能量的单位，有能量、动量）。 这时动量守恒可表示为： ; 在间接带隙半导体中，导带电子与价带空穴如果直接复合就不满足动量守恒定律。因此，间接带隙半导体导带电子与价带空穴的复合必须借助复合中心。 这个复合中心可以是晶体缺陷或杂质，它处于价带顶上方的带隙中的Er处。当电子与空穴复合时，电子首先被复合中心俘获，然后再与空穴复合。在俘获过程中电子的能量和动量改变传递给晶格振动，即传递给声子。这样会降低发光效率。所以，大多数发光装置都不采用这种材料，而采用直接带隙半导体材料。 ;GaAs就是一种直接带隙半导体材料。它的晶体结构如图。 ; 通常，半导体激光器发射的光子能量接近带隙能量。发光波长和带隙能量用下面的式子估计; 为了使半导体发出的光处于现代光通信的波段，通常选用GaxIn1-xAsyP1-y(InP)材料。这里0≤x≤1，0≤y≤1，它们分别表示Ga和As含量的百分比。 P和As都是5价原子，用P取代一部分As，那么晶体的结构以及类型不会改变，只是改变能带和晶格常数。同样，用In取代一部分Ga，也只是改变能带和晶格常数。原则上，通过改变x或y的值，在一定的范围内就可以得到想要的带隙，也就得到想要的发射波长。; 在光通信波段的半导体激光器的制造过程中，通常是以InP材料为衬底的，然后在它的表面外延生长GaxIn1-xAsyP1-y材料。这就要求外延生长的材料的晶格常数要与InP材料的晶格常数(0.587nm)一致。否则的话，半导体材料中就会出现缺陷，从而影响半导体激光器的发光质量和半导体激光器的寿命。外延生长的材料的晶格常数要与衬底材料一致的情况，也称为晶格匹配。; 在与InP材料晶格匹配的限制下，x和y的取值必须符合一定条件：; 跃迁几率 ; 思路： 按照量子力学原理，电子从初态跃迁到终态的跃迁几率B21取决于两个因素： 1. 微扰哈密顿量H’的表达式 2. 描述电子运动状态的波函数 跃迁几率的数学表述： ; 具体推导： 1. 先求H’的表达式 2. 再求波函数 的表达式 ; 3. 代入跃迁公式求解： 凯恩（Kane）对直接带隙跃迁Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体辐射跃迁速率近似表