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1、半导体光电子器件半导体光电子器件——一种利用在半导体内光子与电子相互作用达到光能与电能相互转换目的的器件。分为三大类：①发光二极管（LED）和激光二极管（LD）②光电探测器或光电接收器③太阳能电池参考书•刘恩科等“半导体物理学”（第七版）,电子工业出版社,2011.•黄德修“半导体光电子学”,电子工业出版社2013.•A.Yariv“OpticalElectronics”,ThirdEdition,1985.•黄章勇“光纤通信用光电子器件和组件”,北京邮电大学出版社2001.•S.M.SzeandK.K.Ng,PhysicsofSemicondutorDevice
2、s,3rd,JohnWiley&SonsInc.(2006).施敏、伍国珏著，耿莉、张瑞智译，《半导体器件物理》，西安交通大学出版社,2008.•Jia-MingLiu,PhotonicDevices,CambridgeUniv.2005.•E.F.Schubert,Light-EmittingDiodes,CambridgeUniv.2010.第一章半导体光电子器件基础1一般而言，制作半导体光电子器件的最基本材料是半导体材料，因而先补充介绍一些半导体物理的基本知识，包括半导体中的电子状态和能带、本征与掺杂半导体、pn结等内容。一、半导体中的电子状态和能带1、原子
3、的能级和晶体的能带制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间距只有几个埃的量级。晶体内部结构的周期性可以用晶格来形象描述。晶格是由无数个相同单元周期性重复排列组成的，这种重复排列的单元称为晶胞。其中最简单、体积最小的晶胞称为原胞。1埃(Å)=10-10米(m)晶体的结合形式一般的晶体结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。半导体材料主要靠的是共价键结合。共价键的特点：饱和性：一个原子只能形成一定数目的共键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；电子的共有化
4、运动当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；半导体中的电子状态电子状态是指电子的运动状态，又常称电子态、量子态等。半导体的各种应用都和半导体中的电子状态有关。在研究半导体中的电子状态时，最感兴趣的正是价电子的电子状态。主要是价电子是原子的最外层电子，受原子的束缚比较弱，所以共
5、有化的特征就比较显著。能带理论是描述半导体中电子状态的基础。周期性势场在绝热近似和单电子近似下，晶体中电子所处的势场可以看做周期性势场。表示为vvrvV(r)=V(r′)=V(r+R)m在周期性势场中，属于某个原子的电子既可以在该原子附近运动，也可以在其他的原子附近运动。前者称为局域化运动，而把后者称为共有化运动。•单电子近似—（又称哈特里-福克近似）电子的运动便由仅包含这个电子的坐标的薛定谔方程（波动方程）决定，表示为2h2vvv[−∇+V(r)]ψ(r)=Eψ(r)2m能带布洛赫定理vikv.rvvψ(r)=eu(r)kk薛定谔方程（波动方程）2h2[−∇+V
6、(r)]ψ(r)=E(r)ψ(r)(1)2m而u(k)必须同时具有晶体周期性kvvvu(r+R)=u(r)kmk求导后有2h12[(∇+k)+V(r)]u(r)=E(r)u(r)(2)kk2mi微分方程2h12[(∇+k)+V(r)]u(r)=E(r)u(r)(2)kk2mivE=E(k)nvikv.rvvψ(r)=eu(r),n=1,2,3...n,kn,k当两个原子相距很远时，如同两个孤立的原子，每个能级是二度简并的。当两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场的作用，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距
7、很近的能级，两个原子靠得越近，分裂得越厉害。当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。2、金属、绝缘体与半导体所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。量子力学与固体能带论的发展，使人们认识到固体导电性可根据电子填充能带的情况来说明。固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。也就是说，电子与外电场间发生了能量
8、交换。从能
