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半导体光电子学 教师简介学习要求 绪 论 半导体光电子技术的发展及应用 主要内容学习本课程的意义 参考教材 半导体光电子技术的发展及应用 半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光能与电能相互转换的一门学科。涉及的学科：量子力学、固体物理、半导体物理、半导体光电子材料、半导体光电子器件、光学 半导体光电子技术的发展及应用 发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时候人们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。上个世纪60年代得到飞速发展，这主要归因于半导体激光器（LD）的出现。1962年第一台半导体激光器诞生，是由美国GE公司的霍尔(Hall)研制成的。这一时期的半导体激光器的特点是：同质结材料，激光器的阈值电流密度特别高，只能在液氮温度（77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没有任何实用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode)，1970年前苏联研制出DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异质结激光器电流密度大大降低，实现了室温下连续工作，就在同一时间低损耗光纤研制成功。 这两项技术使得光纤通信得以实现，获得飞速发展。光纤通信的发展对半导体光电子技术提出了越来越高的要求，因而促进了半导体光电子学的进一步发展，近三十年是半导体光电子学发展最快的一个时期，现在它已经发展成为一门独立的学科，半导体光电子技术是当今各国广泛关注的高科技领域。半导体光电子产业是21世纪最有希望的产业。 半导体光电子技术的发展及应用 半导体光电子器件及其应用： ①半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿命长，应用领域十分广，VCD(780nm)、CD-ROM、DVD(635nm，650nm)中读取数据，激光打印、计算机直接印刷、医疗中切割，内窥镜光源，工业中打孔、焊接、切割，泵浦源，光纤通信中光发射机的核心、中继器关键，军事上：测距、红外夜视，激光雷达，激光制导，激光打靶。（6个方面：日常、工业、医疗、军事、通信、泵浦源等） 激光中心波长:808nm、940nm、980nm 输出功率:15-50W 光谱线宽：<3nm 或 <5nm 输出方式：自由光输出或光纤输出 波长公差：+/-10 (+/-3)nm 标准寿命：10000小时 ②发光二极管（LED-Light Emitting Diode）:低电压、低功耗、高亮度、寿命远比白炽灯长，响应速度快。可见光的用作家电、仪器设备的指示灯，七段数字显示、图形显示、交通指示灯、汽车尾灯，室外大型显示（三色全了），不可见光的用在遥控器、光通信、传感器中。 ③半导体光探测器：光电成像，自动控制，辐射测量，弱信号探测，军事上，跟踪、制导、侦察、遥感。 ④太阳能电池：耗电低的产品，如万用表、时钟、电子计算机（LCD-liquid crystal display）显示的，灯塔，海上航标灯，人造卫星，家用太阳能热水器。 ⑤CCD图象传感器（固体摄像器件）：传真机、扫描仪、摄像机、数字照相机中都用到，光谱分析。 主要内容： 半导体中光子-电子相互作用 异质结及光波导方面的理论 半导体激光器 发光二极管 半导体光探测器 太阳能电池 CCD图象传感器 学习本课程的意义： 就业方向之一：半导体光电子学以半导体为基础，半导体器件有电子器件和光子器件。光电子技术发展迅速。考研：北京大学、清华大学、北师大、北邮、华中科技大学、中科院苏州纳米所、中科院半导体所 参考教材 黄德修.半导体光电子学.电子工业出版社，2013.01 江剑平.半导体激光器.电子工业出版社.2000.02 讨论和建议！第一章 半导体中光子-电子的相互作用 前言：半导体物理基础 1.1 半导体中量子跃迁的特点 1.2 直接带隙与间接带隙跃迁 1.3 光子密度分布 1.4 电子态密度与占据几率 1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系 1.6 半导体中的载流子复合 1.7 增益系数与电流密度的关系小结前言：半导体物理基础参照课件：半导体物理 上海交通大学物理系：半导体第1章半导体中的电子状态能带模型： 孤立原子、电子有确定的能级结构。在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互作用很强，在晶体中电子在理想的周期势场内作共有化运动 。 原子的内层电子的状态几乎没有变化，其能量仍是一些分立的能级，然而原子的外层电子（价电子）的状态发生了很大的变化，由于共有化运动，外层每个运动轨道容纳的电子个数增多，由泡利不相容原理知每个轨道只能容纳自旋方向不同的两个电子，轨道不够用，轨道对应的能级发生分裂，由一个变为N(固体中原子的个数)靠得很近的能级，就形成了一个能带。这样能级就变成了能带 Eg=Ec- Ev 能量低者称为价带，能量高者称为导带，导带和价带之间的带隙没有电子状态，称为禁带。 电子、空穴和有效质量 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。 半导体中一般采用电子的有效质量替代电子的惯性质量，这样载流子的运动规律就可以用经典力学方程来描述，起到了简化作用，这是一种近似，称有效质量近似，用 me表示。为了方便，空穴同样用有效质量表示，用 mh表示。讨论和建议！ 1.1 半导体中量子跃迁的特点特点：1、量子现象 2、能级 能带半导体中三种光现象 1. 受激吸收 2. 自发发射 3. 受激发射 半导体中三种光现象的关系 受激吸收与受激发射是互逆的，而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 半导体中量子跃迁的突出特点 （能级-----能带） 1. 半导体能带中存在高的电子态密度，用来产生粒子数反转分布的电子数很大，因而在半导体中可能具有很高的量子跃迁速率。可以得到比其它气体或固体激光器工作物质高几个数量级的光增益系数（可达50-100 cm-1）。 2. 半导体同一能带中不同状态的电子之间存在相当大的互作用（公有化运动），这种互作用碰撞过程的时间常数与辐射跃迁的时间常数相比是很短的，因而能维持每个带内的准平衡，电子跃迁留下空状态将迅速由其它电子补充，所以半导体激光器和其它半导体器件有很高的量子效率和很好的高频响应特性。 3. 半导体中的电子态可以通过扩散或传导在材料中传播，可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中（电子-空穴复合区），因而有很高的能量转换效率。 4. 在两能级激光系统中，每一处于激发态的电子有唯一返回的基态，而在半导体中，理想本征半导体这种跃迁选择定则还能成立，而实际的半导体中由于材料不纯，载流子之间存在相互作用，这种跃迁选择受到松弛，不严格，跃迁发生在大量的导带电子与价带空穴之间，这使得辐射谱线较宽，单色性差（固体激光器0.2×10-3 nm，半导体激光器0.02-0.05 nm）。 直接带隙与间接带隙 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，或间接跃迁。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，或直接跃迁。 跃迁的K选择定则：不管是竖直跃迁还是非竖直跃迁，也不论是吸收光子还是发射光子，量子系统总的动量和能量必须守恒。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就不遵守1.2-2式，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： 凯恩（Kane）对直接带隙跃迁Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体辐射跃迁几率[能量·体积/时间]近似表达式讨论和建议！ 1.3光子密度分布与能量分布 在讨论跃迁速率之前先弄清楚辐射场中光子密度随能量分布对分析辐射场与半导体中电子的相互作用非常重要，单位体积、单位频率间隔内的光子数—光子密度分布，需要求出两个量，一是光子状态密度，另一个是这些状态被光子占据的几率。光子状态密度由电磁场方程利用边界条件得到。占据几率服从玻色-爱因斯坦（Poise-Einstein）分布律。 光学腔内产生稳定振荡的条件是光子在腔内来回一次的光程应等于所传播的平面波波长λ的整数倍，这就是驻波边界条件 ，波长受到限制 空间驻波条件对 选取值的限制为 （m、p、q）值确定一个K 每个K在K空间中占据的体积为 之间的光子数为
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