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1 光电器件基础·期末复习指导 第一章半导体光学基础知识 [基本概念] 1.光电子技术:光子技术和电子技术相结合而形成的一门技术。 2.光的波粒二象性：某物质同时具备波的特质及粒子的特质。 3.直接带隙半导体:导带底和价带顶在k 空间同一点的半导体 4.间接带隙半导体: 导带底和价带顶不在k 空间同一点的半导体 5.内建电场: 半导体pn结界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从n 型区一侧指向p 型区一侧的电场 6.半导体异质结构：专指不同单晶半导体之间的晶体界面。 [基本理论] 1.光的电磁波谱 众所周知，光是一种电磁波。如图1.5 所示，从无线电波到γ 射线的整个电磁波谱中，光辐射只是从波长1 nm ~ 1 mm（频率为3×1011 Hz ~ 3×1017 Hz）范围内的电磁辐射，它包括真空紫外线、紫外线、可见光、红外辐射等部分。可见光是波长为380 nm ~ 780 nm 的光辐射，这一波段范围内的电磁波被人眼所感知。 图1.5 光的电磁波谱 2.pn 结的伏安特性 pn结加正向偏压时，通过pn 结的电流主要为扩散电流，电流随电压成指数增加；加负向偏压时，扩散运动受到严重抑制，通过pn 结的电流主要是很小的漂移电流。这里仅给出电流电压关系为 其中 上式称为理想二极管方程。它是在很大电流与电压范围内pn 结电流电压特性的最佳描述。图1.17 为pn 结电流电压关系曲线。假如Va 为负值（反向偏压），反偏电流会随着反偏电压的增大而迅速趋向于一个恒定值-Js，与反向偏压的大小就无关了。Js 称为反向饱和电流密度。很显然，pn 结的电流电压特性是非对称的。 [综合问题] 1.单晶硅、锗与砷化镓能带结构有何特点？ 硅和锗的能带结构有何特点： 硅和锗的导带在布里渊区中心虽然都有极小值，但导带中最小的极小值却不在布里渊区中心Γ 点，如图1.10所示，硅导带中的最小极值在空间[1 0 0]方向上，Γ 点之间的距离约为Γ 点和X 点间距的5/6，锗导带中的最小极值在空间[1 1 1]方向上的L 点处。通常把导带极小值附近的那部分能带称为能谷。由于晶格的对称性，硅导带共有6 个等价的能谷，以每个能谷最低点为中心的等能面是旋转椭球面，如图1.11(a)所示，共有6 个这样的旋转椭球面，旋转椭球面长轴沿[1 0 0] 方向，称为纵向，与之垂直的两个短轴长度相等，称为横向。锗导带上有8 个最低等价点，有8 个旋转椭球面，如图1.11(b)所示，不过每个椭球面只有一半位 于第一布里渊区内，可以看出其长轴沿着[1 1 1]方向。 图1.11 硅和锗的导带等能谷示意图 图1.12 砷化镓能结构示意图 砷化镓能带结构有何特点： 能带结构如图1.12 所示。 砷化镓导带极小值位于布里渊区中心，等能面是球面，导带底电子有效质0.067m0。在[1 1 1]和[1 0 0]方向上的L 点和X 点处另有两个极小值，这两个极值能量与布里渊区中心处的极值能量相差很小，在强电场下当电子获得足够的能量时，可以从Γ 能谷转移到上面的能谷中，产生所谓的转移电子效应。砷化镓的价带也是由三个能带组成，轻空穴带的极大值在布里渊区中心，有效质量为0.082m0，重空穴带的极大值稍微偏离布里渊区中心，有效质量为0.45m0，第三个能带裂距Δ 为0.34 eV，离价带顶稍远。 2.半导体的两个主要单晶材料，硅与砷化镓，它们的晶格结构有何特点？ (图见课件P8) 硅: 晶格结构属于金刚石结构，如图1.6(a)所示金刚石结构的晶胞。金刚石结构可以看成是两个面心立方结构沿立方体对角线相互平移了体对角线长度的¼套构而成。晶胞中总共包含8 个原子：顶角处1 个原子，面心处3 个原子，体内4 个原子。每个原子有4 个最近邻，组成四面体结构，如图1.6(b)所示。表明每个原子能贡献出4 个价电子，和周围的4 个原子形成4 个键长和键能都相同的共价键，键的方向分别指向四面体的顶点。在金刚石结构的晶体中有两类方位不同的四面体，如图1.6(c)所示，表明顶角原子和面心原子处在同一个面心立方点阵中(记为CI 点阵)，而对角线上的原子处在另一个面心立方点阵中(记为CII 点阵)。从另一方面看，面心立方结构又称为立方密堆结构，即从立方体对角线方向看，面心立方结构是由二维密排面按照ABCABC……方式一层层地堆积而成，在每一层内每个原子和周围的6 个原子组成正六边形结构，如图1.7(a)。图1.7(b)表示金刚石结构在（111）面上堆积的图象，其中实线若表示CI 类原子，则虚线就表示CII 类原子。碳、硅、锗、锡金刚石结构的晶格常数（即立方体晶胞的边长）分别为a = 3.567Å、5.430 Å、5.658 Å、6.49 Å。 砷化镓（GaAs）:是重要的化合物半导体材料，其晶体取取闪锌矿结构形式