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2009第二章 半导体光电子基础 复习要点： 1. 晶体结构 晶格，原胞，晶胞，金刚石结构，闪锌矿结构，晶列，晶面指数，倒格子 2. 半导体能带结构 电子共有化运动，布洛赫定理，布里渊区，能带结构 3. 费米能级与载流子统计分布 能态密度，费米分布函数，费米能，N型半导体，P型半导体，载流子(电子，空穴) 4.LED与LD 半导体中的光跃迁,受激发射必要条件，同质结，异质结，LED与LD的异同。 1.5半导体概念和能级 1．电子的“共有化运动”：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了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内壳层交叠最少，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个原子上，而是通过“等能级跃迁”，可以由一个原子的电子轨道转移到相邻原子相同的电子轨道上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动就称为电子的“共有化运动”，此时电子已不局限于某个原子而成为晶体中所有原子共有的。 2．半导体材料的能带理论：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个能级分裂成N个与原来能级很接近的新能级，分裂之后，电子便以某一新能级的能量在晶体点阵的周期性场中运动，两个新能级的间距很小，只有10-2eV量级，因而，这些新能级可以认为是连续的，通常把N个新能级具有的能量范围称为“能带”。不同能带之间可以有一定的间隔，在这个间隔范围内，电子不能处于稳定能态，实际上是形成了一个禁区，称为“禁带”。我们将由价电子能级分裂分裂而成的能带叫做“价带”，在温度很低时，半导体材料的价带都有电子所填满，因此，价带也称为“满带”，价带以上的能带在未激发的正常情况下，往往没有电子填入而称为“空带”。当电子因某种因素受激进入空带，则此空带又叫“导带”，温度较高时，有可能把价带中的一些电子激发到导带，这时，在价带中就形成若干空着的能态，称为“空穴”。 3．平衡载流子的统计分布： 费米—狄拉克函数是在能量为E的量子态上找到电子的可能性。 当时，如果E=，则有；若E〈，则有，若E〉，则有，可见，的 意义是电子占据率为0.5的能级。 4．半导体的分类 A．本征半导体：高度提纯、结构完整的半导体单晶体称为本征半导体 B．电子型半导体：形成以及特征 C．空穴型半导体：形成以及特征 5．概念1：载流子——我们将运载电荷的粒子称为载流子，半导体中载流子为自由电子和空穴，二者成对出现，电荷量相等，极性相反，漂移运动方向相反，但漂移电流实际方向相同，共同形成半导体中的电流。 概念2：载流子的“产生”和“复合”——本征激发时产生电子空穴对的过程称为产生；部分自由电子也可能回到空穴中去，我们把自由电子回到空穴中去的过程称为复合。 6．平衡条件下，半导体中费米能级位置的计算，以及载流子浓度的计算。 7．PN结及其特性 1.6.发光二极管(LED) 1．原理：本质上是用直接带半导体比如GaAs制成的pn结二极管。由电子空穴对（EHP）的复合导致发光。少子注入导致的电子空穴对复合发光的现象叫做注入式电致发光。由于电子空穴之间复合过程的统计性质，发射出来的光子具有任意方向性，而且是由于自发辐射发光，与受激辐射发光不同。 2．同质结和异质结：由对同种材料不同掺杂后形成的两种半导体构成的pn结称为同质结。由两种不同禁带宽度的半导体构成的结称为异质结。 3．异质结高亮度LED原理 4．LED特性：由于导带中的电子和价带中的空穴都分布在一定的能级上，所以LED发射出来的光子的能量不是简单的等于禁带宽度。光谱的峰值波长和谱线宽度显然与导带和价带中的电子和空穴浓度有关。 1．7半导体激光器 1．半导体中的受激辐射 A．产生受激辐射的条件：实现粒子数反转，有足够强的能够引起受激发射的光场， 2．激光器三要素： 产生粒子数反转的条件 共振腔 F-P干涉共振腔结构，使特定的频率的具有足够光强的光激发光场。 功率源 3．注入式同质结半导体激光器原理： A．输出光强虽电流的变化规律 B．纵模特行 C．输出光的发散角 4．半导体激光器的特点 第3章光波导技术 1．光波导： 2．对称与非对称平板波导 3．平板波导中的模的概念：，在薄膜波导层中，横向电场的分布是一种驻波；而在衬底和覆盖层中，电场呈指数衰减。因此，在波导中的电磁波已不是平面波的形式，我们称它为“模”。 4．归一化频率 5．波导中的色散： A． 材料色散 B．波导色散 C．模式间色散 2.6光波在光纤波导中的传播 1．光纤波导的结构：由纤芯、包层和护套三部分组成。波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定 2．相对折射率差： 3．单模光纤必须满足以下条件： 其中 4．阶跃光纤中光波的子午光线：当在任何一根光纤中，通过光纤中心轴线的任何平面称为子午平面，位于子午平面内的光线就称为子午光线。 5．数