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1、半导体光学博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 第1页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体材料是信息时代的原动力原动力和发动发动机机,是现代高科技的核心核心与先导先导。第2页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体材料发展迅速第一代半导体材料：硅，锗硅，锗 推动集成电路为核心的微电子工业的发展推动 IT产业的飞跃 在集成电路中，99用硅硅、锗基本物理参数 晶格常数 原子密度 共价半径硅：0.543089nm 5.001022 0.117nm锗：0.565754nm 4.421
2、022 0.122nm第3页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 第二代半导体材料:砷化镓,磷化铟GaAs是目前最主要的高速和超高速半导体器件几乎垄断手机制造中的功放器件市场 InP作为光纤通讯的关键光电部件应用在激光源、光纤放大器、多路复用和信号分离器件第二代半导体材料的主要应用还包括红外激光器和高亮度的红色发光二极管等 第4页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 第三代半导体材料：氮化镓，氧化锌以高亮蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器的为标志 禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率
3、大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳定性第5页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 实现半导体照明。实现半导体照明。国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。提高光存储密度。提高光存储密度。DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比，如果DVD使用GaN基短波长半导体激光器，则其光存储密度将比当前使用GaAs基半导体激光器的同类产品提高45倍，因此，宽禁带半导体技术
4、还将成为光存储和处理的主流技术。改善军事系统与装备性能。改善军事系统与装备性能。高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等军事领域急需的电子器件，如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度将提高到300，不仅将大大提高雷达（尤其是相控阵雷达）、通信、电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能，而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题第6页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体中的基本概念半导体中的基本概念 半导体的晶格结构半导体的晶格结构 硅、锗等半导体材料属于金刚石型结构 两个面心立方晶胞沿
5、空间对角线长度套构而成 共价晶体 图1 金刚石结构示意图 第7页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 族化合物绝大多数具有闪锌矿型结构 由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成 原子之间依靠共价键结合，但有一定的离子键成分硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等都可以闪锌矿和纤锌矿两种类型结晶离子性占优，则倾向于构成纤锌矿结构 图2 闪锌矿结构示意图 图3纤锌矿结构示意图 第8页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体中的能带半导体中的能带 电子将可以在整个晶
6、体中运动，称为电子的共有化运动共有化运动 相似壳层间转移，最外层电子的共有化运动显著 绝缘体、半导体和导体的能带有区别4图5 绝缘体、半导体和导体的能带示意图 图4 原子能级分裂为能带示意图 第9页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体中的杂质与缺陷能级半导体中的杂质与缺陷能级实际的半导体材料中,总是存在偏离理想情况 原子不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上,而是在其平衡位置附近振动半导体材料并不是纯净的,而是含有若干杂质 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的,而是存在各种型式的缺陷杂质半导体中以两种方式存在 位于晶格原子间的间隙位置
7、，称为间隙杂质（杂质原子小）取代晶格原子而位于晶格格点处，称为替位杂质（杂质、晶格原子大小相近）第10页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 通过施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质施主杂质通过接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质受主杂质 施主和受主杂质之间还会发生相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用杂质的补偿作用 图6 施主能级和施主电离的示意图 图7 受主能级和受主电离的示意图 图8 杂质的补偿作用示意图 第11页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体的光学性质半
8、导体的光学性质 半导体的光吸收半导体的光吸收 本征吸收 激子吸收 自由载流子吸收 杂质吸收 晶格振动吸收 第12页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一有可能的吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子-空穴对。这种由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收本征吸收。本征吸收本征吸收图9 本征吸收的示意图 第13页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 显然，
9、要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于半导体的禁带宽度，即：h h0=Eg h0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。也就是说，在本征吸收光谱中，必然在低频方面存在一个频率界限0（或者在长波方面存在一个波长界限0）。当频率低于0或波长大于0时，不可能产生本征吸收，吸收系数将会迅速下降。这种吸收系数显著下降的特定波长0（或特定频率0），称为半导体的本征吸收限本征吸收限。根据半导体材料的不同的禁带宽度Eg，可算出相应的本征吸收长波限。0=1.24(m)/Eg(eV)第14页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 电子吸收光子的跃迁过程，除了能量必须守恒
10、外，还必须满足动量守恒 hK-hk=光子动量 直接跃迁与直接带隙半导体 间接跃迁与间接带隙半导体图10 直接跃迁与间接跃迁的示意图 第15页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 直接跃迁的吸收光谱的计算推导如下：一个吸收过程可以表示为：利用有效质量近似，可以推导出吸收系数为：对于n=4,电子和空穴的有效质量采用自由电子的质量可以得到：吸收系数与能量的关系服从1/2次方律，由吸收光谱可以得到带隙Eg，称为光学带隙。因为光学跃迁受选择定则的限制，用吸收变确定的光学带隙，与实际的能隙可能有所差别，但是一种常用的确定带隙的方法。第16页，共30页，编辑于
11、2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 间接跃迁吸收吸收的表达式。需要考虑平均声子数F(Ep)。对于吸收一个声子平均声子数为：对于发射一个声子的平均声子数为：可以得到吸收光谱可以表示如下 第17页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 间接跃迁吸收光谱的表达式可以分为两种情况:1.对于 只能伴随声子的吸收过程，吸收光谱为 2.对于 既可以伴随声子的发射，也可以伴随声子的吸收过程，其中伴随声子发射的吸收光谱为 第18页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 其他吸收过程其他吸收
12、过程实验证明，波长比本征吸收限0长的光波在半导体中往往也能被吸收。这说明，除了本征吸收外，还存在着其它的光吸收过程：主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收等。第19页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 激子特点激子特点 电中性的，不产生电流 激子通过两种途径消失 通过热激发或其它能量的激发使激子分离成为自由电子或空穴激子中的电子和空穴通过复合，使激子消灭同时放出能量 激子吸收激子吸收：在本征吸收限，光子的吸收恰好形成一个在导带底的电子和一个在价带顶的空穴。这样形成的是完全自由的电子和空穴，它们之间没有相互作用，在外加电场的作用下能改变运动状态
13、而且能使电导率增大。但在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hEg时，就已经出现一系列吸收线，并且对应于这些吸收线并不伴有光电导。这是因为这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带，而是形成所谓“激子”。即受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新系统，称为：激子。第20页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 自由载流子吸收自由载流子吸收：对于一般半导体材料，当入射光子能量不够高不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在吸收，而且其强度随波长增大而增加。这是自由载流子的跃迁引起的，称为自由载流子吸收自由载流子吸收。与本征跃迁不
14、同，自由载流子吸收中，电子从低能态到高能态的跃迁是在同一能带内发生的。一般表现为红外吸收 杂质吸收杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴）。这种光吸收称为杂质吸收杂质吸收。杂质吸收也引起连续的吸收光谱，引起杂质吸收的最低光子能量显然等于杂质上电子或空穴的电离能，因此，杂质吸收光谱也具有长波吸收限。第21页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体的发光半导体的发光 处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射
15、的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随这光子发射，这就是半导体发光 第22页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 辐射跃迁 有杂质或缺陷参与的跃迁（a、b、c）带与带间的跃迁（d、e）热载流子在带内跃迁（f）图11电子辐射跃迁示意图 第23页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 本征过程：导带的电子跃迁到价带，与价带空穴复合，伴随着光子发射，称为本征跃迁非本征跃迁：电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁，都可以引起发光，这种跃迁称为非本征跃迁
16、 内部量子效率：内单位时间内产生的光子数/（单位时间内注入的电子空穴对数外部量子效率：外单位时间发射到外部的光子数/（单位时间内注入的电子空穴对数）第24页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 发光与吸收之间的关系 对于带-带间复合，发光简单的理解为吸收的逆过程。吸收测量的是入射光子衰减的平均自由程，吸收过程包括价带所有可能占据的状态，以及导带所有可能空出的状态之间的耦合，所以固体的吸收光谱一般是宽带谱，会出现明显的吸收边。发光测量的则是单位体积光子的产生率。发光来自于导带中热化电子的复合，带间复合发光是来自于导带底部的一狭窄范围内的电子与价带空
17、穴的复合，形成窄的发光谱带。发光与吸收之间的关系可以用R-S（Van Roosbrck-Shockly）关系式描述：发射率正比于吸收系数，此关系式可以推广到多种情况第25页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 电致发光 p-n结注入发光：在p-n结中，加一正电压后，发生载流子的扩散，扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时复合消失的几率很小，可以继续向扩散区扩散，在势垒区和扩散区注入了少数载流子，这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光。图12 注入式发光能带示意图（a）平衡p-n结,（b）正偏注入发光 第26页，共30页，编
18、辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 异质结 注入发光 异质结p区和n区的禁带宽度不等，势垒是不对称的 加正电压时，当p区n区的价带达到等高时，p区空穴则不存在势垒可以不断向n区扩散，保证了空穴（少数载流子）向发光区的高效注入 图13 异质结注入发光示意图 第27页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体激光 自发辐射：不受外界因素的作用，原子自发地从激发态回到基态引起地光子发射过程 受激辐射：而在光辐射地刺激下，受激原子从激发态向基态跃迁的辐射过程 受激辐射所发出的光辐射的全部特性（频率、位相、方向和偏振）同入射光完全相同 受激辐射中同时发射两个相位、频率均相同的光子。第28页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 半导体激光器要产生激光发射要满足以下三个基本条件：形成分布反转，使受激辐射占优势具有共振腔，以实现光量子放大至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。图14 系统分布反转示意图 第29页，共30页，编辑于2022年，星期五博士研究生专业课课程论文博士研究生专业课课程论文 谢谢！第30页，共30页，编辑于2022年，星期五