半导体光学.docx
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半导体光学
半导体光学
教材:
《半导体光学(SemiconductorOptics)》,C.F.Klingshirn编著,科学出版社影印,2007年
中文参考书:
1.《半导体光谱和光学性质》,沈学础著,科学出版社,2002年
2.《固体光谱学》,方容川编著,中国科学大学出版社,2003年
3.《发光学与发光材料》,徐叙瑢,苏勉曾主编,化学工业出版社,2004年
英文参考书:
1.N.Peyghambarian,S.W.Koch,andA.Mysyrowicz:
Introductionto
SemiconductorOptics(Prentice-Hall,NewJersey,1993).
2M.Fox,“OpticalpropertiesofSolids”(OxfordUniversityPress,2003)
3.P.YuandM.Cardona,Fundamentalsofsemiconductors:
physicsand
materialproperties,(Springer,Berlin,1999)
课程前期基础
前期物理课程如下(常识性了解):
原子物理学
元素周期表、核外电子的量子态描述、电子组态、光谱项等概念
量子力学
薛定谔方程、本征态、本征能级、平面波解、氢原子解、谐振子解等
固体物理学(定性、非常浅)
周期性结构、晶格振动、能带论等基本概念
电磁学
Maxwell方程、电磁波的传播行为等
什么是半导体?
•字面理解:
介于导体和绝缘体之间的物质不够确切!
工科电路理解:
各类半导体器件
#明确两点:
1、p,n载流子的概念
2、可以表达0,1
*物理理解:
固体物理的概念
说来话长了。
。
。
。
。
什么是固体物理?
?
核心观点:
能带理论,存在电子结构。
什么是半导体光学?
粗浅理解:
利用半导体能带结构进行光的发射或吸收!
复杂理解:
半导体内部电子结构对光的一种响应研究,从基态和激发态之间的跳跃。
此外,其中牵涉到很多能级,过程也具有多样化的非一般性。
应用理解:
半导体吸收或发射光的波段选择以及光量子效率等应用前景。
核心研究:
半导体的线性光学性质
一、对光的理解
•Maxwell方程和光子
•光与物质相互作用的概论
二、光(经典+量子)+半导体(经典):
光与半导体振子相互作用的理解
•半导体等效:
无相互耦合的振子体系
•极化的概念、对半导体追加定性修正:
互耦合的振子与其空间上的传播
三、对半导体(量子化)的理解,注意一些概念会适当超前于固体物理
•晶格振动与声子
•能带论:
周期性晶格中的电子
•激子和一些其他的元激发
四、相互作用的两种理解:
(光经典+半导体量子化、全量子化)
•声子和等离子体激元的光学性质
•本征激子的光学性质
•束缚和局域激子以及缺陷态的光学性质
•外场影响下的激子
半导体学研究的简介
1.固体物理的研究内容
时间:
20世纪上半叶
基础:
(1).晶体学:
晶体周期结构的确定
1669:
晶面角守恒律(Steno)
1784:
有理指数定律和晶胞学说(Hauy)
1848:
空间点阵学说(Bravais)
1889-1891:
空间群理论(Federov和Schvenflies)
1912:
晶体X射线衍射实验(Laue)
(2).固体比热的理论:
初步的晶格动力学理论
1907:
独立振子的量子理论(Einstein)
1912:
连续介质中的弹性波的量子理论(Debye)
1912:
周期结构中的弹性波(Born和vonKarman)
(3).金属导电的自由电子理论:
Fermi统计
1897:
电子的发现(Thomson)
1900:
金属电导和热传导的经典自由电子理论(Drude)
1924:
基于Fermi统计的自由电子理论(Pauli和Sommerfield)
(4).铁磁性研究:
自旋量子理论
1894:
测定铁磁--顺磁转变的临界温度(Curie)
1907:
铁磁性相变的分子场理论(Weiss)
1928:
基于局域电子自旋相互作用的铁磁性量子理论
另外:
电子衍射的动力学理论(Bethe)
金属导电的能带理论(Bloch)
基于能带理论的半导体物理(Wilson)
标志:
1940年Seitz
2.固体物理的核心概念
核心概念:
周期结构中波的传播(1946年Brillouin著)
晶体的平移对称性(周期性)
波矢空间(倒空间)
强调共有化的价电子以及波矢空间的色散关系
波矢空间的基本单元:
Brillouin区
焦点:
Brillouin区边界或区内某些特殊位置的能量-波矢
色散关系
晶格动力学+固体能带理论
半导体学研究的基本知识
导体、半导体和绝缘体
导体:
自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。
绝缘体:
有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体:
另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。
例如:
•当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。
•往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。
本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
本征半导体:
完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。
硅和锗晶体结构如下图:
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。
在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。
在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。
本征半导体中电流由两部分组成:
1.自由电子移动产生的电流。
2.空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高,载流子的浓度越高。
因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。
杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N型半导体:
自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。
P型半导体:
空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。
一、N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。
每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。
1、由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。
自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
二、P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的
半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。
这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。
由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
半导体光学不简单的等于半导体加光学研究,它有它自身的研究方
式。
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