第四章光源和光电检测器 o4.1半导体的能带理论 o4.2PN结的能带结构 o4.3同质结和异质结 o4.4发光二极管的工作原理 045半导体激光器的工作原理 o4.6LD的工作特性 047光电检测器的工作原理和主要要求 048PIN和APD的工作原理 o49光电检测器的工作特性
第四章 光源和光电检测器 o 4.1 半导体的能带理论 o 4.2 PN结的能带结构 o 4.3 同质结和异质结 o 4.4 发光二极管的工作原理 o 4.5 半导体激光器的工作原理 o 4.6 LD的工作特性 o 4.7 光电检测器的工作原理和主要要求 o 4.8 PIN和APD的工作原理 o 4.9光电检测器的工作特性
4.1半导体的能带理论 o1、晶体的能带 o晶体的能谱在原子能级的基础上按共 有化运动的不同而分裂成若干组。每组 中能级彼此靠得很近,组成有一定宽度 的带,称为能带
4.1 半导体的能带理论 o 1、晶体的能带 o 晶体的能谱在原子能级的基础上按共 有化运动的不同而分裂成若干组。每组 中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度 的带，称为能带
o锗、硅和0aAs等都是共价晶体。形成共 价键的价电子所占据的能带称为价带。 o价带下面的能带是被电子占满了,称为 满带。 o价带上面的能带称为导带。 o价带和导带,价带和满带之间的宽度, 不能被电子占据因此称为禁带
o 锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共 价键的价电子所占据的能带称为价带。 o 价带下面的能带是被电子占满了，称为 满带。 o 价带上面的能带称为导带。 o 价带和导带，价带和满带之间的宽度， 不能被电子占据因此称为禁带
图4-1-2晶体中的能带 导带 E费米能级 价带 满带 图4-1-3本征半导体的能带分布 f(E)= E-E》 1 o原子的电离以及电子与空穴的复合发光 等过程,主要发生在价带和导带之间
o 原子的电离以及电子与空穴的复合发光 等过程，主要发生在价带和导带之间
2、费米一狄拉克统计 o电子是费米子(自旋量子数为1/2),符合 泡里不相容原理。电子在各能级中的分 布,服从费米一狄拉克统计。 o费米能级不是一个可以被电子占据的实 在的能级,它是反映电子在各能级中分 布情况的参量,具有能级的量纲
2、费米－狄拉克统计 o 电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合 泡里不相容原理。电子在各能级中的分 布，服从费米－狄拉克统计。 o 费米能级不是一个可以被电子占据的实 在的能级，它是反映电子在各能级中分 布情况的参量，具有能级的量纲
3、各种半导体中电子的统计分布 o根据费米分布规律,可以画出各种半导 体中电子的统计分布。如图4-1-4所示 导带 禁带-----E1 价带 E (a)本征半导体 (b)兼井型P型半导体 Et (c)兼并型N型半导体 (d)双兼并型半导体 图4-1-4半导体中电子的统计分布
3、各种半导体中电子的统计分布 o 根据费米分布规律，可以画出各种半导 体中电子的统计分布。如图4-1-4所示
4.2RN结的能带结构 1、PN结的形成 o当P型半导体和N型半导体形成N结时,载流子 的浓度差引起扩散运动,P区的空穴向N区扩散 剩下带负电的电离受主,从而在靠近PN结界面 的区域形成一个带负电的区域。同样,N区的 电子向P区扩散,剩下带正电的电离施主,从 而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的 结果形成了一个空间电荷区,称为PN结
4.2 PN结的能带结构 1、PN结的形成 o 当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子 的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散， 剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面 的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的 电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从 而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的 结果形成了一个空间电荷区，称为PN结
PN结具有单向导电性 o当PN结加上正向电压时,外加电压的电场方向 消弱了自建场,P区的空穴通过PN结流向N区, N区的电子也流向P区,形成正向电流。由于P 区的空穴和N区的电子都很多,所以这股正向 电流是大电流。 o当PN结加反向电压时,外电场的方向和自建场 相同,多数载流子将背离PN结的交界面移动, 使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴 都很少,它变成高阻层,因而反向电流非常小
PN结具有单向导电性 o 当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向 消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区， N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P 区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向 电流是大电流。 o 当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场 相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动， 使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴 都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小
PN结的能带 P区 N区 E (a)达到热平衡时PN结的能带 增益区空穴扩 电子扩散长度 散长度 (E) (b)加正向电压后(eF>E)PN结的能带
2 PN结的能带
3增益区的形成 o对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成 的PN结,当注入电流(或正向电压)加大到某 值后,准费米能级Ec和EF的能量间隔大于禁 带宽度,PN结里出现一个增益区(也叫有源 区)。 o实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足 Eg<hv<e的光子有光放大作用。半导体激 光器的辐射就发生在这个区域
3 o 对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成 的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一 值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁 带宽度， PN结里出现一个增益区(也叫有源 区)。 o 实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足 Eg＜hν＜e0V 的光子有光放大作用。半导体激 光器的辐射就发生在这个区域