光子学器件与工艺 主讲:张荣君 E-mail:rjzhang@fudan.edu.cn 复旦大学信息学院 光科学与工程糸 2008,9-2009,1
光子学器件与工艺 复旦大学信息学院 光科学与工程系 2008,9 - 2009,1 主 讲：张荣君 E-mail：rjzhang@fudan.edu.cn
本次课内容 从光子学器件物理基础 到 光有源器件
本次课内容 从光子学器件物理基础 到 光有源器件
光子学器件的物理基础: 1、光在介质中的传播 光在介质中开放性传播为行波态(相位匹配); 光在介质中封闭性传播为驻波态(谐振模式)。 2、光调制的物理基础 光的调制指光子(或光波)载体载入信息的物理过程, 通过施加外场可以调制光波的振幅、相位和频率,最 常见的是通过施加外场调制光波的振幅或相位
1、 光在介质中的传播 • 光在介质中开放性传播为行波态（相位匹配）； • 光在介质中封闭性传播为驻波态（谐振模式）。 光子学器件的物理基础： 2、光调制的物理基础 光的调制指光子(或光波) 载体载入信息的物理过程， 通过施加外场可以调制光波的振幅、相位和频率，最 常见的是通过施加外场调制光波的振幅或相位
3、粒子系统中的光跃迁 光跃迁就是有光子参与的固体原子系统中能量交换过 程,主要有三类:光吸收跃迁、自发辐射跃迁和受激 辐射跃迁。 介质的光学非线性特性 5、量子阱能带工程及其应用:新一代光子器件诞生的 摇篮
3、粒子系统中的光跃迁 光跃迁就是有光子参与的固体原子系统中能量交换过 程，主要有三类：光吸收跃迁、自发辐射跃迁和受激 辐射跃迁。 4、介质的光学非线性特性 5、量子阱能带工程及其应用：新一代光子器件诞生的 摇篮
第二章半导体物理基础知识简介 原子的能级结构 第二死展 >原子由原子核和核外电子组成。原 〔n=8) 第一死质 子核带正电,电子带负电。原子核所 带的正电与核外电子所带的负电的总 论 原子核 和相等。因此,整个原子呈电中性。 电子云密度 电子在原子中的运动轨道是量子化 繁低的地方 的。(轨道的量子化是指原子中的电子以一定 的几率出现在各处,即原子中的电子只能在各个 特定轨道上运行,不能具有任意轨道;电子的能 量不能取任意值,而是具有确定的量子化的某些 离散值,是不连续的。这些分立的能量值叫做原 原子结构模型图 子的能级)
第二章 半导体物理基础知识简介 一、 原子的能级结构 ¾原子由原子核和核外电子组成。原 子核带正电，电子带负电。原子核所 带的正电与核外电子所带的负电的总 和相等。因此，整个原子呈电中性 。 ¾电子在原子中的运动轨道是量子化 的 。（轨道的量子化是指原子中的电子以一定 的几率出现在各处，即原子中的电子只能在各个 特定轨道上运行，不能具有任意轨道；电子的能 量不能取任意值，而是具有确定的量子化的某些 离散值，是不连续的。这些分立的能量值叫做原 子的能级 ） 原子结构模型图
>当原子中电子的能量最小 时,整个原子的能量最低,【e 这个原子处于稳态,称为“基 态”;当原子处于比基态高的 能级时,称为“激发态” 通常情况下,大部分原子 第一激发态 处于基态,只有少数原子被 激发到高能级,而且,能级 E1 基态 越高,处于该能级上的原子 数越少 粒子分立能级示意图
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 基态 第一激发态 E(eV) E1 4E1 9E1 16E1 25E1 粒子分立能级示意图 ¾当原子中电子的能量最小 时，整个原子的能量最低， 这个原子处于稳态，称为 “ 基 态 ”；当原子处于比基态高的 能级时，称为 “激发态 ”. ¾通常情况下，大部分原子 处于基态，只有少数原子被 激发到高能级，而且，能级 越高，处于该能级上的原子 数越少
二、固体的能带结构 1.电子的共有化: >在正常状态下,原子中的电子并不能都处于最低 能级上。因为泡利不相容原理指出,每一能级上 至多只能有两个电子,且它们的自旋方向还必须 相反。 能量愈高,相邻能级的间隔就越小,电子从下 能级过渡到上一能级也就越方便。当电子从原子 中挣脱出来,而进入离子化状态后,这时能量已 没有一级一级的差别,而在能量图上形成一个能 量连续的区域,这时电子可以自由运动,所以称 为自由电子
二、 固体的能带结构 1.电子的共有化： ¾ 在正常状态下，原子中的电子并不能都处于最低 能级上。因为泡利不相容原理指出，每一能级上 至多只能有两个电子，且它们的自旋方向还必须 相反。 ¾ 能量愈高，相邻能级的间隔就越小，电子从下一 能级过渡到上一能级也就越方便。当电子从原子 中挣脱出来，而进入离子化状态后，这时能量已 没有一级一级的差别，而在能量图上形成一个能 量连续的区域，这时电子可以自由运动，所以称 为自由电子
电子共有化是一种量子效应而非经典的性质: 由于原子离得很近,每个电子不仅受到本身原子核的 作用,还受到相邻原子核的作用。这种作用对于内电 子和价电子的影响是不一样的。内电子被本身原子核 牢牢地束缚着,所以所受的影响并不显著。价电子却 不然,它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量 级的,所以所受的影响很显著。按照经典物理,电子 是不能从一个原子转入另一个原子里去的;而量子力 学却容许电子通过隧道效应进入另一个原子。这样 价电子就不再分别属于各个原子,而被整个晶体中原 子所共有,这就是电子的共有化
¾ 电子共有化是一种量子效应而非经典的性质: 由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的 作用，还受到相邻原子核的作用。这种作用对于内电 子和价电子的影响是不一样的。内电子被本身原子核 牢牢地束缚着，所以所受的影响并不显著。价电子却 不然，它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量 级的，所以所受的影响很显著。按照经典物理，电子 是不能从一个原子转入另一个原子里去的；而量子力 学却容许电子通过隧道效应进入另一个原子。这样， 价电子就不再分别属于各个原子，而被整个晶体中原 子所共有，这就是电子的共有化
2.能带的形成: >量子力学证明,晶体中电子共有化的结果,使原 先每个原子中具有相同能量的电子能级,因各原 子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近 的新能级,这些新能级基本上连成一片,而形成 能带。 能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙(也 叫禁带),带隙宽度用电子伏特(eV)表示
2. 能带的形成： ¾ 量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原 先每个原子中具有相同能量的电子能级，因各原 子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近 的新能级，这些新能级基本上连成一片，而形成 能带。 ¾ 能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙（也 叫禁带），带隙宽度用电子伏特（eV）表示
>带隙下方与价电子对应的低 能量区称为价带,它是由价 电子能级分裂形成的能带。 价带上方高能量区称为导带 E (价带中的能级若没有被电子全 空带 部填满,电子可以进入未被填充 导带 的高能级,从而形成定向电流。 价带 这样的能带称为导带)。 导带底的电子能量比价带顶 满带 的电子能量高,其值等于带 隙宽度E(简称带隙的能量) 晶体的能带结构 能带中的各个能级都被电子 所填满的能带,称为满带 满带中电子不起导电作用
¾ 带隙下方与价电子对应的低 能量区称为价带，它是由价 电子能级分裂形成的能带。 ¾ 价带上方高能量区称为导带 （价带中的能级若没有被电子全 部填满，电子可以进入未被填充 的高能级，从而形成定向电流。 这样的能带称为导带）。 ¾ 导带底的电子能量比价带顶 的电子能量高，其值等于带 隙宽度Eg(简称带隙的能量). ¾ 能带中的各个能级都被电子 所填满的能带，称为满带。 满带中电子不起导电作用. 空带 价带 满带 E 导带 晶体的能带结构