第五章光源与光发送机 5,1半导体光源的物理基础 5,2半导体光源的工作原理 5.3光源的工作特性 5,4光发送机 5.5驷动电倍和就物电路 点专此处结束放殃 4合
1 第五章 光源与光发送机 5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路
51半导体光源的物理基础 5.,1,1孤立原子的能级和半导体 的能带 1.孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的 电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不 能任意取值,只能取特定的离散值,这种 现象称为电子能量的量子化。 点专此处结束放殃 4合
2 5.1 半导体光源的物理基础 5.1.1 孤立原子的能级和半导体 的能带 1. 原子是由原子核和围绕原子核旋转的 电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不 能任意取值，只能取特定的离散值，这种 现象称为电子能量的量子化
3 2.半导体的能带 在单个原子中,电子是在原子内部的量子 态运动的。 当大量原子结合成晶体后,邻近原子中的 电子态将发生不同程度的交叠,原子间的影响 将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子, 现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去,晶 体中的电子不再属于个别原子所有,它们一方 面围绕每个原子运动,同时又要在原子之间做 共有化运动,如图5-1所示。 点专此处结束放殃 4合
3 2. 在单个原子中，电子是在原子内部的量子 态运动的。 当大量原子结合成晶体后，邻近原子中的 电子态将发生不同程度的交叠，原子间的影响 将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子， 现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去 ，晶 体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方 面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做 共有化运动，如图5-1所示
图5-1晶体中电子的运动 点专此处结束放殃 4合
4 图5-1 晶体中电子的运动 gongyh.swf
5 在大量原子相互靠近形成半导体层体时,出于半导体体 内部电子的共有化运动,使孤立原子中离散能级变成能带。 晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、 周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性 地排列着的原子的作用,它们的势能具有晶格的 周期性。因此,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若干组。每组中能级 彼此靠得很近,组成有一定宽度的带,成为能带, 如图5-2所示。 内层电子态之间的交叠小,原子间的影响弱, 分成的能带比较窄;外层电子态之间的交叠大, 原子间的影响强,分成的能带比较宽。 点专此处结束放殃 4合
5 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体 内部电子的共有化运动 ，使孤立原子中离散能级变成能带。 晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、 周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性 地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的 周期性。因此，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若干组。每组中能级 彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带， 如图5-2所示。 内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱， 分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大， 原子间的影响强，分成的能带比较宽
hengda E E E 图5-2晶体中的能带 点专此处结束放殃 4合
6 图5-2 晶体中的能带 nengdai.swf
锗、硅和砷化镓GaAs等一些重要的半导体 材料,都是典型的共价晶体。在共价晶体中,每 个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键,整 个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来 在半导体物理中,通常把这种形成共价键的 价电子所占据的能带称为价带,而把价带上面邻 近空带(自由电子占据的能带)称为导带。导带 和价带之间,被宽度为Eg的禁带所分开,如图5 3所示。原子的电离以及电子与空穴的复合发光 等过程,主要发生在导带和价带之间。 点专此处结束放殃 4合
7 锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体 材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每 个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整 个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。 在半导体物理中，通常把这种形成共价键的 价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻 近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带 和价带之间，被宽度为Eg的禁带所分开，如图5- 3所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光 等过程，主要发生在导带和价带之间
自由电子占据的能带 Nadal.s 空带 导带 禁带 价带 满带 图5-3导带和价带 点专此处结束放殃 4合
8 图5-3 导带和价带 jiadai.swf
9 菲2.半导体的能带分布 抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价 带和导带是我们最感兴趣的两个能带,原子的电离和电子 与空穴的复合发光等过程,主要发生在价带和导带之间, 当导带(能级E2)被电子占据,价带(能级E1)是空的,即被 空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据 几率由费密一狄拉克分布给出 f(E2)=(1+exp[(E2-E)/kT] f(E1)={1+eNp[(E1-E)/k7]} 式中E和E是费密能级。 点专此处结束放殃 4合
9 2. 抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价 带和导带是我们最感兴趣的两个能带，原子的电离和电子 与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间， 当导带(能级E2 )被电子占据，价带(能级E1 )是空的，即被 空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据 几率由费密一狄拉克分布给出 式中Efc和Efv是费密能级。 1 1 1 1 2 2 ( ) {1 exp[( )/ ]} ( ) {1 exp[( )/ ]} − − = + − = + − f E E E kT f E E E kT v fv c fc
10 sh 5.12光与物质的相互作用 1.自发分 处于高能级的电子状态是不稳定的, 它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多 是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低 能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个 能级)与空穴复合,同时释放出一个光子 由于不需要外部激励,所以该过程称为自 发辐射。 点专此处结束放殃 4合
10 5.1.2 1. 处于高能级的电子状态是不稳定的， 它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多 是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低 能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个 能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。 由于不需要外部激励，所以该过程称为自 发辐射。 zffushe.swf