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guolianshun銅蟲 (著名寫手)
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【分享】真費米能級的特點 已有3人參與
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光電器件基礎(chǔ)講義 中研傳輸業(yè)務(wù)部 汪微 1． 概述 光電器件分為發(fā)光器件和光探測器兩大類，發(fā)光器件是把電信號變成光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽命長、使用方便的不源是保證光纖通信可靠工作的關(guān)鍵。光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面：首先，光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，要求材料色散較小。其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應(yīng)在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。第三，光源慶具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時以上才能滿足光纖通信工程的需要。第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳高速脈沖。第五，光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。第六，電－光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低，否則會導(dǎo)致器件嚴重發(fā)熱和縮短壽命。第七，光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大。 光探測器則是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電子器件，作為光通信系統(tǒng)用的光探測器需要滿足以下要求：首先，其響應(yīng)波長范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和響應(yīng)度，第三，具有很高的響應(yīng)速度，第四，具有高度的可靠性。 2． 光電器件原理 2.1半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 2.1-1半導(dǎo)體價帶、導(dǎo)帶、帶隙與發(fā)光 半導(dǎo)體單晶材料的原子是按一定規(guī)律緊密排列的。在各個原子之間保持一定的距離，是由于在各原子之間存在著互相作用力的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)合力就是共價鍵。固體物理學告訴我們，單晶中各個原子的最外層軌道是互相重疊的，這樣就使分立的能級變成了能帶。與原子的最多層軌道的價電子相對應(yīng)的能帶叫做價帶。價帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。在溫度低至絕對零度的情況下，晶體中的電子均在價帶之中，而導(dǎo)帶是完全空著的。如果價帶中的電子受熱或光的激發(fā)，則受激發(fā)的電子就會躍遷到上面的導(dǎo)帶中去。這樣一來，晶體材料就可以導(dǎo)電了。把導(dǎo)帶底的能量記作EC，把價帶頂?shù)哪芰坑涀鱁VO在EC和EV之間是不可能有電子的，故稱為禁帶。把EC與EV之差記作Eg，稱為禁帶寬度或帶隙。如果Eg較大，則需要較大的激勵能量把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去。對于絕緣體材料，由于禁帶寬度Eg很大，價帶中的電子很難遷到導(dǎo)帶中去，因而它表現(xiàn)出良好的絕緣性能。導(dǎo)體材料的Eg=0，因此它表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而它的導(dǎo)電能力也介于兩者之間。 當價帶中一個電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，在價帶中就留下了一個電子的空位。在電場的作用下，價帶中鄰近的電子就會填補這個空位，而把它自己的位置空出來，這就好象空位本身在電場的作用下產(chǎn)生移動一樣�？瘴坏淖饔煤孟笠粋�帶正電的粒子，在半導(dǎo)體物理學上把它叫作空穴。穴帶中的一個電子可以吸收外界能量而躍遷到導(dǎo)帶中去，在價帶中形成一個空穴。反之，導(dǎo)帶中的一個電子也可以躍遷到價帶中去，在價帶中填補一個空穴，把這一過程叫做復(fù)合。在復(fù)合時，電子把大約等于禁帶寬度Eg的能量釋放出來。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個頻率為： 的光子，其中h是普朗克常數(shù)（6.625×10-34焦耳•秒）。不同的半導(dǎo)體單晶材料的Eg值不同，光發(fā)波長也不同，因為電子和空穴都是處于能帶之中，不同的電子和空穴的能級有所差別，復(fù)合發(fā)光的波長有所差別，但其頻率接近于γ。 2.1-2半導(dǎo)體摻雜、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體 上面說到的都是純凈、完整的理想半導(dǎo)體單晶的情況。在實際的半導(dǎo)體單晶材料中，往往存在著與組成晶體的基質(zhì)原子不同的其它元素的原子——雜質(zhì)原子，以及在晶體形成過程中出現(xiàn)的各種缺陷。進行材料提純，就是為了去除有害雜質(zhì)。進行各種處理，就是為了消除或減少某些缺陷。但是，在實際應(yīng)用中，我們還要有意識地在晶體中摻入一定量的有用雜質(zhì)，這些雜質(zhì)原子對半導(dǎo)體起著極為重要的作用。我們知道，按照摻雜的不同，可以得到電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體材料。 所謂本征半導(dǎo)體，是指含雜質(zhì)和缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。其特點是，在半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶電子和數(shù)目和價帶空穴的數(shù)目相等。通常把本征半導(dǎo)體叫做I型半導(dǎo)體。所謂電子型半導(dǎo)體就是通過故意摻雜使用導(dǎo)帶的電子數(shù)目比價帶空穴的數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的III－V族化合物GaAs中摻入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶體中的As原子，這樣就得到了電子型半導(dǎo)體。Te原子的外層有六個價電子，As原子的外導(dǎo)有五個價電子，在形成共價鍵時每個Te原子向晶體提供一個電子，因而導(dǎo)帶內(nèi)就有許多電子，這種電子型半導(dǎo)體亦稱為N型半導(dǎo)體。所謂空穴型半導(dǎo)體，就是通過故意摻雜使價帶空穴的數(shù)目比導(dǎo)帶電子數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的III－V族化合物GaAs中摻入少量的II族元素Zn。Zn原子取代晶體中的Ga原子，這樣就得到了空穴型半導(dǎo)體。Zn原子的外層有兩個價電子，Ga原子的外層有三個價電子，在形成共價鍵時每個Zn原子向晶體索取一個電子，即向晶體提供一個空穴，因而價帶內(nèi)就有許多空穴，這種空穴型半導(dǎo)體也叫做P型半導(dǎo)體。 理論分析和實驗結(jié)果表明，半導(dǎo)體的物理性質(zhì)在很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。更重要的是，把不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合起來，就可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體器件，當然也包括這里要講的激光二極管和發(fā)光二極管。請注意，這里所說的“結(jié)合”，并不是簡單的機械的接觸，而是在同一塊半導(dǎo)體單晶內(nèi)形成不同類型的兩個或兩個以上的區(qū)域。 2.1-3半導(dǎo)體p-n結(jié)和p-n結(jié)光源 P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面稱為p-n結(jié)，許多半導(dǎo)體器件（包括半導(dǎo)體激光器）的核心就是這個p-n結(jié)。前面提到，在P型半導(dǎo)體內(nèi)有多余空穴，在N型半導(dǎo)體內(nèi)有多余電子，當這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，P區(qū)內(nèi)的空穴向N區(qū)擴散，在靠近界面的地方剩下了帶負電的離子，N區(qū)內(nèi)的電子向P區(qū)擴散，在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子。這樣一來，在界面兩側(cè)就形成了帶相反電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。由這些相反電荷形成一個自建電場，其方向是由N區(qū)指向P區(qū)。由于自建電場的存在，在界面的兩側(cè)產(chǎn)生了一個電勢差VD，這個電勢差阻礙空穴和電子的進一步擴建，使之最后達到平衡狀態(tài)。因此，我們把VD叫做阻礙空穴和電子擴散的勢壘。如圖2.1所示的p-n結(jié)及能帶，顯然，P區(qū)的能量比N區(qū)的提高了eVD，其中e是電子的電荷量。如圖中所示：對于輕摻雜的p-n結(jié)，eVD |
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