半导体物理-光源-光检测
半导体物理试验-微电子学院微电子试验教学中心-西安电子科技大学
《半导体物理实验》教学大纲课程编号：MI4221016课程名称：半导体物理实验英文名称：Experiments ofSemiconductor Physics学时：8 学分：0.5课程类别：限选课程性质：专业课适用专业：集成电路与系统集成先修课程：半导体物理和半导体器件电子学开课学期：4 开课院系：微电子学院一、课程的教学目标与任务目标：培养学生独立完成半导体材料特性测试、分析的实践动手能力，巩固和强化半导体物理知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力，锻炼学生分析、探讨和总结实验结果的能力。
任务：在理论课程的学习基础上，通过大量实验，熟练掌握现代微电子技术中半导体材料特性相关的实验手段和测试技术。
课程以教师讲解，学生实际动手操作以及师生讨论的形式实施。
二、本课程与其它课程的联系和分工本实验要求学生掌握半导体物理效应的测试技术和分析手段，共设置9个实验，要求学生选择完成其中4个实验。
（一）高频光电导衰退法测量非平衡少子寿命（2学时）具体内容：利用高频光电导衰退法分别测量具有高、中、低电阻率的半导体单晶硅样品的少子寿命，并对测试结果进行分析和探讨。
1.基本要求（1）掌握高频光电导衰退法测量少子寿命的测试原理和方法；（2）掌握半导体材料中少子、少子寿命和电阻率等相关概念。
2.重点、难点重点：高频光电导衰退法测试实验样品的少子寿命；难点：概念理解和测试结果分析和探讨。
3.说明：学习和掌握非平衡少子寿命的测试原理和测试方法。
（二）恒定表面光电压法测量硅中少子的扩散长度（2学时）具体内容：利用恒定表面光电压法测试硅样品中少子的扩散长度。
1.基本要求（1）了解恒定表面光电压法测试硅材料中少子扩散长度的测试原理；（2）掌握半导体中少子扩散长度的测试方法。
2.重点、难点重点：对实验样品进行少子扩散长度的测试；难点：实验仪器的使用和少子扩散长度的准确测量。
3.说明：掌握半导体中少子扩散长度的测试方法。
半导体光电探测器的发展与应用
半导体光电探测器的发展与应用半导体光电探测器是一种基于半导体材料和光电效应原理构造而成的器件，可以将光信号转化成电信号。
由于其高灵敏度、高速响应和稳定性等优良特性，被广泛应用于光通信、光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
本文将围绕半导体光电探测器的发展历程、结构及原理、现状和应用等方面展开论述。
一、发展历程半导体光电探测器的发展可以追溯到20世纪20年代，当时光电效应和半导体性质的研究取得了突破性进展。
到了20世纪50年代，半导体光电探测器开始得到广泛的关注和研究。
1960年代出现的PN结光电二极管，成为第一代光电探测器。
1980年代中期，出现了速度较快、灵敏度更高的探测器，如PIN结光电二极管、Avalanche光电探测器等。
1990年代中期以后，半导体光电探测器的研究重点开始向复杂结构和新型材料的探索转移。
目前，半导体光电探测器已经成为了光电信息处理、物理学研究和制造业等领域的重要技术。
二、结构及原理半导体光电探测器的结构基本上都是由多层P型半导体、N型半导体和Intrinsic半导体组成。
其中，P型半导体和N型半导体通过PN结连接。
当光子入射到PN结上时，会激发出电子，从而改变了PN结的电流和电压差。
Intrinsic半导体通常会被用作增加载流子储存的区域。
半导体光电探测器的工作原理是通过光电效应将光子转化成电子，从而改变器件的电学性质。
光电效应是指当光子入射到半导体材料上时，会激发出电子，从而产生电位能差。
当光照射到器件上时，产生的载流子将被探测电路收集。
三、现状目前，半导体光电探测器的技术发展已经较为成熟。
在高速通信领域，APD、PIN-TIA等探测器被广泛应用于数字光纤通信和模拟光纤通信等领域。
在太空探测领域，半导体光电探测器被用于搜集天体的光与辐射等信息。
此外，半导体光电探测器还应用于光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
随着科技的不断进步，半导体光电探测器的应用前景将更广阔。
四、应用半导体光电探测器的广泛应用主要体现在以下几个方面：1.光通信半导体光电探测器在光通信中起着至关重要的作用。
半导体材料的测试技术
半导体材料的测试技术1.电学测试技术电学测试技术是半导体材料测试的基础。
它主要包括电阻测试、电容测试、电势分布测试等。
电阻测试用于测量材料的电阻值，以判断导电性能。
电容测试则用于测量材料的电容值，以评估绝缘性能。
电势分布测试则用于测量电势在材料内的分布情况，以评估电路设计的准确性和稳定性。
2.光学测试技术光学测试技术主要用于测量材料的光学性能，例如透射率、反射率、折射率等。
这些参数对于半导体材料的功能和性能至关重要。
光学测试技术通常使用光谱仪、激光干涉仪等设备进行测量，可以精确地确定材料的光学特性。
3.结构测试技术结构测试技术主要用于测量材料的结构参数。
例如，常见的X射线衍射技术可以用来分析材料的晶体结构和晶体缺陷。
扫描电子显微镜（SEM）可以用来观察材料的微观形貌和表面形貌。
透射电子显微镜（TEM）则能够提供更高分辨率的图像，用于研究材料的纳米级结构。
4.热物性测试技术热物性测试技术主要用于测量材料的导热性能和热稳定性。
热导率测试可以测量材料导热的速度和效率，以评估材料的散热性能。
热膨胀测试可以测量材料在温度变化下的线膨胀系数，以评估材料的热稳定性。
5.电子能谱测试技术电子能谱测试技术通过测量材料中电子的能量分布，可以得到材料的成分和化学状态。
常见的电子能谱测试技术包括X射线光电子能谱（XPS）、透射电子能谱（AES）等。
这些技术可以用来分析材料的表面组成和化学键的状态，以评估材料的纯度和接触性能。
总之，半导体材料测试技术在半导体工业生产中起着至关重要的作用。
通过不同的测试技术，可以对材料的电学、光学、结构、热物性以及化学性质进行全面而详细的检测和分析。
这些测试结果有助于提高半导体材料的质量和性能，从而推动整个半导体工业的发展。
半导体物理第五章(教材)
05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时，会产生热电势差，即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应，可以制作出温差电器件，如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件，以适应体技术与其他领域（如生物、医学、环境等）的交叉融合，将 产生新的应用方向和产业机遇。
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致冷器件
利用帕尔贴效应，可以制作出致冷器 件，如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念，以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
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半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷，具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷，具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
3.2 半导体光检测器原理3版
均方散粒噪声电流
〈 i2sh〉=2e(IP+Id)B (3.21)
式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信 号电流和暗电流。
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式 (3.21) 第一项 2eIPB 称为量子噪声，是由于入射光子 和所形成的电子 - 空穴对都具有离散性和随机性而产生的。 只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本 征噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。 式 (3.21) 第二项 2eIdB 是暗电流产生的噪声。暗电流是 器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流， 它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散 形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有 关，例如SiPIN， Id<1nA，GePIN ， Id>100nA。
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当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电
动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N 区过剩的电子通过外部电路流向 P区。同样， P 区的空穴 流向N区，便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而
把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作
3.2 半导体光检测器
1.
光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分； 作用：把光发射机发送的携带有信息的 光信号转化成相应的电信号并放大、再 生恢复为原传输的信号。
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组成：
光信 号 光检 测器 前 置 放大 器 电信 号 主放 大器 均衡 器 滤波 器
图5.1 光接收机组成框图
光检测器产生的光电流是非常微弱的，必须由前置放大 器进行低噪声放大，因此前置放大器的噪声对光接收机的灵 敏度影响非常大；主放大器是为了提供足够的增益，并通过 它实现自动增益控制（AGC)，以使光信号在一定范围内变 化时，输出电信号保持稳定；均衡器以及滤波器对信号进行 进一步放大及整形，以提高系统性能。
半导体光电检测技术
电极
SiO2 P+ + h E 耗尽区 W N e-
Ip
RL
输出电压 Vout
入射光 Pin hv > Eg 抗反射膜
电 极
+ h eRL Ip
空穴 电子 负载电阻 光生电流 W =几 µ m
• 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子−空穴 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子− 对在电场的作用下, 分别离开耗尽区， 区漂移， 对在电场的作用下 分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合， 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入 正电极。从而在外电路形成光生电流。 正电极。从而在外电路形成光生电流。 • 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化， 变成电流信号。 变成电流信号。
• 光生的电子−空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能 光生的电子−空穴对经过高电场区时被加速。 区晶格上的原子碰撞， 量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原 子电离，从而产生新的电子−空穴对。 子电离，从而产生新的电子−空穴对。这种通过碰撞电离产生的 电子−空穴对，称为二次电子−空穴对。 电子−空穴对，称为二次电子−空穴对。 • 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速， 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
解决方法：减小P,N区厚 P,N区厚 解决方法：减小P,N 增加耗尽区的宽度， 度，增加耗尽区的宽度， 使大部分入射光功率在 耗尽区吸收，减少P,N P,N区 耗尽区吸收，减少P,N区 吸收的光能---PIN 吸收的光能--PIN
半导体材料检测种类、检测项目与检测方法总结
半导体材料检测种类、检测项目与检测方法总结半导体材料检测是对半导体材料的特性参数进行分析测试的技术，具体涉及到哪些材料的检测，目前常见的检测技术有哪些？我们不妨一起来看看。
半导体材料检测是对半导体材料的特性参数进行分析测试的技术，由于半导体材料种类繁多，加工工艺复杂，形态各异，技术难度高，这就需要我们通过对半导体材料的特性参数进行测定，真实的反映半导体材料质量情况，掌握其关键参数的生成工艺，从而指导研发技术的更新迭代。
常见半导体材料检测种类1、湿电子化学品检测种类（1）酸碱类：高纯盐酸、高纯硫酸、高纯硝酸、高纯氢氟酸、高纯冰Z酸、高纯草酸、电子级复水、电子级过氧化氢、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、电子级磷酸；（2）蚀刻类：铝腐蚀液、铬鹰蚀液、镍银腐蚀液、硅腐蚀液、金蚀刻液、铜蚀刻液、显影液、剥离液、清洗液、ITO蚀刻液、缓释剂、BOE；（3）溶剂类：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四甲基氢氧化铵、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、环已烷、N-甲基吡略烷酮、丙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚醋酸酯等。
2、光刻胶及配套试剂检测种类光刻胶、负胶显影液、负胶漂洗液、负胶显影漂洗液、正胶显影液正胶稀释剂、边胶清洗剂、负胶剥离液、正胶剥离液等。
3、电池材料检测种类（1）负极材料：碳材料、非碳负极材料、石里负极材料、锂电池负极材料、硅负极材料、锂离子负极材料、硅碳负极材料、碳素负极材料、沥青负极材料等；（2）正极材料：钻酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料、镍，钻，锰酸锂、镍锰酸锂、正极材料镍钻锰酸锂等；（3）电解液：锂离子电池用电解液、锂原电池用电解液、六氟磷酸锂、六氟磷酸锂电解液等；（4）电池/电解液添加剂：成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂等；。
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器之阳早格格创做纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器弁止光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.一、光电子系统的组成系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.图1-1光电子系统图二、半导体探测器的本理1、光电导探测器光电导探测器主假如通过电阳值的变更去检测，以下尔将以光敏电阻为例介绍其处事本理.光敏电阻又称光导管, 它不极性, 杂粹是一个电阻器件, 使用时既可加曲流电压, 也不妨加接流电压.无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小. 当光敏电阻受到一定波少范畴的光照时, 它的阻值（明电阻）慢遽缩小, 电路中电流赶快删大. 普遍期视暗电阻越大越佳, 明电阻越小越佳,此时光敏电阻的敏捷度下. 本量光敏电阻的暗电阻值普遍正在兆欧级, 明电阻正在几千欧以下.它的处事本理图如2-1图当不光照时，Rd=10断路当有光照时，Rd= 导通2、光伏探测器光伏探测器鉴于光照爆收电势好，用测电势好的本理.它分为光电池与光电二极管二种典型，光电池主假如把光能变更为电能的器件，暂时有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但是暂时使用最广的是硅光电池.光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.以下尔将分别介绍其处事本理及其个性. 1）P-N结光电二级管2）PIN光电二级管PIN光电二极管又称赶快光电二极管，与普遍的光电二极管相比，它具备不的时间常量，并使光谱赞同范转背少波目标移动，其峰值波少可移至1.04~1.06um而与YAG激光器的收射波少相对于应.它具备敏捷度下的便宜，所以通时常使用于强光检测（线性）.它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体战N型半导体之间夹了一层本征半导体形成的.果为本征半导体近似于介量，那便相称于删大了P-N结结电容二个电极之间的距离，使结电容变得很小.其次，P型半导体战N型半导体中耗尽层的宽度是随反背电压减少而加宽的，随着反偏偏压的删大，结电容也要变得很小.由于I层的存留，而P区普遍干得很薄，进射光子只可正在I层内被吸支，而反背偏偏压主要集结正在I区，产死下电场区，I区的光死载流子正在强电场效率下加速疏通，所以载流子渡越时间常量（）减小，进而革新了光电二极管的频次赞同.共时I层的引进加大了耗尽区，展宽了光电变更的灵验处事地区，进而使敏捷度得以普及.3）雪崩光电二级管雪崩光电二级管（APD）是得用光死载流子正在下电场区内的雪崩效力而赢得光电流删益，具备敏捷度下、赞同快等便宜，通时常使用于激光测距、激光雷达、强光检测（非线性）.APD雪崩倍删的历程是：当光电二极管的p-n结加相称大的反背偏偏压时，正在耗尽层内将爆收一个很下的电场，它脚以使正在强电场区漂移的光死载流子赢得充分的动能，通过与晶格本子碰碰将爆收新的电子-空穴对于.新的电子-空穴对于正在强电场效率下，分别背好同的目标疏通，正在疏通历程中又大概与本子碰碰再一次爆收新的电子-空穴对于.如许反复，产死雪崩式的载流子倍减少.那个历程便是APD的处事前提.APD普遍正在略矮于反背北脱电压值的反偏偏压下处事.正在无光照时，p-n结不会爆收雪崩倍删效力.但是结区一朝有光映照，激励出的光死载流子便被临界强电场加速而引导雪崩倍删.若反背偏偏压大于反背打脱电压时，光电流的删益可达（十的六次圆）即爆收“自持雪崩倍删”.由于那时出现的集粒噪声可删大到搁大器的噪声火仄，以以致器件无法使用.4）光电三级管光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，普遍正在毫安级，但是光照个性较好，多用于央供输出电流较大的场合.光电三极管有pnp战npn型二种结构，时常使用资料有硅战锗.比圆用硅资料创造的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型.采与硅npn型光电三极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变更效率小，所以得到位广大应用.底下以3DU型光电三极管为例证明它的结构、处事本理与主要个性.3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示.由图可知，3DU管的结媾战一般晶体管类似，不过正在资料的掺杂情况、结里积的大小战基极引线的树立上战一般晶体管分歧.果为光电三极管要赞同光辐射，受光里即集电结（bc结）里积比普遍晶体管大.其余，它是利用光统造集电极电流的，所以正在基极上既可树立引线举止电统造，也不妨不设，真足共光一统造.它的处事本理是处事时各电极所加的电压与一般晶体管相共，即要包管集电结反偏偏置，收射正偏偏听偏偏置.由于集电结是反偏偏压，正在结区有很强的内修电场，对于3DU管去道，内修电场目标是由c到b的.战光电二极管处事本理相共，如果有光照到集电结上，激励电子-空穴对于，接着那些载流子被内修电场分散，电子流背集电极，空穴流背基极，相称于中界背基极注进一个统造电流Ib=Ip.果为收射打队结是正偏偏置的，空穴则留正在基区，使基极电位降下，收射极便有洪量电子经基极流背集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流删益系数.由此可睹，光电三极管的集电结是光电变更部分.共时集电极、基极、收射极形成一个有搁大效率的晶体管.所以正在本理上不妨把它瞅万里一个由光电二极管与一般晶体管分散而成的拉拢件，如图2-4(b)所示.光电三级管另一个个性是它的明暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用去做光启闭的理念元件.3．光电导探测器与电伏探测器的辨别1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的.2）光。
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半导体物理基础光源、光检测器主讲：李彬中国传媒大学信息工程学院半导体物理基础、光源、光检测器 背景知识，量子物理基本概念•半导体能带模型•PN结光源•PN结电致发光：发光二极管（LED）•双异质结构激光二极管（LD）•半导体激光器的静态，动态特性，温度特性 光检测器•PIN光电二极管•APD光电二极管1900年普朗克为解释黑体辐射问题提出了谐振子能量以不连续的量值改变的量子假设。
ε=hν爱因斯坦光子理论：光的粒子性=ε/c2＝hν/c2mφc=hν/c=h/λp=mφ氢原子光谱，波尔氢原子理论3个基本假设德布罗意波E＝hv，p＝h／λ，将表征粒子性的物理量能量、动量与表征波性的频率、波长通过一个常数h等效。
薛定谔方程几率波,氢原子量子化原子的壳层结构原子中电子的状态：主量子数，角量子数，磁量子数，自旋量子数固体中能带的形成在单个原子中：电子具有的能量是不连续的，这些不连续的能量可以借助于能量图上的一系列能级来表示。
当电子从原子中挣脱出来，进入离子化状态后，此时的能量已经没有一级一级的差别，而在能量图上形成能量连续的区域，这时电子可以自由运动，称为自由电子。
在晶体中：当大量原子作有规则排列而形成晶体时，相邻原子电荷相互影响在晶体内形成周期性电场。
它也是一种势垒。
晶体中能带的形成晶体中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。
这种作用对内电子和价电子是不同的，内电子受原子核束缚作用强，从而受影响小，价电子由于轨道大小和相邻原子距离是相同数量级的，所以受影响显著。
量子力学容许电子在势垒宽度变小的情况下通过隧道效应穿越势垒进入另一个原子，这样价电子就不再分别属于各个原子而被整个晶体中的原子共有。
价电子共有化之后原来电子的能级也要发生变化。
按照量子力学的理论，处于周期性势场中运动的粒子即具有能带结构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相互作用分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，这些能级基本上联成一片，形成能带。
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，分成的能带比较宽导体非导体半导体，绝缘体：满带：填满电子的能带空带：完全没有电子的能带 导带：未填满电子的能带 价带：与导带相邻的满带，相应于原子的最外层价电子能级禁带：隔离导带和满带，能带间不允许电子存在的能量状态，导体导带满带禁带空带满带满带非导体满带电子进入导带后就有机会在电场作用下运动，占据新能级，这种定向运动的结果就是使晶体能够导电。
绝缘体、导体和半导体¾导体和非导体导体满带中的电子均处于成键或束缚状态，由于Pauli 不相容原理，这些电子在外电场作用下不能形成电流。
只有部分状态被电子占据的能带中的电子可以在外场作用下转移至其他动量状态并形成电流。
导带满带禁带空带满带满带非导体满带¾半导体导带价带当非导体的禁带宽度较小时，处于满带中的部分电子在室温下即可热激发至空带形成可以导电的电子，而在满带中留下电子空位（空穴）。
空穴的性质与带正电荷的电子相似，也可形成电流。
电子与空穴统称载流子。
这种材料的导电性介于导体和绝缘体之间，故称半导体。
由于最上层的满带相应于最外层价电子能级，故称价带。
半导体空穴：当半导体中一部分电子从满带跃迁到导带中之后，在满带中留下一些空位，这些空位的存在，造成了满带中导电的条件，这些在满带中因失去电子而留下的空位通常称为空穴。
空穴导电：满带中的电子在电场作用下运动，跃入相邻的空穴，而在原先位置上留下新的空穴。
半导体和绝缘体的差别在于禁带宽度的不同。
（界限约1.5电子伏，）因而在一般温度下从满带激发到导带的电子数不同。
半导体的掺杂和导电类型导带施主能级禁带受主能级价带I 型（本征）半导体N型半导体P型半导体I 型半导体：无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。
杂质能级：杂质原子能造成对周期性晶格势场的扰动，从而在禁带中形成电子的束缚态能级。
若杂质态含有电子，则称为施主杂质；若杂质态为空，则称为受主杂质。
N型半导体：掺有施主杂质的半导体。
其电子浓度大于空穴浓度。
P型半导体：掺有受主杂质的半导体。
其电子浓度小于空穴浓度。
半导体材料的分类¾直接带隙和间接带隙直接带隙材料：导带最底点与价带最高点具有相同的k 值。
间接带隙材料：导带最底点与价带最高点的k 值不同。
半导体材料的分类由于半导体内光子与电子的相互作用所伴随的带间跃迁需要满足能量和动量守恒条件，与电子相比，光子动量可忽略，仅有光子参与的带间跃迁要求电子的始末态具有相同的k值（k选择定则）。
因此直接带隙材料具有良好的光电性质，而间接带隙材料则不然。
¾主要的半导体材料Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子器件和光电管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、I nAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和各种光电子器件。
Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可见光和远红外光电子器件。
粒子的统计分布¾Fermi-Dirac 统计分布（电子）()[]kTE E E f f −+=exp 11)(¾Bose-Einstein 统计分布（光子）自旋为半奇数（电子为1/2）的粒子为费米子，一个状态只能容纳一个粒子。
在热平衡状态下，粒子占据能量为E 的状态的几率服从Fermi-Dirac 统计：E f 为体系的Fermi 能级，k 为Boltzmann 常数，T 为绝对温度。
T = 0K 时，f (E ) = 0 for E > E f ；f (E ) = 1 for E < E f 。
当T > 0K 时，f (E f ) = 1/2。
E -E f >> kT 时，Fermi 分布退化为经典的Boltzmann 分布：()[]kT E E E f f −−=exp )(自旋为整数（光子为1）的粒子为玻色子，一个状态可容纳任意数目的粒子。
在热平衡状态下，能量为E 的状态上的平均粒子数服从Bose-Einstein 统计：()1exp 1)(−=kT E E f费米能级：绝对零度情况下电子所能占据的最高能级。
一般温度下，被占满的几率为1/2的能级的能量费米能级是一个特殊的能级，它位于两种能带的间隙，电子具有这个能量后，跃迁到两种能带的可能均为50％。
相对纯净的硅材料而言，P型半导体的费米能级远离导带，而N型半导体的费米能级靠近导带。
光与电子的相互作用¾自发辐射复合¾受激吸收和光生载流子¾受激辐射复合νhE=λ波粒二象性：p=h非平衡载流子和光增益平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。
由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。
为获得光增益，加外界激励使得电子占据上能态的几率大于占据下能态的几率。
PN结两种不同掺杂的半导体，P型，N型 PN结的形成N型，P型半导体内建电场正偏，反偏p、n区接触后，p型半导体中的空穴向N型半导体中扩散，而n型半导体中的电子向p型半导体中扩散。
导致界面两侧出现正负电荷的积累，形成由N区指向p区的结电场，并阻止电子和空穴的进一步扩散。
当达到动态平衡时，形成由n 向p逐渐递减的结电压U0，称为pn结的接触电势差。
从而使pn结两端电子具有能量差eU0（电子带负电，势能越高处能量越低。
因p端电势低，所以p端电子能量大）。
这一电势差相当于一个势垒，阻止双方的进一步扩散。
PN结电致发光：发光二极管（LED）¾基本原理给PN结加正向偏压，PN结势垒降低，外建电场削弱了内建电场对载流子扩散的阻挡作用，这时PN结内原来靠载流子扩散所建立起来的平衡被外电场作用下注入的非平衡载流子所破坏。
注入到耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子。
当外电场作用下注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合产生光子的速率超过材料对光子的吸收速率的时候就在半导体内产生光增益。
同质结器件的不利因素1.非平衡载流子弥散在较宽范围，不能有效限制在节区2.由同种材料构成，不具有波导效应，产生的光场也弥散在较宽范围内。
异质结：不同带隙的半导体材料构成。
同型，异型异质结：掺杂成分。
双异质结：由两层宽带隙和中间一层窄带隙材料构成。
通常包含一个同型异质结和一个异型异质结。
作用：提高注入效率和受激辐射效率，中间层折射率高，形成波导。
PN结电致发光：发光二极管（LED）¾器件结构发光二极管利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此LED的出射光是一种非相干光，其谱线较宽(30nm～60nm)，辐射角也较大。
在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电（路较为简单，并且产量高、成本低。
在光纤通信中获得了广泛应用的有两种LED：•面发光二极管(SLED)•边发光二极管(ELED)。
PN结电致发光：发光二极管（LED）¾器件结构面发光二极管(SLED)有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法在正对有源区部位形成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。
在P ＋GaAs 侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中源区的电流密度约。
这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。
为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高2—3倍。
双异质结生长在二极管顶部的nGaAs 衬底上，PGaAs 有源层厚度仅l μm ～2μm ，与其两边的nAlGaAs 和pGaAs 构成两个异质结，限制了有源层中的载流子及光场分布。
ELED的结构图ELED的结构图如图所示。
这种结构的目的是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性，光从有源层的端面输出。
LED的输出光功率P与电流I的关系，即P—I特性如图所示，它是非阈值器件，发光率随工作电流增大，并在大电流时逐渐饱和。
LED的工作电流通常为50mA-100mA，偏置电压1.2 V-1.8 V,输出功率约几mW。
工作温度升高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。
例如当温度从20℃升高到70℃时，输出功率下降约一半，相对而言，温度的影响要比LD小。