光电子技术 第五讲 半导体光源(1)
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半导体光电子学第五章第九章-PPT
大家好 15
J th
4.5 103
i
d
20
i
d
[
(1
)
out
1 ln L
1 R
fc ]
GaAlAs/GaAs特征温度120-180℃ InGaAsP/InP T0=65K
大家好 16
四、阈值特性关系小结
1、低维量子材料 2、增益介质 3、侧向折射率波导
大家好 17
作业: 教材181页第1、2题
大家好 13
Ith e(WdL)Nth / s
大家好 14
三、温度对阈值电流的影响
J th
(T
)
J
th
(Tr
)
T exp(
Tr T0
)
T0为一个表征半导体激 光器温度稳定性的重要
参数称为特征温度，T0
与材料和结构相关，由 式看出T0越高LD的温度 稳定性越高，T0趋于无 穷则Jth不随温度而变化
1、名词解释：
功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率
2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提 高半导体激光器的微分量子效率。
大家好 27
5.3 半导体激光器的远场特性
大家好 28
LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解
理面上或解理面一个光波长范围内的分布（与横模，
侧模有关）。远场是指距输出这常常与光束的发散
12分钟→数十万小时
对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然 失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。 LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料， 有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种 因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果。
电子行业光电子技术光源
电子行业光电子技术光源引言光电子技术是电子行业中的重要部分，它利用光源产生光信号，应用于光通信、光存储、显示器件等领域。
本文将介绍电子行业中常用的一些光源技术，包括LED、激光器、光纤等。
LED（Light Emitting Diode）LED是一种将电能转化为光能的半导体器件。
它具有体积小、寿命长、能耗低、响应速度快等特点，被广泛应用于各个电子设备中。
目前，LED的主要应用方向包括照明、显示屏、指示灯等。
在电子行业中，LED被广泛应用于光通信领域。
LED光源可以通过调节电流的强弱来控制光的亮度，实现光通信的传输功能。
此外，LED还可以通过多个不同颜色的LED组合，实现多波长的光源，并应用于光存储设备中。
激光器（Laser）激光器是一种利用受激辐射原理产生高纯度、高亮度、高方向性的光源。
激光器具有窄的光谱带宽、高的单色性和调制范围广等特点，被广泛应用于光通信、雷达、医疗器械等领域。
在电子行业中，激光器被广泛用于光存储领域。
激光器的高亮度和方向性可以实现高密度的光存储，提高存储容量和速度。
此外，激光器还可以通过调节激光波长和功率，实现对光存储介质的写入和擦除。
光纤（Optical Fiber）光纤是一种用于传输光信号的光导纤维。
光纤具有低损耗、宽带、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于光通信、光传感、医疗等领域。
在电子行业中，光纤被广泛应用于光通信领域。
光纤可以将激光器或LED产生的光信号传输到远处，实现远距离的光通信。
光纤还可以通过掺杂不同的材料，实现光纤传感，应用于环境监测、工业检测等领域。
光电子技术的发展趋势随着电子行业的发展，光电子技术也在不断进步。
未来，我们可以预见以下几个发展趋势：1.高功率、高效率：光源将会更加强大和高效，实现更高的功率和较低的能耗。
2.多波长：多波长的光源将能够满足不同领域的需求，实现更灵活的应用。
3.集成化：将光源与其他电子器件集成在一起，实现更紧凑的设备和更简化的制造流程。
半导体光电子学第1章 半导体中光子-电子的...
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子器件及其应用： ①半导体激光器：因其体积小、耗电少、寿 命长，应用领域十分广，VCD(780nm)、 CD-ROM、DVD(635nm,650nm)中读取数 据，激光打印、计算机直接印刷、医疗中切 割，内窥镜光源，工业中打孔、焊接、切割， 泵浦源，光纤通信中光发射机的核心、中继 器关键，军事上：测距、红外夜视，激光雷 达，激光制导，激光打靶。（6个方面，日常、 工业、医疗技术的发展及应用
半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光 能与电能相互转换的一门学科。
半导体光电子技术的发展及应用
发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时 候人们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。 上个世纪60年代得到飞速发展，这主要归因于半导 体激光器（LD）的出现。1962年第一台半导体激光 器诞生，是由美国GE公司的霍尔(Hall)研制成的。 这一时期的半导体激光器的特点是：同质结材料， 激光器的阈值电流密度特别高，只能在液氮温度 （77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没有任何实 用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研 制出DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异质结激光器电流密度大大降低，实现 了室温下连续工作，就在同一时间低损耗光纤研制 成功。
在晶格匹配的限制下，x和y的值就不能随便取了。 在与InP材料晶格匹配的限制下，x和y之间有如下关系：
0.4526 y x 0.45 y 1 0.031 y
在这种情况下，带隙为
2 E g in eV 1.35 0.72 y 0.12 y(指无掺杂情况)
光电子发光与显示技术 第二章 半导体发光显示器件(LED)PPT课件
光电子技术精品课程
1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光， 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能 的元件，属于低场下的注入式电致发光。
2、特点： ❖ 亮度高，室温下，全色LED大屏幕，5000－
10000cd/m2 ❖ 工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配 ❖响应速度快，10－7 － 1 0－9s ❖ 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED ❖ 尺寸小，寿命长（十万小时） ❖ 视角宽，96年，达80度；97年，达140度
光电子技术精品课程
§2 半导体发光显示器件（LED）
❖ What is LED? ❖ Light emitting diodes,
commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell turned on indicator). ❖ Television screen
LED
发展光史电到子低技术能精走品多课远程,不
❖LED技术研发之路，最为人津津乐道的故 事，就是开发蓝光LED时，碳化硅(SiC)与 氮化镓(GaN)两大门派之争 ；
❖之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结 果日本一家专门做荧光粉业务的公司—— 日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生 (Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在 氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取 得震惊全球的专利
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1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光， 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能 的元件，属于低场下的注入式电致发光。
2、特点： ❖ 亮度高，室温下，全色LED大屏幕，5000－
10000cd/m2 ❖ 工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配 ❖响应速度快，10－7 － 1 0－9s ❖ 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED ❖ 尺寸小，寿命长（十万小时） ❖ 视角宽，96年，达80度；97年，达140度
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§2 半导体发光显示器件（LED）
❖ What is LED? ❖ Light emitting diodes,
commonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell turned on indicator). ❖ Television screen
LED
发展光史电到子低技术能精走品多课远程,不
❖LED技术研发之路，最为人津津乐道的故 事，就是开发蓝光LED时，碳化硅(SiC)与 氮化镓(GaN)两大门派之争 ；
❖之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结 果日本一家专门做荧光粉业务的公司—— 日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生 (Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在 氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取 得震惊全球的专利
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半导体照明技术
半导体照明技术
三、高亮度发光二极管芯片构造
刚开始研制成旳高亮度LED，都是在半导体激光器件中已
成熟采用旳双异质结构造，这种构造生长旳特点是生长轻易，
提升发光效率旳效果明显，它旳特制双异质构造形成旳势垒将
注入旳载流子限制在复合区内，大大提升了发光复合效率。但
为了提升发光效率，又对芯片构造进行了许多新旳改善，详细
半导体照明技术
4、色温 色温旳特征能够用色坐标（X、Y）来量化，根据X、Y值
能够得杰出温或有关色温。如混合485nm(蓝光)和583nm (橙 黄光)，可得到色温大约为4000K旳白色光。对于三色白光源 来说，能够调整三色旳成份来控制光源旳色温。目前经过调 整LED或荧光粉旳波长和带宽以及相应成份能够得到从低到 高色温区旳所用白光。所以对于半导体照明光源来说，色温 也不是困难。
发光波长与构成x间符合关系式：
1.24 103 1.43 1.23x
综合考虑外量子效率与x旳关系和人眼是视觉敏捷度， 存在一种最佳旳构成x值x=0.4，得到最高旳发光亮度，波长 为650-660nm。
半导体照明技术
四、镓铝砷
1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs旳固溶体。当x=0.35时由直接 跃迁变成间接跃迁。
半导体照明技术
五、铝镓铟磷
1、(AlxGa1-x)yIn1-yP，y约为0.5时，其晶格常数几乎完美地与 GaAs匹配。在GaAs上生长旳高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半 导体照明中主要旳异质构造材料。
2、直接带隙到间接带隙旳转变出目前x=0.65，相应于带隙能 量2.3eV，所以能得到656nm到540nm范围内旳光发射。用它制 成旳发光二极管得到了可见光中最高旳发光效率，在614nm到 达108lm/W。
《半导体光电子学课件》下集5.1 ld的阈值特性13
th
(A
cm 2
)
n 0 .1
n 0.14
n 0.4
d(μm) 0.1 0.2 0.3
2. 有源层宽度 与阈值 J th关系
I th I th J th A L
载流子的倒向扩散
J th
由于光丝的扩散
J th
条形LD
具有折射率波导的条形LD， 由于对载流子、光子进行了限制， 宽度可以做到很窄 J th
长波长InGaAsP
/ InP的 T0 < 短波长
GaAlAs / GaAs T0
①Auger非辐射复合严重 ② Ec 小，载流子热泄漏严重
四.波长与 J th 的关系
λ<0.8μ λ↓ 间接带隙能积累的 载流子增加
λ<0.8μ λ↑ Auger非辐射复合 速率增加，载流子泄漏损耗↑
J th
例外：InGaAsP / InP 长波长LD L↓、 J↑ th 因为短腔中俄歇非辐射符合大
三.温度
T Tr J th (T ) ＝J th (Tr ) exp( ) T0
Tr ：室温
T0 ：特征温度，描述LD工作温度稳定工作最重要的量。 T0↑ J th 越稳定。 T0 , J th 不随T变化
P LD LED
I th
I
一.LD结构对阈值的影响
同质结 → 异质结（单） → 双异质结 → 应变多量子阱(R-MQW)：I th ↓ J th ↓ 条形LD：与侧向波导结构有关 J th （增益波 导）> J th （折射率波导）、 J th （掩埋条形LD）
二.LD几何尺寸对 J th的影响
第五章 半导体激光器的性能
（直流）
光电子技术 第1章 光源
第1章 光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源 1.3 气体放电光源 1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源 ➢ 天然光源 ➢ 人造光源
电磁波谱
按照发光机理， 热辐射光源白太炽阳灯、、黑卤体钨辐灯射器 需类光要用便光光光机场正源要特源源理合确。了性的的、，选解、分发重以用各适类：光源发 激 气光 光 体二 器 放极 电 固 光半 染 气管 光纤体 导 料 体源激激 体 激 激光光 激 光 光 氘 氙 金 汞 钠器器 光 器 器 灯 灯 属 灯 灯器 卤化物灯
1.4 激光器
20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个
崭新的阶段。
1.4.1 激光器概述
基激 本光 结器 构的
激 机光 理形
成
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
e ()
de
d
光谱辐射通量e ()与波长的关系
e 0 e ()d
其它辐射度量都有类似关系。
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度
详见表1.1
2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。
辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。
色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，
作仪器白光源.
1.3 气体放电光源
基 泡壳：用玻璃或石英等材料制造；
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源 1.3 气体放电光源 1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源 ➢ 天然光源 ➢ 人造光源
电磁波谱
按照发光机理， 热辐射光源白太炽阳灯、、黑卤体钨辐灯射器 需类光要用便光光光机场正源要特源源理合确。了性的的、，选解、分发重以用各适类：光源发 激 气光 光 体二 器 放极 电 固 光半 染 气管 光纤体 导 料 体源激激 体 激 激光光 激 光 光 氘 氙 金 汞 钠器器 光 器 器 灯 灯 属 灯 灯器 卤化物灯
1.4 激光器
20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个
崭新的阶段。
1.4.1 激光器概述
基激 本光 结器 构的
激 机光 理形
成
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
e ()
de
d
光谱辐射通量e ()与波长的关系
e 0 e ()d
其它辐射度量都有类似关系。
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度
详见表1.1
2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。
辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。
色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，
作仪器白光源.
1.3 气体放电光源
基 泡壳：用玻璃或石英等材料制造；
半导体激光
感谢观看
通常激光器封装形式主要包括单管、Bar条、阵列（Stack）、光纤耦合模块四种形式，其中光纤耦合模块主 要用作光纤激光器的泵浦光源。
应用
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生 产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，已超过300种，半导体激光器的最主 要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于Gh局域网，1300nm -1550nm波长的半导体激光器适用 于1OGb局域网系统。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半 导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、 检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导 体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光 器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起， 它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要 用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最 为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它 的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。双异质结激光器是光纤通信和大气通信 的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD)，半 导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技 术。
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绝缘体：几乎不导电的物质称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、 塑料和石英等。
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半 导体, 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化 物等。
二. 晶体的能带
在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的
势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来
自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的
si
硅原子
GGee
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的四 个电子称为价电子。
2020/5/16
ห้องสมุดไป่ตู้
10
本征半导体（结构）
本征半导体共价键结构
+4
+4 +4
在绝对温度T=0 K时，
+4
+4 +4
所有的价电子都被共价键
紧紧束缚在共价键中，不
会成为自由电子，因此本
+4
+4 +4
征半导体的导电能力很弱，
共价键
接近绝缘体。
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本征半导体的能带
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杂质半导体
• 杂质半导体： 在本征半导体中掺入某些微量的杂 质，会使半导体的导电性能发生显著变化。
• 原因：掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。
N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷) 主要载流子：电子。
漂移运动
因电场作用所产生的 运动称为漂移运动。 （少子）
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平 衡，就形成了PN结。
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26
PN 结的单向导电性
PN结加上正向电压（正向偏置）： P区 加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压（反向偏置）： P区 加负、N区加正电压。
PN 结的单向导电性
能级，形成能带。
E
间距减小能级分裂
自由原子中电 子的能级越高，对 应的能带越宽。
能带
禁带 能带
2s 分 立 的
1s 能 级
d0
d
晶体中的能带
电子填充能带的情况
当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐 个填充能带。
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满 带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可 能不是满带。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流
PN结截止
PN 结的单向导电性（总结）
✓ PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； ✓ PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此得出结论：PN结具有单向导电性。
3s 填满的能带
缘体一样都没有导电
性。
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温 下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中， 这时，半导体就具有一定的导电性。
三、半导体的类型 本征半导体：纯净晶体结构的半导体
• 物质的导电性能取决于原子结构。
导体：低价元素
绝缘体：高价元素
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼) 主要载流子：空穴。
N型杂质半导体
多数载流子（多子）
杂质半导体主要靠多
数载流子导电。掺入杂质
5
越多，多子浓度越高，导
电性越强，实现导电性可
控。
磷（P）：施主原子
N型半导体的能带与施主能级
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P型杂质半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴
PN 结的伏安特性
u
i IS (eUT 1)
正向特性
I
（u>0）
PN 结处于反向偏置时，反
向电压超过某一数值时， 反向击穿部分
反向电流急剧增加，这种
现象称反向击穿。
U
反向特性 （u<0）
3.7.2 发光二极管（LED）
发光二极管（light emitting diode，LED） 是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向 电流时发光。它是直接把电能转换成光能的 器件，没有热转换过程，其发光机制是电致 发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于 发光面积小，故可以视为点光源。
光电子技术原理 及应用
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1
本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
2
3.7.1 半导体基础知识
一、导体、半导体和绝缘体
导 体：容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
导电，掺入杂质越多，空穴
3
浓度越高，导电性越强，
硼（B）
P型半导体的能带与受主能级
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四、费米能级
热平衡状态下，半导体中电子的能级分布服从费米分布：
1
fN E 1 eEEf kT
费米能级Ef 的意义是电子占据概率为0.5的能级，
具有标尺的作用，可以用来定性描述半导体中载 流子的分布。
五、PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴 浓度降低、靠近接触面N区的自由电子 浓度降低，产生内电场。
PN结的形成（2）
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
（1）正向电压
必要吗？
外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流
PN结导通
（2）反向电压
外电场的方向与内电场方向相同。
反向饱和电流：在一定的 温度下，由本征激发产生 的少子浓度是一定的，故 电流基本上与外加反压的 大小无关，与温度有关。
金属导体、绝缘体和半导体
1. 导体 较低的能带都 被电子填满，上面的能带 只是部分地被电子填充。
3s 未填满的导带
Eg 禁带 2p 填满的能带
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加 速，引起电子的定向流动而形成电流。
2. 绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。
满带和空带之间是较
宽的禁带。除非外电场相 当强，否则不能使电子获 得足够的能量从满带跃迁 到空带。
2p 空带 Eg 禁带 2s 填满的能带
即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的 对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。
金刚石是典型的绝缘体。
3. 本征半导体 不含杂质的纯净半导体。
当温度接近 0 K
时，价带都被电子填 满，价带以上的能带 都是空带。因此和绝
能有 跃些 入电 空子 带可
3p 空带 Eg 禁带
半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半 导体, 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化 物等。
二. 晶体的能带
在实际晶体中，原子中的外层电子在相邻原子的
势场作用下，可以在整个晶体中作共有化运动，原来
自由原子的简并能级分裂为许多和原来能级很接近的
si
硅原子
GGee
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的四 个电子称为价电子。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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本征半导体（结构）
本征半导体共价键结构
+4
+4 +4
在绝对温度T=0 K时，
+4
+4 +4
所有的价电子都被共价键
紧紧束缚在共价键中，不
会成为自由电子，因此本
+4
+4 +4
征半导体的导电能力很弱，
共价键
接近绝缘体。
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本征半导体的能带
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杂质半导体
• 杂质半导体： 在本征半导体中掺入某些微量的杂 质，会使半导体的导电性能发生显著变化。
• 原因：掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。
N 型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷) 主要载流子：电子。
漂移运动
因电场作用所产生的 运动称为漂移运动。 （少子）
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平 衡，就形成了PN结。
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PN 结的单向导电性
PN结加上正向电压（正向偏置）： P区 加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压（反向偏置）： P区 加负、N区加正电压。
PN 结的单向导电性
能级，形成能带。
E
间距减小能级分裂
自由原子中电 子的能级越高，对 应的能带越宽。
能带
禁带 能带
2s 分 立 的
1s 能 级
d0
d
晶体中的能带
电子填充能带的情况
当温度接近 0 K时，电子由低能级到高能级逐 个填充能带。
一般，原子的内层能级都被电子填满，成为满 带。价电子引起的能带（价带）可能是满带，也可 能不是满带。
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流
PN结截止
PN 结的单向导电性（总结）
✓ PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； ✓ PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此得出结论：PN结具有单向导电性。
3s 填满的能带
缘体一样都没有导电
性。
本征半导体的禁带比绝缘体的窄很多，在常温 下，少数电子经热激发可越过禁带跃迁到空带中， 这时，半导体就具有一定的导电性。
三、半导体的类型 本征半导体：纯净晶体结构的半导体
• 物质的导电性能取决于原子结构。
导体：低价元素
绝缘体：高价元素
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
P 型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼) 主要载流子：空穴。
N型杂质半导体
多数载流子（多子）
杂质半导体主要靠多
数载流子导电。掺入杂质
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越多，多子浓度越高，导
电性越强，实现导电性可
控。
磷（P）：施主原子
N型半导体的能带与施主能级
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P型杂质半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴
PN 结的伏安特性
u
i IS (eUT 1)
正向特性
I
（u>0）
PN 结处于反向偏置时，反
向电压超过某一数值时， 反向击穿部分
反向电流急剧增加，这种
现象称反向击穿。
U
反向特性 （u<0）
3.7.2 发光二极管（LED）
发光二极管（light emitting diode，LED） 是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向 电流时发光。它是直接把电能转换成光能的 器件，没有热转换过程，其发光机制是电致 发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于 发光面积小，故可以视为点光源。
光电子技术原理 及应用
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本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
2
3.7.1 半导体基础知识
一、导体、半导体和绝缘体
导 体：容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
导电，掺入杂质越多，空穴
3
浓度越高，导电性越强，
硼（B）
P型半导体的能带与受主能级
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四、费米能级
热平衡状态下，半导体中电子的能级分布服从费米分布：
1
fN E 1 eEEf kT
费米能级Ef 的意义是电子占据概率为0.5的能级，
具有标尺的作用，可以用来定性描述半导体中载 流子的分布。
五、PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴 浓度降低、靠近接触面N区的自由电子 浓度降低，产生内电场。
PN结的形成（2）
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
（1）正向电压
必要吗？
外电场的方向与内电场方向相反。
外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动
→多子扩散形成正向电流
PN结导通
（2）反向电压
外电场的方向与内电场方向相同。
反向饱和电流：在一定的 温度下，由本征激发产生 的少子浓度是一定的，故 电流基本上与外加反压的 大小无关，与温度有关。
金属导体、绝缘体和半导体
1. 导体 较低的能带都 被电子填满，上面的能带 只是部分地被电子填充。
3s 未填满的导带
Eg 禁带 2p 填满的能带
当有外电场时，晶体中的运动着电子有些被加 速，引起电子的定向流动而形成电流。
2. 绝缘体 完全填满的能带上面都是空带。
满带和空带之间是较
宽的禁带。除非外电场相 当强，否则不能使电子获 得足够的能量从满带跃迁 到空带。
2p 空带 Eg 禁带 2s 填满的能带
即使有外电场，也不可能改变电子速度分布的 对称性，即不能引起电子的定向流动而形成电流。
金刚石是典型的绝缘体。
3. 本征半导体 不含杂质的纯净半导体。
当温度接近 0 K
时，价带都被电子填 满，价带以上的能带 都是空带。因此和绝
能有 跃些 入电 空子 带可
3p 空带 Eg 禁带