文档介绍：第四章光源和光电检测器
半导体的能带理论
PN结的能带结构
同质结和异质结
发光二极管的工作原理
半导体激光器的工作原理
LD的工作特性
光电检测器的工作原理和主要要求
PIN和APD的工作原理
半导体的能带理论
1、晶体的能带
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成若干组。每组中能级彼此靠得很近,组成有一定宽度的带,称为能带。
锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。
价带下面的能带是被电子占满了,称为满带。
价带上面的能带称为导带。
价带和导带,价带和满带之间的宽度,不能被电子占据因此称为禁带。
原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程,主要发生在价带和导带之间。
2、费米-狄拉克统计
电子是费米子(自旋量子数为1/2),符合泡里不相容原理。电子在各能级中的分布,服从费米-狄拉克统计。
费米能级不是一个可以被电子占据的实在的能级,它是反映电子在各能级中分布情况的参量,具有能级的量纲。
3、各种半导体中电子的统计分布
根据费米分布规律,可以画出各种半导体中电子的统计分布。如图4-1-4所示
PN结的能带结构
1、PN结的形成
当P型半导体和N型半导体形成PN结时,载流子的浓度差引起扩散运动,P区的空穴向N区扩散,剩下带负电的电离受主,从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样,N区的电子向P区扩散,剩下带正电的电离施主,从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区,称为PN结。
PN结具有单向导电性
当PN结加上正向电压时,外加电压的电场方向消弱了自建场,P区的空穴通过PN结流向N区,N区的电子也流向P区,形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多,所以这股正向电流是大电流。
当PN结加反向电压时,外电场的方向和自建场相同,多数载流子将背离PN结的交界面移动,使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少,它变成高阻层,因而反向电流非常小。
2PN结的能带
3增益区的形成
对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成的PN结,当注入电流(或正向电压)加大到某一值后,准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁带宽度, PN结里出现一个增益区(也叫有源区)。
实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足
Eg<hν<e0V 的光子有光放大作用。半导体激光器的辐射就发生在这个区域。