半导体光电材料基础-1.ppt

半导体光电材料基础 天津大学材料学院 杨静 2010.10 参考书目 曾谨言，量子力学导论，北京大学出版社, 1998 傅竹西， 固体光电子学，中国科技大学出版社，1999 黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社，1988 姚建铨等，光电子技术，高等教育出版社，2006 黄书万，光电材料，上海科学技术出版社，1987 刘恩科等，半导体物理学，西安交通大学出版社，1998 孟宪章等，半导体物理学，吉林大学出版社，1993 考核方式： 平时成绩（20%）：考勤及课堂提问 期末成绩（80%）：文献综述（纸质+PPT） 要求：每位同学从备选题目中选择其一，查阅相关文献，完成文献综述报告，并在课上做口头报告（15?20分钟/人，并回答老师和同学提出的问题）。 文献综述备选题目： 量子点太阳能电池研究进展 量子点生物荧光探针研究进展（可见光量子点、红外量子点等） 量子点激光器研究进展 半导体超晶格材料研究进展 半导体发光二极管（LED）研究进展 课程主要内容： 第一章 半导体光电材料概述 第二章 半导体中的电子状态 第三章 半导体中的光发射 第四章 半导体的光生伏特效应 第五章 半导体光电材料和器件举例（荧光量 子点、发光二极管、 太阳能电池、超晶格） 第一章 1.1 半导体光电器件与材料 半导体光电器件：利用半导体光子-电子（或电子-光子）转换效应制成的，可实现光信号（光能）-电信号（电能）相互转化的各种功能器件。 常用的半导体光电器件： 光-电器件：光敏元件、光电探测器、太阳能电池 电-光器件：发光二极管、注入型半导体激光器。 光-光器件：光激励半导体激光器、荧光量子点 半导体光电材料：半导体光电器件所用的主要半导体材料。 1.2 主要的半导体光电材料 1.3 主要半导体光电材料的应用 锗（Ge）：锗单晶及其掺杂是一种很好的光电探测器材 料，如：耗尽层光电二极管。 硅（Si）：光电探测器、太阳能电池。 碳化硅（SiC）：场致发光器件。 砷化镓（GaAs）：激光器、发光二极管、太阳能电池 硫化锌（ZnS）：光致、电致发光材料 硫化镉（CdS）：光敏电阻、太阳能电池、激光材料、发 光材料 碲化镉（CdTe）：太阳能电池、红外探测器 硫化铅（PbS、PbSe、PbTe）：红外探测器、激光器 1.4 半导体光电器件的物理基础 半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。 半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 1.4 半导体光电器件的物理基础 光电探测器：光电导效应、光伏效应———内光电效应 发光二极管、半导体激光器：载流子的注入和复合发光效应 太阳能电池：光生伏特效应 第二章 半导体中的电子状态 2.1 孤立原子中电子的运动状态 氢原子的能量本征方程 1. 主量子数 n 2. 轨道角动量量子数l 3. 磁量子数 m 自旋角动量量子数 ms 能量最低原理 核外电子在原子轨道上的排布，应使整个原子的能量处于最低状态。即填充电子时，是按照近似能级图中各能级的顺序由低到高填充的。 泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有两个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中三个量子数相同，第四个一定不同，即同一轨道最多能容纳2个自旋方向相反的电子。 洪特规则 在同一亚层的各个轨道上，电子的排布尽可能分占不同的轨道，并且自旋相同。 晶体内部结构的周期性 晶体中原子排列呈周期性，可用晶格来形象描绘。 周期性势场 在绝热近似和单电子近似下，晶体中的每个电子所处的势场 可看做是周期性势场。 能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础。 定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。 说明了导体、半导体和绝缘体的区别。 电子运动状态的完全描述 n，l，m三个确定的量子数组成的一套参数即可描述出一种波函数的特征，确定了电子云的特征。 但要完全描述核外电子的运动状态还须确定第四个量子数：自旋量子数ms，只有四个量子都完全确定后，才能完全描述核外电子的运动状态。 原子核外电子排布 2.2 半导体中电子的运动状态和能带 共有化电子和能带的形成（定性） 晶体中的电子状态——能带理论（定量） 为任意晶格矢量。 共有化电子和能带的形成 周期性势场 V(r) r 共有化电子和能