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第九章 光子晶体波导及器件 深圳大学 宋军 光子晶体：光的半导体 思考：半导体是什么？尝试由半导体的基本特征思考光的半导体——光子晶体应该长什么样 9.1 半导体概念与分类 半导体的特征？ 周期性结构 完好的周期性排列不会导电：禁带 周期性被破坏才会导电：价带?导带 光子晶体 回忆半导体的能带结构?光子晶体？ 回忆生活中是否有类似光子晶体的应用？（对某些波段光禁止传播的结构） 眼镜片上镀了抗紫外膜，能够阻止紫外光透过。那么光学薄膜是否是光子晶体呢？ 光学薄膜：周期性排列的膜层——一维光子晶体 自然界里是否存在光子晶体？ 光子晶体的应用 思考：光子晶体光纤可以让光在空气芯中传输，这有什么用？ 光子晶体的制作 类光子晶体现象的思考 光子晶体的其他有趣现象 思考：如果折射率是负的对已有光学定律有哪些影响？ 反射折射定律 然后近年来有不同方法做出了负折射材料，于是带来了光电领域的飞速变革 基于负折射的隐形材料 总结 掌握半导体和光子晶体的异同点 以硅为例，能够由半导体的基本结构特征推出光子晶体应该具有的特征 SCIENCE VOL 292 6 APRIL 2001 lattice of split ring resonators * ? 何谓半导体 物体分类 导体 — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属 绝缘体 — 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。 半导体 ? 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 微电子器件、 激光器 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光照特性 光敏器件 光电器件 主要半导体材料 ★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge ★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP ★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe 一、本征半导体 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 常用的本征半导体 Si +14 2 8 4 Ge +32 2 8 18 4 +4 ? 本征半导体的原子结构和共价键 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键内的电子 称为束缚电子 价带 导带 挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子 价带中留下的空位 称为空穴 禁带EG 外电场E 自由电子定向移动 形成电子流 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流 本征半导体 1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动 由此我们可以看出： 本征半导体 价带 导带 禁带EG ? 能带结构 自由电子 价电子与空穴 费米能级Ef 本征半导体 二、杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体 掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体 1. N型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +5 价带 导带 + + + + + + + 施主能级 自由电子是多子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子 在本征半导体中掺入的五价元素如P +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +5 N型半导体 + + + + + + + + N型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +3 价带 导带 - - - - - - - 受主能级 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。 2. P型半导体 在本征半导体中掺入的三价元素如B +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +3 P型半导体 - - - - - - - - P型半导体 电子 空穴 导带 导带 价带 导带 价带 价带 施主 受主 本征半导体 P型半导体 N型半导体 半导体的能带结构 Ef Ef Ef 直接带隙与间接带隙半导体 k E 直接带隙材料，效率高 k E 间接带隙材料，效率低 能带---波矢图 跃迁选择定则: 跃