Optical fiber 半导体激光器的基本概念 communication 12021/2/19 半导体晶体的能带 A电子的共有化运动:黄昆、韩汝琦P153 能带理论是目前研究固体运动的一个主要理论基础,能带理论 是一个近似的理论。在固体中存在大量的电子,他们的运动是相 互关联的,每个电子的运动都要受到其它的电子运动的牵连,这 种多电子系统严格的解显难是不可能的,能带理论是单电子近似 理论,就是把每个电子的运动看成是独立的,在一个等势场中的 运动。在大多数情况下,人们最关心的价电子,在原子结合成 固体的过程中,价电子的运动状态发生了很大的变化,而内层电 子的变化是比较小的,可以把原子核的运动和内层电子看成一个 离子实这样价电子的等效势场包括离子实的势场其他价电子的 平均势场以及考虑电子浪函数反对称型而带来的交换作用
1-1 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 一.半导体晶体的能带 A.电子的共有化运动：黄昆、韩汝琦P153 能带理论是目前研究固体运动的一个主要理论基础，能带理论 是一个近似的理论。在固体中存在大量的电子，他们的运动是相 互关联的，每个电子的运动都要受到其它的电子运动的牵连，这 种多电子系统严格的解显难是不可能的，能带理论是单电子近似 理论，就是把每个电子的运动看成是独立的，在一个等势场中的 运动。 在大多数情况下，人们最关心的价电子，在原子结合成 固体的过程中，价电子的运动状态发生了很大的变化，而内层电 子的变化是比较小的，可以把原子核的运动和内层电子看成一个 离子实,这样价电子的等效势场,包括离子实的势场,其他价电子的 平均势场以及考虑电子波函数反对称型而带来的交换作用。 第二节 半导体激光器的基本概念
Optical fiber communication 22021/2/19 黄昆韩汝琦P20 若固体中有N个电子(这里的N不一定等于元胞数他们的基态 是按 Pauling.原理由低到高填充能量尽可能低的N个量子态 假设把电子看成自由电子,有 2 方2k E(k)2m 则N个电子在K空间填充半径为K的球球内包含的状态数恰好等于 N一般称这个球为Ferm球k为Ferm球的半径球的表面为 Ferm面Ferm面的定义是k空间占有电子与不占有电子区域的 分界面Ferm面的能量值为Ferm能EF
1-2 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 黄昆 韩汝琦P220 若固体中有N个电子(这里的N不一定等于元胞数),他们的基态 是按Pauling原理由低到高填充能量尽可能低的N个量子态。 假设把电子看成自由电子，有 则N个电子在K空间填充半径为Kr的球,球内包含的状态数恰好等于 N一般称这个球为Fermi球,kF为Fermi球的半径,球的表面为 Fermi面,Fermi面的定义是k空间占有电子与不占有电子区域的 分界面,Fermi面的能量值为Fermi能EF。 m k E k 2 ( ) 2 2 =
Optical fiber communication 2021/2/19 21 在晶体周期场中运动的N个电子他们的基态是按 Pauling原理 由低到高填充能量尽可能低的N个量子态这时单电子能用En(k) 表示分成一系列能带N个电子填充这些能级是红最低的N个有 两类填充情况: 1.电子恰好填满最低的一系列能带,再高的各带全部都是空的最 高的满带称为价带最低的空带称为导带价带最高能级(价带顶) 与导带最低能级(导带底)之间的能量范围称为带隙这种情况对应 绝缘体和半导体带隙宽度大的(例如约30ev)为绝缘体带隙宽度 小的例如约1ev)为半导体 2.除去完全被电子充满的一系列能带外还有只是部分的被电子填 充的能带后者常被称为导带这时最高占据能级为 Fermi能级,他 位于一个或几个能带的范围内在每一个部分占据的能带中k空间 都有一个占有电子与不占有区城的分界面所有这些表面的集合 就是Ferm面
1-3 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications P221 在晶体周期场中运动的N个电子,他们的基态是按Pauling原理 由低到高填充能量尽可能低的N个量子态,这时单电子能用En(k) 表示.分成一系列能带,N个电子填充这些能级是红最低的N个,有 两类填充情况: 1. 电子恰好填满最低的一系列能带, 再高的各带全部都是空的,最 高的满带称为价带,最低的空带称为导带,价带最高能级(价带顶） 与导带最低能级(导带底)之间的能量范围称为带隙.这种情况对应 绝缘体和半导体.带隙宽度大的(例如约30ev)为绝缘体,带隙宽度 小的(例如约1ev)为半导体。 2. 除去完全被电子充满的一系列能带外,还有只是部分的被电子填 充的能带,后者常被称为导带.这时最高占据能级为Fermi能级,他 位于一个或几个能带的范围内,在每一个部分占据的能带中,k空间 都有一个占有电子与不占有区域的分界面,所有这些表面的集合 就是Fermi面
Optical fiber communication 42021/2/19 半导体的基本能带情况存在一系列满带最上面的满带称为价 带;存在的一系列空带最下面的空带称为导带价带与导带之间有 带隙带隙宽度用Eq表示 在一般温度下导带底有有少量的电子价带顶有少量的空穴半 导体的导电就是依靠导带底的少量电子或价带顶的少量空穴发 光的颜色取决于半导体的带隙宽度跃迁必须满足能量准动量守 恒和能量守恒。 升
1-4 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 半导体的基本能带情况,存在一系列满带,最上面的满带称为价 带;存在的一系列空带,最下面的空带称为导带.价带与导带之间有 带隙,带隙宽度用Eq表示. 在一般温度下,导带底有有少量的电子,价带顶有少量的空穴,半 导体的导电就是依靠导带底的少量电子或价带顶的少量空穴.发 光的颜色取决于半导体的带隙宽度.跃迁必须满足能量准动量守 恒和能量守恒
Optical fiber communication 52021/2/19 李玲P253 在温度接近绝对零度情况下晶体中的电子被紧紧束缚着不能参 与导电价带以上的能带没有电子基本是空着的此时由于导带中 不存在电子所以所以在外加电场作用下晶体是不导电的 在室温下价带中将有许多电子因热激发得到足够的能量越过禁 带进入导带,而在价带中留下空穴。 导带中的那些挣脱了原子束缚的自由电子是能够参与导电的,此 外价带中的空穴由于有其他价电子的填充亦能参与导电。导带中 的电子与价带中的空穴是成对出现的通称为载流子。在外电场 作用下室温下的晶体具有一定的导电能力
1-5 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 李玲P253 在温度接近绝对零度情况下,晶体中的电子被紧紧束缚着,不能参 与导电,价带以上的能带没有电子,基本是空着的,此时由于导带中 不存在电子,所以 所以在外加电场作用下晶体是不导电的. 在室温下,价带中将有许多电子因热激发得到足够的能量,越过禁 带进入导带，而在价带中留下空穴。 导带中的那些挣脱了原子束缚的自由电子是能够参与导电的,此 外价带中的空穴由于有其他价电子的填充亦能参与导电。导带中 的电子与价带中的空穴是成对出现的.通称为载流子。在外电场 作用下.室温下的晶体具有一定的导电能力