第一節(jié)SDH半導(dǎo)體的發(fā)光機(jī)理光纖通信工程光子目錄12光與物質(zhì)作用形式3PN結(jié)光子1光子

愛因斯坦的光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。E=hf光子

半導(dǎo)體晶體，原子核外的電子運(yùn)動(dòng)軌道因相鄰原子的共有化運(yùn)動(dòng)要發(fā)生不同程度的重疊，晶體中的能級(jí)如圖1所示。最低能級(jí)E1稱為基態(tài)（價(jià)帶），能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。圖1晶體中的能級(jí)光與物質(zhì)作用形式2光與物質(zhì)作用形式有源器件（光源和檢測(cè)器）的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)?？梢詺w結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種物理過程。能級(jí)和電子躍遷如圖2所示。光與物質(zhì)作用形式（1）在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級(jí)E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(jí)E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收──光電檢測(cè)器。動(dòng)畫演示。（2）處于高能級(jí)E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射──發(fā)光二極管。自發(fā)輻射光是非相干光。動(dòng)畫演示。（3）在高能級(jí)E2上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時(shí)，使電子被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射──激光器。受激輻射光為相干光。動(dòng)畫演示。光與物質(zhì)作用形式思考：正常狀態(tài)下，大量電子在低能級(jí)，如何實(shí)現(xiàn)光的放大？如設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下，N1＞N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。PN結(jié)3PN結(jié)

圖3半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖3(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，Ef增大，導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴相對(duì)減少，見圖3(b)。在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，Ef減小，導(dǎo)帶的電子減少，價(jià)帶的空穴相對(duì)增多，見圖3(c)。PN結(jié)

圖4

PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，見圖4(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見圖4(b)，動(dòng)畫演示。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。PN結(jié)

圖4

PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P