选择三五族材料制作激光器的原因

对于非光学专业的“攻城狮”，听着激光器材料三五族、异质结等名词是一头雾水。

光电集成也是很火的新行业，每次看到结论都是硅基光电集成解决不了光源。

这其实是一个原因，在于材料的能带图。

一切都要从元素周期表开始：

放大：

从左到右，依次是三族、四族、五族。

常用半导体材料，分为元素半导体和化合物半导体。

Si （硅）、Ge（锗）是元素半导体，也是电芯片常用的材料。

硅的原子结构与晶体结构，属于金刚石晶体，就是钻石，大钻石的那种金刚石。

硅原子

晶体结构

化合物半导体分为二元化合物半导体（由两种元素组成）、三元化合物半导体（由三种元素组成）、多元化合物半导体（由三种及以上元素组成）。

二元化合物半导体：

（1）Ⅳ—Ⅳ族元素化合物半导体：碳化硅（SiC）等。

（2）Ⅲ—Ⅴ族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）等。

（3）Ⅱ—Ⅵ族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等。

（4）Ⅳ—Ⅵ族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）等。

三元化合物与多元化合物半导体：

（1）由Ⅲ族元素铝（Al）、镓（Ga）及Ⅴ族元素砷（As）所组成的合金半导体AlxGa1～xAs即是一种三元化合物半导体。

（2）具有AxB1～xCyD1～y形式的四元化合物半导体可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，四元化合物GaxIn1～xAsyP1～y合金半导体是由磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）及砷化镓（GaAs）所组成。

化合物半导体的优势：

化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓（GaAs），主要用于高速光电器件。

大部分的化合物半导体（如GaAs）具有闪锌矿结构。它与金刚石晶格的结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为Ⅲ族原子（Ga），另一个副晶格为Ⅴ族原子（As）。

三五族（Ⅲ族、Ⅴ族）的来历有了，那为什么四族不做光源，而是三五族或二六族呢？

砷化镓的能带结构允许传导电子从高迁移率的能量最小值（称之为谷）跃迁至低迁移率、能量较高的邻近谷中。电子沿［111］方向，从中央谷中跃迁至邻近的谷中：

其实可以这样理解，要从下面山峰（导带顶），蹦到上面（价带底），需要能量。

输入的能量是温度，输出改变电阻，则为温敏电阻。(www.xing528.com)

输入是光，输出也是光，就是光放大器。

输入是电，输出是光，就是激光器。

输入是光，输出是电，就是探测器。

简单地说，大部分三五族化合物半导体是直接带隙，硅半导体是间接带隙。

通俗的理解就是，一个人站在苹果树下摘苹果，跳起来摘得到是直接带隙。

间接带隙

站在苹果树边两米远，再往上跳也摘不到苹果，那这是间接带隙。

那直接带隙都可以摘得到苹果吗？也不一定，还要看苹果的高度与身高的差异。

苹果树很矮，不用跳就摘到苹果，是导体。

苹果树比人高，一般摘不到，跳一跳可以摘，是半导体。也就是在通过外界如电流、温度、光照等条件使得电子空穴可以跨越约1 eV进行跃迁。这是半导体（半字用得好）。

苹果树十米高，人怎么跳也摘不到果子，则是绝缘体。也就是无论外界怎么触发，电子空穴也无法完成能级跃迁，通常能级在9 eV。

把间接带隙与直接带隙的图作对比：

间接带隙

直接带隙

那就可以解释了，上面左图的硅虽是半导体，但非直接带隙，在自家跳摘别人家的果，很难。

上图右边是三五族化合物半导体，直接带隙。稍微一跳就够得着果子，容易跃迁。

关于异质结，异是不同，一个激光器或探测器本质是一个PN结，异质是说P和N采用两种不同的材料接触形成的PN结。

为什么选择异质呢？科学家发现不同材料组成结，速度比同质结更快，光电特性更好，渐渐地就成了快速器件和光电器件的关键构成要素。

相关常识：

1957年，克罗马提出了用异质结双极型晶体管（HBT）来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。

1962年霍尔等人第一次用半导体得到了激光。

1963年克罗默尔、阿尔费罗夫和卡扎里诺夫发表了异质结构激光，奠定了现代激光二极管的基础，使激光可以在室温下连续工作。

小结：

（1）半导体激光器要发光，就需要选择半导体材料，选择半导体材料中具有直接带隙的材料。

（2）直接带隙的材料通常是化合物半导体。

（3）化合物半导体中二元组合、三元组合、多元组合的材料通常列于元素周期表中的三族与五族。这就是三五族材料的由来，当然也有二六族材料。