第1章 半導體發(fā)光材料及器件

1、光電子器件課程相關內(nèi)容介紹n總學時：48學時n授課學時：40學時，實驗8學時n授課教師信息：王建 副教授n 辦公室：工程學院大樓南310n 電 話 電 郵：n 平時作業(yè)，實驗，點名（占50%），期末考試（占50%） 第1章 半導體發(fā)光材料及器件光電子材料與器件光電子材料與器件大大 綱綱n1.0 概述概述n1.1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎n1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料n1.3 半導體激光器半導體激光器n1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管1.0 概述概述應用領域：應用領域： 信息顯示信息顯示 光纖通信光纖通信 固態(tài)照明固態(tài)照明 國防國防 半導體發(fā)光二

2、極管 半導體激光器 III-V族半導體材料 ： GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaN(氮化鎵)、InGaN(銦鎵氮)、GaAsP(磷砷化鎵)、GaAlAs(鎵鋁砷)等 II-VI族半導體化合物 ： ZnS(硫化鋅)、ZnSe(硒化鋅) 1.0 概述概述1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 能帶、導帶、價帶、禁帶、直接帶隙材料、間接帶隙材料、本征半導體、非本征半導體、1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 能級能級：孤立原子中電子的軌道，形成分離的能級。 能帶能帶：原子緊密結合時，電子的軌道發(fā)生分裂，單個原子中電子

3、的軌道數(shù)正比于緊密結合的原子數(shù) 。軌道能量之差變得非常小，能級可視為近似連續(xù)分布，稱為能帶。 1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎n在絕對零度，可以被電子填滿的最高能帶形成價帶價帶。n價帶之上，電子可以擺脫單個原子束縛，并在整個半導體材料中自由移動的能帶，稱為導帶導帶。n對半導體而言，價帶與導帶之間由禁帶禁帶相隔。 1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎直接帶隙直接帶隙和間接帶隙半導體間接帶隙半導體：如果導帶底與價帶頂對應相同的波數(shù)，則相應的帶隙為直接帶隙。如果導帶底與價帶頂對

4、應不同的波數(shù)，則相應的帶隙為間接帶隙。 p = k1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎直接帶隙半導體材料：發(fā)光器件間接帶隙半導體材料：光電探測器 1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎本征半導體： 本征半導體是純凈而不含任何雜質(zhì)的理想半導體材料。 由于晶體中原子的熱振動，價帶中的一些電子被激發(fā)到導帶，同時在價帶中留下空穴，形成電子-空穴對。因此，本征半導體中的電子濃度與空穴濃度相等。1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎

5、非本征半導體： 本征半導體內(nèi)引入一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以有效改變半導體的導電性質(zhì)，這種摻有一定數(shù)量雜質(zhì)的半導體稱為非本征半導體。 1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 本征與非本征半導體的費米能級：1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 費米能級n如果一個能帶中的某一個能級的能量設為E，則該能級被電子占據(jù)的概率是符合一個函數(shù)規(guī)律的即為f（E），f（E）稱為費米函數(shù)。當f（E）=1/2時，得出的E的值對應的能級為費米能級。一般近似的認為費米能級以下的能級都被電子所填充。電子從費米能級高的一側向低費米能級一側流動。1 .1 半導體及半導體發(fā)光

6、基礎半導體及半導體發(fā)光基礎熱平衡條件下的濃度定律：濃度定律的推論？濃度定律的推論？熱平衡？在沒有外界影響的條件下，熱力學系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。 2expgicvBEpnnN NK T*3 222 2/ceBNm k T h*3 222 2/vhBNm k T h1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 Nc:導帶電子狀導帶電子狀態(tài)密度態(tài)密度 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎PN結：擴散、漂移、自建場、耗盡層、正偏、反偏1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1.1.1 半導體物理基礎半導體物理基礎 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光一、輻射躍遷：一、輻射躍遷：

7、 半導體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷，輻射躍遷的過程也就是半導體材料的發(fā)光過程。 躍遷是電子-空穴對復合1 .1半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光激勵：激勵：n 光致發(fā)光光致發(fā)光n 電致發(fā)光電致發(fā)光1 .1半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎弛豫：從不穩(wěn)定弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定到穩(wěn)定 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光二、輻射躍遷與非輻射躍遷二、輻射躍遷與非輻射躍遷：n電子由較高能級躍遷至低能級并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。n例如，處于亞穩(wěn)能級的原子和離子在高真空條件下通過輻射過程而躍遷到低能

8、級一般是很慢的，在氣體放電現(xiàn)象中它會通過碰撞或者向器壁的擴散而快速地釋放能量，從而躍遷到低能級。 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光同時考慮輻射躍遷過程和非輻射躍遷過程時，則有： 11totalRNRRNRdNNNNdt 1111RRRNRRNRNN發(fā)光效率： 高效率的發(fā)光器件需要輻射壽命遠小于非輻射壽命 。1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光三、直接帶隙材料與間接帶隙材料的輻射躍遷：1.240()()gmE eV 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 1.1.2 半導體

9、發(fā)光半導體發(fā)光普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) = 6.626068 10-34 m2 kg / se=1.602189210-19C 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎 1.1.2 半導體發(fā)光半導體發(fā)光gpEE光子能量 1 .1 半導體及半導體發(fā)光基礎半導體及半導體發(fā)光基礎1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料 一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述： 主要的半導體發(fā)光材料為直接帶隙的III-V族半導體材料，以及由它們組成的三元、四元固溶體。 固溶體指的是礦物一定結晶構造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結構及對稱性等。 1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料室溫下III-V族發(fā)光材料

10、的發(fā)射波長范圍發(fā)射波段寬的材料有什么相同點？一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述：1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料 半導體發(fā)光材料的發(fā)光范圍覆蓋了紫外、可見光到紅外的很寬范圍的光譜。 在具體應用中，根據(jù)需要，為了獲得特定波長范圍的自發(fā)或受激輻射光波，則需選擇合適的半導體發(fā)光材料。 半導體材料多元固溶體的帶隙隨成分的比例而變化，可以獲得不同的發(fā)射波長。一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述： 1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料nGaAs GaAs是一種重要的III-V族化合物半導體，典型的直接躍遷型發(fā)光材料。直接躍遷發(fā)射的光子能量在1.42ev左右，相應波長在873nm附近，屬于近紅外波段。 二

11、、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料nGaP 間接帶隙寬度2.26eV，典型的間接發(fā)光材料。在GaP中通過摻入雜質(zhì)（N)，產(chǎn)生等電子陷阱，俘獲激子，通過激子復合實現(xiàn)發(fā)光。 在半導體發(fā)光材料中具有較高的發(fā)光效率。并且通過摻入不同的發(fā)光中心，可以直接輸出紅、綠、黃燈等種不同顏色的光。 二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料激子： 空穴帶正電，自由電子帶負電，它們之間的庫侖吸引互作用在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復合體稱為激子。 二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料

12、半導體發(fā)光材料激子的俘獲： 一個電荷(電子或空穴)首先被缺陷的近程勢所束縛,使缺陷中心帶電,然后再通過庫侖互作用(遠程勢)束縛一個電荷相反的空穴或電子,形成束縛激子 。二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料激子的復合發(fā)光： 在間接帶半導體材料中,由于動量選擇定則的限制,材料的發(fā)光通常是很弱的,但如果存在束縛激子,其波函數(shù)在空間上是局域化的,因而發(fā)光躍遷的動量選擇定則大大放松,無須聲子參與就可能具有很大的發(fā)光躍遷幾率.這樣,間接帶材料的發(fā)光效率將大大增強。 二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料海森伯測不準原理：

13、 qph/4 設想用一個射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標，因為射線顯微鏡的分辨本領受到波長的限制，所用光的波長越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測定電子坐標不確定的程度q就越小，所以q。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長越短，光量子的動量就越大，所以有p1/。 二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料nGaN 直接躍遷型半導體材料，具有帶隙寬、熱導率高、化學性能穩(wěn)定的特點。室溫條件下，帶隙寬度 3.39gEeV二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料 GaN與III族氮化物半導體InN及AlN的

14、性質(zhì)接近，均為直接躍遷型半導體材料，它們構成的三元固溶體的帶隙可以從1.9eV連續(xù)變化到6.2eV。 GaN是性能優(yōu)良的短波長半導體發(fā)光材料，可用于藍光及紫光發(fā)光器件。二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料nInGaAsP 四元固溶體。通過組分x和y的調(diào)節(jié)，覆蓋波長范圍從870nm(GaAs)至3.5m(InAs)，該范圍包含了光纖通訊波長1.3和1.55m。光纖通訊所用1.3和1.55m半導體光源即主要采用InGaAsP材料。1-xx1-yyInGa AsP二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料1.2 半導體發(fā)光材料半導體發(fā)光材料nZnS （熒

15、光粉）II-VI族半導體化合物，帶隙寬度為3.6eV。使用ZnS粉末，用Cu作為激活劑，可以在交流驅動下，實現(xiàn)場致發(fā)光。發(fā)光光譜可覆蓋整個可見光波段。 二、典型半導體發(fā)光材料二、典型半導體發(fā)光材料發(fā)光二極管Light Emitting Diode1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管大功率3W，5WRGB三基色LED燈1.發(fā)光二極管的管芯是PN結，構成PN結的材料為直接帶隙材料； 2、當加正向偏置時勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結發(fā)

16、光的原理。3 當注入正向電流時，注入結區(qū)的非平 衡載流子在擴散過程中自發(fā)輻射發(fā)出非相干光。在發(fā)光二極管的結構中不存在諧振腔，也不需要粒子數(shù)反轉。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管一、工作原理一、工作原理全內(nèi)反射造成大部分光復發(fā)逃逸形成有效光輻射；只有小于全反射臨界角的光才能形成部分反射大部分離開發(fā)光二極管，形成有效的光輻射。例如GaAs-空氣界面的臨界角只有16。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結構二、基本結構n同質(zhì)結LED在基底上依次生長一層n型層和p型層，p型層相對較薄，以減少半導體材料的再吸收，有利于輻射符合產(chǎn)生的光子逃逸。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結構二、基本結構指通常所

17、說的LED的發(fā)光角度，1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸線（法線）的夾角，21/2指左右兩個方向的夾角之和。如下圖所示一般貼片 LED系列的發(fā)光角度為110至120度之間，行業(yè)一般標注120度。2. 異質(zhì)結LED 作用：由于ALGaAs的帶隙寬于GaAs，在GaAs中發(fā)射的光子不被ALGaAs吸收，減小光吸收 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光輸出1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結構二、基本結構1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、光譜分布二、光譜分布-半高全寬（半高全寬（FWHM）n量子效率：復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復合載流子總數(shù)）100% n

18、自發(fā)輻射；n非相干光源，光束發(fā)散角大（120*30deg），光譜寬度一般為幾十個nm;n沒有諧振腔；n沒有閾值，輸出功率基本上與注入電流成正比1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 三、主要特性三、主要特性發(fā)光二極管替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，由于發(fā)光二極管采用材料均為固態(tài)材料，發(fā)光二極管照明亦稱為固態(tài)照明。原理：二波長光混色(藍色光+黃色光) GaN芯片發(fā)藍光（p=465nm ） ； 藍光激發(fā)Ce(鈰)：YAG（ Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩爾比為3：5 ）熒光粉，發(fā)射黃色光，峰值550nm ； 藍光和黃光混合，得到白光。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 四、四、固態(tài)照明-白光白光LED2

19、.結構： 藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 四、白光四、白光LED 在同一個發(fā)光單元中有三種顏色的LED ，LED緊密排列，這樣可使得各LED的光斑人眼中成像重疊; 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 五、全彩五、全彩LED 獨立控制發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級別，亦即控制每個發(fā)光單元中的紅、綠、藍三種顏色各自的亮度，就可使發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管優(yōu)點：壽命長壽命長,理論上為10萬小時，一般大於5萬小時。（是熒光燈的10倍）發(fā)熱量低，耗電量小發(fā)熱量低，耗電量小,白熾燈的1/8,熒

20、光燈的1/3）體積小體積小,重量輕重量輕,可封裝成可封裝成各種類型堅固耐用堅固耐用,不怕震動不怕震動。環(huán)氧樹脂封裝，防水，耐惡劣環(huán)境使用1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管多色顯示多色顯示,利用RGB可實現(xiàn)七彩色顯示。工作溫度穩(wěn)定性好。工作溫度穩(wěn)定性好。響應時間快響應時間快,一般為毫微秒一般為毫微秒(ns)級。級。冷光，不是熱光源。冷光，不是熱光源。電壓低電壓低,可以用太陽能電池作電源可以用太陽能電池作電源1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管應用：n亮化工程景觀、裝飾燈 作為一種冷光源，LED照明燈具有綠色環(huán)保、節(jié)能、色彩絢麗等傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)點，對美化城市、塑造景觀有重要作用。n白光照明：已開始從小功率

21、白光LED燈用起，如、手電筒、太陽能燈等，并逐步向白光照明邁進，將逐步取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈n大、中、小屏幕顯示器：各種廣告牌、體育記分牌、金融和交通指示牌等1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管n交通信號燈：主要用超高亮度紅、綠、黃色LEDn背光源：主要是液晶LCD顯示器上用的背光源，LED在背光源上的用量占30%的份額。nLED指示燈：廣泛用于各種家電，儀器，設備之電源指示1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED強光手電筒的選用及與普通手電筒的區(qū)別 LED手電用多支二極管組成應用：電視遙控器 1956年第一個現(xiàn)代的無線遙控裝置，利用超聲波來調(diào)頻道和音量，每個按鍵發(fā)出的頻率不一樣。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光

22、二極管 1980年，出現(xiàn)了基于紅外發(fā)光二極管和光電二極管的遙控器，慢慢取代了超聲波控制裝置。 目前大量使用的紅外發(fā)光二極管，波長為940nm左右。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管IRM3638型紅外接收頭： 適宜對波長為940nm、調(diào)制頻率為38kHz紅外脈沖信號的接收。當信號強度達到IRM的接收要求時，只需接收 6個脈沖就能可靠觸發(fā)輸出低電平信號。一旦 IRM接收不到符合要求的紅外信號將輸出高電平。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管1.4.1 半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理1.4.2 法布里法布里-珀羅激光二極管珀羅激光二極管1.4.3 分布反饋式激光二極管分布反饋式激光二極管1.4.

23、4 半導體激光器的特性半導體激光器的特性1.4 半導體激光器半導體激光器 (Laser diode) 一、半導體激光器歷史和發(fā)展一、半導體激光器歷史和發(fā)展n19171917年，愛因斯坦提出年，愛因斯坦提出“受激輻射受激輻射”的的 概念；概念；n19541954年，微波量子放大器出現(xiàn)；年，微波量子放大器出現(xiàn)；n19601960年，紅寶石激光器；年，紅寶石激光器； 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理1、半導體激光器的基本原理電子能導帶躍遷進入價帶，典型的情況是 從導帶底躍遷進入價帶頂。 費米-狄拉克統(tǒng)計規(guī)律： 導帶電子

24、優(yōu)先占據(jù)能量低的能級； 價帶電子優(yōu)先占據(jù)能量低的能級，等同于價帶空穴優(yōu)先占據(jù)能量高的能級。 1.4 半導體激光器半導體激光器n1962年，GaAs激光器，77K的溫度下，脈沖輸出；n1970年，半導體激光器的室溫下連續(xù)輸出；n 波長范圍履蓋了可見光到長波紅外，壽命百萬小時，室溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦到千瓦級。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理二、半導體激光器的優(yōu)點和缺點 優(yōu)點：l 結構簡單；l 電流泵浦，功率轉換效率高(最大可達50%)，便于調(diào)制； 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)

25、1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理 缺點:l激光性能受溫度影響大；l光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)。準直器（兩個半柱透鏡）1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理三、產(chǎn)生激光的4個條件：u工作物質(zhì)工作物質(zhì)氦氖激光器-氖原子 紅寶石激光器-CrO3u泵浦泵浦 （氣體放電（氣體放電-光泵浦）光泵浦）u粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉 （能級、熱平衡）（能級、熱平衡） 在沒有外界影響的條件下，熱力學系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。 u諧振腔諧振腔1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)

26、1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理三、產(chǎn)生激光的4個條件：1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理四、簡并型半導體、費米 能級與PN結1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理簡并半導體：當雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量后，載流子開始簡并化的現(xiàn)象稱為重摻雜（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即費米能級進入了價帶或導帶的半導體。簡并參雜半導體pn結的能帶結構圖 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器

27、的工作原理半導體激光器的工作原理五、粒子數(shù)反轉： 當加在PN結上的正向電壓超過某一值（eVEg）后，PN結的某段區(qū)域中導帶底的電子數(shù)大于價帶頂電子數(shù)，出現(xiàn)粒子數(shù)反轉。該區(qū)域稱為增益區(qū)(有源區(qū)) 。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理粒子數(shù)反轉的理解： 外電場、電子和空穴的注入、擴散、復合。 在PN結的某段區(qū)域，自由電子、空穴的濃度同時增大（電子占據(jù)導帶的概率提高，占據(jù)價帶的概率減?。?。 當電流增加到某個值時，自由電子、空穴的濃度足夠大，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4

28、.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理簡并半導體形成的PN結，在熱平衡時，N區(qū)導帶底被電子占據(jù)的概率 P區(qū)價帶頂被電子占據(jù)的概率N區(qū)和P區(qū)被耗盡層分割，N區(qū)自由電子不能進入P區(qū)復合。當正偏時，外加加壓減小了耗盡層厚度，當外加電壓為Eg時，耗盡層消失，P區(qū)和N區(qū)接觸。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理GaAs的禁帶寬度： 1.42 eV普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) = 6.626068 10-34 m2

29、 kg / se=1.602189210-19C 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理n常用半導體材料的禁帶寬度：nGe、 Si、 GaAsn0.66eV、1.12 eV、1.42 eV1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理nPN 結的厚度僅幾十微米；n諧振腔一般是直接利用垂直于PN 結的兩個端面（解理面）nGaAs的折射率n3.6，反射率0.32，另一面鍍?nèi)瓷淠?。六、法布?珀羅腔，簡記為F-P腔1.4 半導體激光器半導體激光器 (las

30、er diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理n光正入射的發(fā)射率： Rs=Rp=(n2-n1)/(n2-n1)21.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理F-P腔：平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。又稱為法布里-珀羅干涉儀，簡記為F-P腔。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理 半導體激光器是用PN結作激活區(qū)，用半導體天然解里面作為反射鏡組成諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。 外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到

31、PN結，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布.1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理 初始的光場來源于導帶電子的初始的光場來源于導帶電子的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動的光子就成為受激輻射的外向運動的光子就成為受激輻射的外界因素，界因素， 使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。射全同光子。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理 這些光子通過反射鏡往返反

32、射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性光學特性：n一.光譜： 峰值波長、光譜寬度、波長溫度系數(shù)n二.模式：縱模（頻率） 橫模（與諧振腔垂直的平面上光場的分布）1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理縱模的性質(zhì)：l縱模數(shù)隨注入電流而變，電流越高，模數(shù)約少（主模增益增加。邊模增益減少）；l峰值波長隨溫度變化l動態(tài)譜線

33、展寬（注入電流變化、載流子濃度改變、有源區(qū)折射率改變）1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性n三.發(fā)光面積、發(fā)散角 激光在輸出鏡上的面積； 垂直于PN結的發(fā)散角大，幾十度（快軸） 平行于PN結的發(fā)散角小，幾度（慢軸）n四.光功率1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作

34、原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性五、偏振：TE：電場的振動方向平行于有源層 （橫電場）TM：電場振動方向垂直于有源層（橫磁場） TE模更容易產(chǎn)生，特別是光功率較小時。1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性電學特性：n五.工作電壓：23V左右 半導體激光器的電源是恒壓源還是恒流源？n六.閾值電流n七.PI特性n八.調(diào)制帶寬1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性 PI特

35、性1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.1半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理半導體激光器的特性半導體激光器的特性1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.2 雙異質(zhì)結半導體激光器雙異質(zhì)結半導體激光器 有效降低閾值電流，一方面要對載流子進行限制，即將注入的載流子限制在結附近的極小區(qū)域內(nèi)，這樣可以以較小的注入電流實現(xiàn)粒子數(shù)反轉所需要的載流子濃度；另一方面，也需要一定的波導結構將光子限定在有源區(qū)附近，這可以增加光子密度，提高受激輻射的概率。 利用雙異質(zhì)結結構的半導體激光器可以同時實現(xiàn)對載流子和光子的限制。半導體雙異質(zhì)結是窄帶隙的半導體

36、有源層夾在寬帶隙的半導體材料之間形成的結構。由于寬帶隙的半導體材料相比于窄帶隙的半導體材料具有更低的折射率，這就使得該結構相當于二維層狀介質(zhì)波導，因此可以在垂直于結平面方向上同時有效地限制載流子和光子。 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.2 雙異質(zhì)結半導體激光器雙異質(zhì)結半導體激光器1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.2 雙異質(zhì)結半導體激光器雙異質(zhì)結半導體激光器由于p-p異質(zhì)結和p-n異質(zhì)結對注入有源層的電子和空穴分別存在勢壘，阻止電子和空穴的繼續(xù)漂移，電子和空穴因此在有源層大量聚集，形成粒子數(shù)反轉。另外，GaAs相比于AlGaAs具有更高的折射率，因此形成二維介質(zhì)波導將光子約束在有源層中，從而降低了光子的損耗，提高了光子密度。1、諧振腔對激光頻率的約束： nL=(/2)K =2nL/K (K=1,2,3.) f=ck/2nL (K=1,2,3) f=c/2nL 1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.3、分布反饋及分布布拉格半、分布反饋及分布布拉格半導體激光器導體激光器1.4 半導體激光器半導體激光器 (laser diode)1.4.3、分布反饋及分布布拉格半、分布反饋及