半導(dǎo)體光纖課件

半導(dǎo)體光電子學(xué)第14講1半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，因此這彼此十分接近的N個能級好象形成一個連續(xù)的帶，稱之為能帶，見圖1)。

圖1固體的能帶2.純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導(dǎo)帶組成，如圖2)。

圖(2）本征半導(dǎo)體的能帶3.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為

1半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說明問題，圖(3)給出了溫度極低時的情況。

圖3費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系2.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足

2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂電子占據(jù)幾率則為

在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是1.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖6GaAs激光器的結(jié)構(gòu)3半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件圖(6)示出了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。

2.半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件

激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)3.半導(dǎo)體激光器的閾值電流

3半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達到平衡

4同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

光譜特性:圖(9)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達幾十埃。圖9GaAs激光器的發(fā)射光譜4同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

外微分量子效率:

功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比

2.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:單異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)如圖(10)(b)所示雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖(10)(c)所示。圖

同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖光纖之父高錕CharlesKao干涉增強ΔΦ(AC)=k1(AB+BC)–2φ=m(2π),m=0,1,2…波導(dǎo)的條件波導(dǎo)中場分布多模波導(dǎo)中的光傳輸單模和多模波導(dǎo)sinθm>sinθc(i.e.θm>θc)θm必須滿足--m≤(2V–φ)/π,

波導(dǎo)模數(shù)Ex.Aplanardielectricguide,2a=20μm,n1=1.455,n2=1.440,λ=900nmfindθmforallthemodes<Sol.>substitutewaveguidecondition波導(dǎo)模數(shù)Ex.Aplanardielectricguide,2a