第1章 半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件

1、光電子器件課程相關(guān)內(nèi)容介紹n總學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)n授課學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)n授課教師信息：王建 副教授n 辦公室：工程學(xué)院大樓南310n 電 話 電 郵：n 平時(shí)作業(yè)，實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)名（占50%），期末考試（占50%） 第1章 半導(dǎo)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(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)n1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料n1.3 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)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(guó)防國(guó)防 半導(dǎo)體發(fā)光二

2、極管 半導(dǎo)體激光器 III-V族半導(dǎo)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(dǎo)體化合物 ： ZnS(硫化鋅)、ZnSe(硒化鋅) 1.0 概述概述1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、直接帶隙材料、間接帶隙材料、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體、1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 能級(jí)能級(jí)：孤立原子中電子的軌道，形成分離的能級(jí)。 能帶能帶：原子緊密結(jié)合時(shí)，電子的軌道發(fā)生分裂，單個(gè)原子中電子

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

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

5、非本征半導(dǎo)體： 本征半導(dǎo)體內(nèi)引入一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以有效改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)，這種摻有一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體。 1.1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 本征與非本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 費(fèi)米能級(jí)n如果一個(gè)能帶中的某一個(gè)能級(jí)的能量設(shè)為E，則該能級(jí)被電子占據(jù)的概率是符合一個(gè)函數(shù)規(guī)律的即為f（E），f（E）稱為費(fèi)米函數(shù)。當(dāng)f（E）=1/2時(shí)，得出的E的值對(duì)應(yīng)的能級(jí)為費(fèi)米能級(jí)。一般近似的認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)以下的能級(jí)都被電子所填充。電子從費(fèi)米能級(jí)高的一側(cè)向低費(fèi)米能級(jí)一側(cè)流動(dòng)。1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光

6、基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)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(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)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(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) Nc:導(dǎo)帶電子狀導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度態(tài)密度 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)PN結(jié)：擴(kuò)散、漂移、自建場(chǎng)、耗盡層、正偏、反偏1.1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1.1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光一、輻射躍遷：一、輻射躍遷：

7、 半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)，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(guò)程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過(guò)程。 躍遷是電子-空穴對(duì)復(fù)合1 .1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光激勵(lì)：激勵(lì)：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(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)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(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)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(jí)躍遷至低能級(jí)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(jí)的原子和離子在高真空條件下通過(guò)輻射過(guò)程而躍遷到低能

8、級(jí)一般是很慢的，在氣體放電現(xiàn)象中它會(huì)通過(guò)碰撞或者向器壁的擴(kuò)散而快速地釋放能量，從而躍遷到低能級(jí)。 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光同時(shí)考慮輻射躍遷過(guò)程和非輻射躍遷過(guò)程時(shí)，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(yuǎn)小于非輻射壽命 。1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)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(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體

9、發(fā)光半導(dǎo)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(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.2 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光gpEE光子能量 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)光材料為直接帶隙的III-V族半導(dǎo)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(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相置換，而不改變整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性等。 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料室溫下III-V族發(fā)光材料

10、的發(fā)射波長(zhǎng)范圍發(fā)射波段寬的材料有什么相同點(diǎn)？一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述：1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 半導(dǎo)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(yīng)用中，根據(jù)需要，為了獲得特定波長(zhǎng)范圍的自發(fā)或受激輻射光波，則需選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料。 半導(dǎo)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(zhǎng)。一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述： 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料nGaAs GaAs是一種重要的III-V族化合物半導(dǎo)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(yīng)波長(zhǎng)在873nm附近，屬于近紅外波段。 二

11、、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)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(guò)摻入雜質(zhì)（N)，產(chǎn)生等電子陷阱，俘獲激子，通過(guò)激子復(fù)合實(shí)現(xiàn)發(fā)光。 在半導(dǎo)體發(fā)光材料中具有較高的發(fā)光效率。并且通過(guò)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(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料激子： 空穴帶正電，自由電子帶負(fù)電，它們之間的庫(kù)侖吸引互作用在一定的條件下會(huì)使它們?cè)诳臻g上束縛在一起，這樣形成的復(fù)合體稱為激子。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料

12、半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的俘獲： 一個(gè)電荷(電子或空穴)首先被缺陷的近程勢(shì)所束縛,使缺陷中心帶電,然后再通過(guò)庫(kù)侖互作用(遠(yuǎn)程勢(shì))束縛一個(gè)電荷相反的空穴或電子,形成束縛激子 。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的復(fù)合發(fā)光： 在間接帶半導(dǎo)體材料中,由于動(dòng)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(dòng)量選擇定則大大放松,無(wú)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(qiáng)。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理：

13、 qph/4 設(shè)想用一個(gè)射線顯微鏡來(lái)觀察一個(gè)電子的坐標(biāo)，因?yàn)樯渚€顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長(zhǎng)的限制，所用光的波長(zhǎng)越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測(cè)定電子坐標(biāo)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(zhǎng)越短，光量子的動(dòng)量就越大，所以有p1/。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料nGaN 直接躍遷型半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。室溫條件下，帶隙寬度 3.39gEeV二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 GaN與III族氮化物半導(dǎo)體InN及AlN的

14、性質(zhì)接近，均為直接躍遷型半導(dǎo)體材料，它們構(gòu)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(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光材料，可用于藍(lán)光及紫光發(fā)光器件。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料nInGaAsP 四元固溶體。通過(guò)組分x和y的調(diào)節(jié)，覆蓋波長(zhǎng)范圍從870nm(GaAs)至3.5m(InAs)，該范圍包含了光纖通訊波長(zhǎng)1.3和1.55m。光纖通訊所用1.3和1.55m半導(dǎo)體光源即主要采用InGaAsP材料。1-xx1-yyInGa AsP二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料nZnS （熒

15、光粉）II-VI族半導(dǎo)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(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)光。發(fā)光光譜可覆蓋整個(gè)可見光波段。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)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(jié)，構(gòu)成PN結(jié)的材料為直接帶隙材料； 2、當(dāng)加正向偏置時(shí)勢(shì)壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)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(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)

16、光的原理。3 當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入結(jié)區(qū)的非平 衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中自發(fā)輻射發(fā)出非相干光。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，也不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。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(fù)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(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)n同質(zhì)結(jié)LED在基底上依次生長(zhǎng)一層n型層和p型層，p型層相對(duì)較薄，以減少半導(dǎo)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(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)指通常所

17、說(shuō)的LED的發(fā)光角度，1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)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(gè)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(biāo)注120度。2. 異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)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(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復(fù)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(gè)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(zhǎng)光混色(藍(lán)色光+黃色光) GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm ） ； 藍(lán)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(lán)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(jié)構(gòu)： 藍(lán)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(gè)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(dú)立控制發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級(jí)別，亦即控制每個(gè)發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)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(diǎn)：壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng),理論上為10萬(wàn)小時(shí)，一般大於5萬(wàn)小時(shí)。（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(jiān)固耐用堅(jiān)固耐用,不怕震動(dòng)不怕震動(dòng)。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(shí)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(yīng)時(shí)間快響應(yīng)時(shí)間快,一般為毫微秒一般為毫微秒(ns)級(jí)。級(jí)。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(yáng)能電池作電源可以用太陽(yáng)能電池作電源1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管應(yīng)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(diǎn)，對(duì)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(yáng)能燈等，并逐步向白光照明邁進(jìn)，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(hào)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(shè)備之電源指示1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED強(qiáng)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(yīng)用：電視遙控器 1956年第一個(gè)現(xiàn)代的無(wú)線遙控裝置，利用超聲波來(lái)調(diào)頻道和音量，每個(gè)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(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)為940nm、調(diào)制頻率為38kHz紅外脈沖信號(hào)的接收。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到IRM的接收要求時(shí)，只需接收 6個(gè)脈沖就能可靠觸發(fā)輸出低電平信號(hào)。一旦 IRM接收不到符合要求的紅外信號(hào)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(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (Laser diode) 一、半導(dǎo)體激光器歷史和發(fā)展一、半導(dǎo)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理1、半導(dǎo)體激光器的基本原理電子能導(dǎo)帶躍遷進(jìn)入價(jià)帶，典型的情況是 從導(dǎo)帶底躍遷進(jìn)入價(jià)帶頂。 費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律： 導(dǎo)帶電子

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

25、1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 缺點(diǎn):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(zhǔn)直器（兩個(gè)半柱透鏡）1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理三、產(chǎn)生激光的4個(gè)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(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) （能級(jí)、熱平衡）（能級(jí)、熱平衡） 在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。 u諧振腔諧振腔1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)

26、1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理三、產(chǎn)生激光的4個(gè)條件：1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理四、簡(jiǎn)并型半導(dǎo)體、費(fèi)米 能級(jí)與PN結(jié)1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度超過(guò)一定數(shù)量后，載流子開始簡(jiǎn)并化的現(xiàn)象稱為重?fù)诫s（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入了價(jià)帶或?qū)У陌雽?dǎo)體。簡(jiǎn)并參雜半導(dǎo)體pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)圖 1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器

27、的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理五、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)： 當(dāng)加在PN結(jié)上的正向電壓超過(guò)某一值（eVEg）后，PN結(jié)的某段區(qū)域中導(dǎo)帶底的電子數(shù)大于價(jià)帶頂電子數(shù)，出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該區(qū)域稱為增益區(qū)(有源區(qū)) 。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理解： 外電場(chǎng)、電子和空穴的注入、擴(kuò)散、復(fù)合。 在PN結(jié)的某段區(qū)域，自由電子、空穴的濃度同時(shí)增大（電子占據(jù)導(dǎo)帶的概率提高，占據(jù)價(jià)帶的概率減小）。 當(dāng)電流增加到某個(gè)值時(shí)，自由電子、空穴的濃度足夠大，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4

28、.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理簡(jiǎn)并半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在熱平衡時(shí)，N區(qū)導(dǎo)帶底被電子占據(jù)的概率 P區(qū)價(jià)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(jìn)入P區(qū)復(fù)合。當(dāng)正偏時(shí)，外加加壓減小了耗盡層厚度，當(dāng)外加電壓為Eg時(shí)，耗盡層消失，P區(qū)和N區(qū)接觸。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理n常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度：nGe、 Si、 GaAsn0.66eV、1.12 eV、1.42 eV1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理nPN 結(jié)的厚度僅幾十微米；n諧振腔一般是直接利用垂直于PN 結(jié)的兩個(gè)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(jiǎn)記為F-P腔1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (las

30、er diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)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(jiǎn)記為F-P腔。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)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(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶電子的初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶電子的自發(fā)輻射，方向雜亂無(wú)章，其中偏自發(fā)輻射，方向雜亂無(wú)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(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外向運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 這些光子通過(guò)反射鏡往返反

32、射不斷通過(guò)激活物質(zhì)，使受激輻射過(guò)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性光學(xué)特性：n一.光譜： 峰值波長(zhǎng)、光譜寬度、波長(zhǎng)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(chǎng)的分布）1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)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(zhǎng)隨溫度變化l動(dòng)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)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(jié)的發(fā)散角大，幾十度（快軸） 平行于PN結(jié)的發(fā)散角小，幾度（慢軸）n四.光功率1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作

34、原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性五、偏振：TE：電場(chǎng)的振動(dòng)方向平行于有源層 （橫電場(chǎng)）TM：電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于有源層（橫磁場(chǎng)） TE模更容易產(chǎn)生，特別是光功率較小時(shí)。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性電學(xué)特性：n五.工作電壓：23V左右 半導(dǎo)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性 PI特

35、性1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.2 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 有效降低閾值電流，一方面要對(duì)載流子進(jìn)行限制，即將注入的載流子限制在結(jié)附近的極小區(qū)域內(nèi)，這樣可以以較小的注入電流實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需要的載流子濃度；另一方面，也需要一定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子和光子的限制。半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)是窄帶隙的半導(dǎo)體

36、有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間形成的結(jié)構(gòu)。由于寬帶隙的半導(dǎo)體材料相比于窄帶隙的半導(dǎo)體材料具有更低的折射率，這就使得該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于二維層狀介質(zhì)波導(dǎo)，因此可以在垂直于結(jié)平面方向上同時(shí)有效地限制載流子和光子。 1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.2 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1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)1.4.2 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由于p-p異質(zhì)結(jié)和p-n異質(zhì)結(jié)對(duì)注入有源層的電子和空穴分別存在勢(shì)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(zhuǎn)。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(dǎo)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(duì)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)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(dǎo)體激光器導(dǎo)體激光器1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)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