第6章_發(fā)光與光電耦合器件.

1、1本章主要介紹目前已得到廣泛應用的注入式本章主要介紹目前已得到廣泛應用的注入式半導體發(fā)半導體發(fā)光器件光器件及及光電耦合器件光電耦合器件。 2l l 光具有波粒二象性光具有波粒二象性l 原子內有若干電子圍繞原子核不斷運動；運動有多種原子內有若干電子圍繞原子核不斷運動；運動有多種 可能狀態(tài)；不同運動狀態(tài)的電子具有不同能量；當它可能狀態(tài)；不同運動狀態(tài)的電子具有不同能量；當它 們的運動受到干擾時就可能發(fā)射出電磁波。們的運動受到干擾時就可能發(fā)射出電磁波。 光的本質及產(chǎn)生光的本質及產(chǎn)生假設假設E0 、 E1為電子的兩個運動狀態(tài)，為電子的兩個運動狀態(tài)，E0為基態(tài)，電子受激為基態(tài)，電子受激獲得一定能量而躍遷到

2、激發(fā)態(tài)獲得一定能量而躍遷到激發(fā)態(tài)E1，當電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，當電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，能量從時，能量從E1變到變到E0，此時發(fā)射光子的頻率為：，此時發(fā)射光子的頻率為：hEEv01h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù)3 通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術領域來說，光輻射還包括紅外、發(fā)光。但對光電技術領域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為下受外界

3、能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射熱輻射，后，后者稱為者稱為激發(fā)輻射激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源冷光源。4 l l 任何高于絕對溫度任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射。的物體都具有熱輻射。 l l 溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度。溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度。 l l 自然界中的任何物體都是熱輻射體。自然界中的任何物體都是熱輻射體。 溫度低的物體發(fā)紅外輻射，溫度低的物體發(fā)紅外輻射，500左右時物體的溫左右時物體的溫度輻射開始發(fā)部分暗紅色的可見光。溫度越高，發(fā)出的度輻射開始發(fā)部分暗紅色的可見光。溫度越高，發(fā)出的輻射波長越短；大約在輻射波長

4、越短；大約在1500時的溫度輻射體開始發(fā)白時的溫度輻射體開始發(fā)白光。光。應用：應用：熱輻射是紅外探測技術和溫度非接觸測熱輻射是紅外探測技術和溫度非接觸測量的依據(jù)量的依據(jù)。熱輻射（溫度輻射）熱輻射（溫度輻射）-連續(xù)光譜連續(xù)光譜5 激勵可以使發(fā)光物質產(chǎn)生光，外界提供激勵能的形式激勵可以使發(fā)光物質產(chǎn)生光，外界提供激勵能的形式可有多種方式，常用的有以下幾種方法：可有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光等光致發(fā)光、化學發(fā)光等。1 電致發(fā)光電致發(fā)光 物質中的原子或離子受到被電場加速的電子的轟擊，物質中的原子或離子受到被電場加速的電子的轟擊，使原子中的電子從被加速的電子那里

5、獲得動能，由低能使原子中的電子從被加速的電子那里獲得動能，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當它由受激狀態(tài)回復到正常狀態(tài)時，態(tài)躍遷到高能態(tài)；當它由受激狀態(tài)回復到正常狀態(tài)時，就會發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。就會發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。 例如：例如： 發(fā)光二極管發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。 激發(fā)輻射的產(chǎn)生方法激發(fā)輻射的產(chǎn)生方法 6 2光致發(fā)光光致發(fā)光 物體被光直接照射或預先被照射而引起自身的輻射稱物體被光直接照射或預先被照射而引起自身的輻射稱為光致發(fā)光。為光致發(fā)光。 例如：例如： l l 熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質的余輝；熒光、示波管、顯象管、日光燈等中

6、熒光物質的余輝；l l鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光(稱為共振輻射稱為共振輻射)；l l短波長的紫外光照射到雜質短波長的紫外光照射到雜質(油污油污)上發(fā)出波長較長的可上發(fā)出波長較長的可見熒光。見熒光。 光致發(fā)光原理光致發(fā)光原理 當光投射到物質上時，光子直接與物質中的電子起作用當光投射到物質上時，光子直接與物質中的電子起作用(吸吸收、動量傳遞等收、動量傳遞等)，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。7 3 化學發(fā)光化學發(fā)光 由化學反應提供能量而引起的發(fā)光，稱化學發(fā)光。由化學反應提

7、供能量而引起的發(fā)光，稱化學發(fā)光。 例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。 實際上，物質受激而發(fā)光是很復雜的，有些實際上，物質受激而發(fā)光是很復雜的，有些同屬幾種受激過程。同屬幾種受激過程。總結：總結：溫度輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，溫度輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，即熱平衡狀態(tài)的輻射。光譜為連續(xù)譜。即熱平衡狀態(tài)的輻射。光譜為連續(xù)譜。激發(fā)輻射是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉換激發(fā)輻射是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。 8l按照輻射來源不

8、同，光源分為：自然光源與人工按照輻射來源不同，光源分為：自然光源與人工光源。光源。l按照光波在時間空間上的相位特征，一般將光源按照光波在時間空間上的相位特征，一般將光源分成分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源。 l按照發(fā)光機理，光源又可分成：按照發(fā)光機理，光源又可分成：熱輻射光源，氣熱輻射光源，氣體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器四種。四種。光源的分類光源的分類9光源光源熱輻射光源熱輻射光源氣體放電光源氣體放電光源固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器激光器太陽太陽白熾燈、鹵鎢燈白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器黑體輻射器汞燈、熒光燈、鈉燈汞燈、熒光燈、鈉燈氙氙(xian)

9、(xian)燈、金屬鹵化物燈燈、金屬鹵化物燈氘氘(dao)(dao)燈、空心陰極燈燈、空心陰極燈場致發(fā)光燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管發(fā)光二極管氣體激光器、固體激光器氣體激光器、固體激光器染料激光器、半導體激光器染料激光器、半導體激光器由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱輻射生的物體熱輻射，稱為熱輻射光源。光源。由于物體在特定環(huán)由于物體在特定環(huán)境下受外界能量激境下受外界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為發(fā)而產(chǎn)生輻射，為激發(fā)輻射，其光源激發(fā)輻射，其光源被稱為冷光源。被稱為冷光源。冷光源按激發(fā)方式分冷光源按激發(fā)方式分可分為可分為光致發(fā)光、化學發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光、摩擦摩擦發(fā)光

10、、陰極射線致發(fā)發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、光、電致發(fā)光等。電致發(fā)光等。101907年首次發(fā)現(xiàn)半導體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。年首次發(fā)現(xiàn)半導體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。近十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光像顯示器。近十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。 1.它體積小，重量輕，便于集成；它體積小，重量輕，便于集成；2.工作電壓低，耗電少，驅動簡便，工作電壓低，耗電少，驅動簡便，容易用計算機控

11、制；容易用計算機控制；3.它既有單色性好的單色發(fā)光二極它既有單色性好的單色發(fā)光二極管，又有發(fā)白光的發(fā)光二極管；管，又有發(fā)白光的發(fā)光二極管；4. 發(fā)光亮度高，發(fā)光效率高，亮度發(fā)光亮度高，發(fā)光效率高，亮度便于調整。便于調整。 11 發(fā)光二極管（即發(fā)光二極管（即LED）是一種）是一種注入注入電致發(fā)光電致發(fā)光器件，它器件，它由由P型和型和 N型半導體型半導體組合而成。其發(fā)光組合而成。其發(fā)光機理常分為機理常分為PN結結注注入發(fā)光與入發(fā)光與異質結異質結注注入發(fā)光兩種。入發(fā)光兩種。 12由某原因激勵到高能由某原因激勵到高能級的粒子，沒有外刺級的粒子，沒有外刺激的情況下，自己躍激的情況下，自己躍遷到低能級，發(fā)

12、出光遷到低能級，發(fā)出光的現(xiàn)象的現(xiàn)象E1E2h =E2-E1頻率頻率( (波長波長),),相位相位, ,偏振偏振, ,傳播方向是隨機的傳播方向是隨機的t激激勵勵作作用用原子模型原子模型13 制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的態(tài)下的N區(qū)很多自由電子，區(qū)很多自由電子，P區(qū)有很多空穴。由于區(qū)有很多空穴。由于PN結結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能自然復合。阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能自然復合。內電場內電場空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN多子空穴多子空穴多子電子多子電子14 當加以正向電壓時，當加以正向電壓時，N區(qū)導帶中的電子可越過區(qū)導帶中的電

13、子可越過PN結的結的勢壘進入勢壘進入P區(qū)。區(qū)。P區(qū)的空穴也向區(qū)的空穴也向N區(qū)擴散，于是電子與空穴區(qū)擴散，于是電子與空穴有機會相遇，復合發(fā)光。由于空穴遷移率低于自由電子，有機會相遇，復合發(fā)光。由于空穴遷移率低于自由電子，則復合發(fā)光主要發(fā)生在則復合發(fā)光主要發(fā)生在p區(qū)。區(qū)。復合過程是電子從高能級跌復合過程是電子從高能級跌落到低能級過程落到低能級過程，這屬于自發(fā)輻射，是非相干光。這屬于自發(fā)輻射，是非相干光。 光的顏色（波長）決定于材料禁帶寬度光的顏色（波長）決定于材料禁帶寬度Eg，光的強弱，光的強弱與電流有關與電流有關 內電場內電場空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN多子空穴多子空穴多子電子多子電子15電子和空穴

14、復合，所釋放的能量電子和空穴復合，所釋放的能量Eg等于等于PN結的禁帶寬結的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用度（即能量間隙）。所放出的光子能量用h表示，表示，h為為普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，為光的頻率。則為光的頻率。則gEhcgEchgEh普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)h=6.610-34J.s；光速；光速c=3108m/s；Eg的單位為電子伏（的單位為電子伏（eV），），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV?？梢姽獾牟ㄩL可見光的波長近似地認為在近似地認為在710-7m以下，所以制以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應大于作發(fā)光二極管的材

15、料，其禁帶寬度至少應大于h c /=1.8 eV 普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度度Eg分別為分別為0.67eV和和1.12eV，顯然不能使用。，顯然不能使用。16 電子和空穴復合時放出能量的大小，即光子的能量，取決于半電子和空穴復合時放出能量的大小，即光子的能量，取決于半導體材料的禁帶寬度導體材料的禁帶寬度Eg(Eg=EEg(Eg=E1 1-E-E0 0) )，放出的能量越大，發(fā)出的，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短，即光輻射波長就越短，即gcEh)(87. 043. 11031013. 41415umEhgc例如：例如：G

16、aAs材料的禁帶寬度材料的禁帶寬度Eg=1.43eV, 則光輻射波長為：則光輻射波長為： 17 半導體內還因為存在微量雜質而發(fā)生導帶雜質半導體內還因為存在微量雜質而發(fā)生導帶雜質能級、雜質能級與價帶，以及雜質能級之間的躍遷，能級、雜質能級與價帶，以及雜質能級之間的躍遷，這些躍遷的距離小于導帶到價帶的禁帶寬度，并在這些躍遷的距離小于導帶到價帶的禁帶寬度，并在禁帶寬度附近的能級區(qū)域。這樣造成了發(fā)光二極管禁帶寬度附近的能級區(qū)域。這樣造成了發(fā)光二極管發(fā)射出來的譜線具有一定的寬度。由此可見，發(fā)射出來的譜線具有一定的寬度。由此可見，發(fā)光發(fā)光二極管發(fā)出的波長和譜帶寬度主要取決于發(fā)光二極二極管發(fā)出的波長和譜帶寬

17、度主要取決于發(fā)光二極管的半導體材料及其摻雜材料。管的半導體材料及其摻雜材料。 在在LEDLED中，向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。中，向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。18光輸出光輸出P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs反型異質結反型異質結同型異質結同型異質結 圖中圖中P-GaAs（砷化鎵）是復合區(qū)（砷化鎵）是復合區(qū)（有源區(qū)），（有源區(qū)），它它和相鄰的和相鄰的P-AlxGa1-xAs（砷化鎵摻鋁）層構成同型異（砷化鎵摻鋁）層構成同型異質結，而和質結，而和N-AlyGa1-yAs構成反型異質結。這兩個異構成反型異質結。這兩個異質結起限制載流子（電子和空穴）作用，是載流子有

18、質結起限制載流子（電子和空穴）作用，是載流子有效的集中在效的集中在P-GaAs區(qū)內復合發(fā)光，故其內部量子效區(qū)內復合發(fā)光，故其內部量子效率非常高，這是半導體發(fā)光二極管所要求的。率非常高，這是半導體發(fā)光二極管所要求的。 同時，將復合區(qū)夾在低折射率的兩種半導體材料同時，將復合區(qū)夾在低折射率的兩種半導體材料之間，起到限制光子的作用。之間，起到限制光子的作用。(2) 雙異質結注入發(fā)光雙異質結注入發(fā)光 19 按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型射型和邊發(fā)射型 (1) 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 有源區(qū)有源區(qū) 圓形金屬觸點圓形金屬觸點SiO2絕緣層絕緣

19、層SiO2絕緣層絕緣層金屬化層金屬化層熱沉熱沉雙異質結層雙異質結層襯底襯底限制層限制層接合材料接合材料金屬化層金屬化層光纖光纖圓形蝕刻孔圓形蝕刻孔 圖所示為波長圖所示為波長0.80.80.9m0.9m的雙異的雙異質結面發(fā)光型質結面發(fā)光型LEDLED的的結構。有源發(fā)光區(qū)結構。有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑是圓形平面，直徑約為約為50m。厚度小厚度小于于2.5m2.5m。 一段光纖一段光纖( (尾纖尾纖) )穿過襯底上的小圓孔與有源穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)的光

20、，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為散角均為120120。20(2) 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管 圖圖6-4所示為波長所示為波長1.3m的雙異質結邊發(fā)光的雙異質結邊發(fā)光型型LED的結構。它的核心的結構。它的核心部分是一個部分是一個N型型AIGaAs有有源層，及其兩邊的源層，及其兩邊的P型型AIGaAs和和N型型AIGaAs導光層導光層(限制層限制層)。導光層的折射率比有源層低，比周圍其他。導光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出

21、。 為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為度通常為5070m，長度為，長度為100150m。邊發(fā)光。邊發(fā)光LED的方的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為2535，垂直方向為垂直方向為120。 21(1) (1) 發(fā)光光譜和發(fā)光效率發(fā)光光譜和發(fā)光效率 LED的發(fā)光光譜的發(fā)光光譜：指：指LED發(fā)出光的相對強度發(fā)出光的相對強度(或能量或能量)隨隨波長波長(或頻率或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜由

22、材料的種類、發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜由材料的種類、性質以及發(fā)光中心的結構決定的，而與器件的幾何形狀和性質以及發(fā)光中心的結構決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關。描述光譜分布的兩個主要參量是它的封裝方式無關。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值峰值波長波長m和和發(fā)光強度的半寬度發(fā)光強度的半寬度 。峰值波長由材料的禁帶寬度決定：峰值波長由材料的禁帶寬度決定： mhc/ Eg 對大多數(shù)半導體材料由于折射率大，在發(fā)射光逸出半對大多數(shù)半導體材料由于折射率大，在發(fā)射光逸出半導體之前，在樣品內已經(jīng)經(jīng)過了多次反射，因為短波長導體之前，在樣品內已經(jīng)經(jīng)過了多次反射，因為短波長比長波長更容易被吸收

23、，所以峰值波長對應的光子能量比長波長更容易被吸收，所以峰值波長對應的光子能量比禁帶寬度對應的光子能量小些比禁帶寬度對應的光子能量小些22圖圖6-5給出了給出了GaAs0.6Po.4 和和GaP的發(fā)射光譜。當?shù)陌l(fā)射光譜。當GaAs1xPx中中的的x值不同時，峰值波長在值不同時，峰值波長在620680nm之間變化，譜線之間變化，譜線半寬度大致為半寬度大致為2030nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在發(fā)紅光的峰值波長在700nm附附近，半寬度大約為近，半寬度大約為100nm。 峰值光子的能量還與溫度有關，它隨溫度的增加峰值光子的能量還與溫度有關，它隨溫度的增加而減少。在結溫上升時，譜帶波長以而減少。在結溫

24、上升時，譜帶波長以0.20.3nm/的比的比例向長波方向移動。例向長波方向移動。 23 LED的發(fā)光效率：的發(fā)光效率：發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有把發(fā)光強度與注；也有把發(fā)光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cdA（坎（坎/安）。安）。發(fā)光效率由內部量子效率與外部量子效率決定。發(fā)光效率由內部量子效率與外部量子效率決定。內部量子效率內部量子效率:nrrieoinnn/11 式中，式中，neo為每秒為每秒發(fā)射出的光子數(shù)發(fā)射出的光子數(shù), ni為每秒注入為每秒注入到器件的到器件

25、的電子數(shù)電子數(shù),r是輻射復合的載流子壽命是輻射復合的載流子壽命,rn是是無輻射復合的載流子壽命。由式中可以看出，只有無輻射復合的載流子壽命。由式中可以看出，只有rnr，才能獲得有效的光子發(fā)射。，才能獲得有效的光子發(fā)射。 24 光子通過半導體有一部分被吸收，有一部分到光子通過半導體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為達界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產(chǎn)生全反射而返回晶體內部后被吸收，只有一部）產(chǎn)生全反射而返回晶體內部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。分發(fā)射出去。inexnnex提高外部量子效率的措施：提高外部量子效率的措施：用比空氣折射率高的透明物質如環(huán)

26、氧樹脂（用比空氣折射率高的透明物質如環(huán)氧樹脂（n2 =1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；涂敷在發(fā)光二極管上；把晶體表面加工成半球形；把晶體表面加工成半球形；用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。 外部量子外部量子效率定義效率定義單位時間發(fā)射到單位時間發(fā)射到外部外部的光子數(shù)的光子數(shù)單位時間內注入到器件的單位時間內注入到器件的電子電子-空穴空穴對數(shù)對數(shù)25 發(fā)光二極管的時間短發(fā)光二極管的時間短于于1s，比人眼的時間響，比人眼的時間響應要快得多，但用作光應要快得多，但用作光信號傳遞時，響應時間信號傳遞時，響應時間又顯得太長。又顯得太長。 如圖，通常發(fā)

27、光二極如圖，通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。溫度上升而下降。 26(3) (3) 發(fā)光亮度與電流的關系發(fā)光亮度與電流的關系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮區(qū)的情況下，發(fā)光亮度度L與電子擴散電流與電子擴散電流idn之間的關系之間的關系為為 )exp(dnRiL (6-3) 式中，式中，是載流子輻射復合壽命是載流子輻射復合壽命r和非輻射復合壽命和非輻射復合壽命nr的函數(shù)的函數(shù) 如圖如圖6-7所示為所示為GaAsl- -xPx、Gal- -xAlxA

28、s和和GaP(綠色綠色)發(fā)光發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關系曲線。二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關系曲線。27(4) (4) 最大工作電流最大工作電流 若若LED的最大功耗為的最大功耗為Pmax，則其最大的電流為，則其最大的電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max (6-4)式中，式中，rd為為LEDLED的內阻；的內阻；If、Uf均為它在較小電流時的電流和壓降均為它在較小電流時的電流和壓降. . 若工作電流較小，若工作電流較小，LED發(fā)光效率隨發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相到一定值時，

29、發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。圖圖6-8所示為發(fā)紅光的所示為發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管發(fā)光二極管內量子效率內量子效率in的相對值與電流密度的相對值與電流密度J及及溫度溫度T的關系。隨著電流密度的增的關系。隨著電流密度的增加，加，pn結溫度升高結溫度升高,將導致熱擴散，使發(fā)光效率降低。將導致熱擴散，使發(fā)光效率降低。 28(5) (5) 伏安特性伏安特性 LED的伏安特性如圖的伏安特性如圖6-9所示所示,它它與普通二極管的伏安特性大致相同。與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開

30、啟點就顯示出歐姆導電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特性。這時，正向電流與電壓的通特性。這時，正向電流與電壓的關系為關系為 iioexp(U/mkT) (6-5) 式中，式中，m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流iE1)的原子數(shù)分別為的原子數(shù)分別為N1和和N2。 當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布 )exp(1212kTEENN式中，式中， k=1.38110-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學為熱力學溫度。由于溫度。由于(E2-E1)0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是，所以在這種狀態(tài)下，總

31、是N1N2。 這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。57 受激吸收和受激輻射的速率分別比例于受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N N1 1和和N N2 2，且，且比例系數(shù)比例系數(shù)( (吸收和輻射的概率吸收和輻射的概率) )相等。相等。 如果如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數(shù)衰減，種物質時，光強按指數(shù)衰減， 這種物質稱為這種物質稱為吸收物質吸收物質。 如果如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質稱為物質時，會產(chǎn)

32、生放大作用，這種物質稱為激活物質激活物質。N2N1的分布，和正常狀態(tài)的分布，和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相反，的分布相反，所以稱為粒子所以稱為粒子(電子電子)數(shù)反轉分布。數(shù)反轉分布。 導帶導帶 價帶價帶 導帶導帶 價帶價帶正常分布正常分布反轉分布反轉分布58問題問題: : 怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？用外界作去激發(fā)處在低能級的原子，使原子處在高用外界作去激發(fā)處在低能級的原子，使原子處在高能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。這種用來激發(fā)低能能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。這種用來激發(fā)低能級原子向高能級躍遷的作用稱級原子向高能級躍遷的作用稱泵浦泵浦。593. 3. 諧振腔諧振腔激勵能源激勵能源 全

33、反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光光學諧振腔的作用：光學諧振腔的作用： 1.使激光具有極好的使激光具有極好的方向性方向性（沿軸線）；（沿軸線）； 2.增強增強光放大光放大作用（延長了工作物質）；作用（延長了工作物質）； 3.使激光具有極好的使激光具有極好的單色性單色性（選頻）。（選頻）。60半導體激光器也稱為激光二極管半導體激光器也稱為激光二極管(LD)(LD)，是一種光學，是一種光學振蕩器。振蕩器。諧振腔：諧振腔：半導體介質的自然解理面半導體介質的自然解理面 構成平行平面腔構成平行平面腔 泵浦源：泵浦源：通常采用電壓很通常采用電壓很低的直流電源低的直流電源激光工作物質激光工作物質：直

34、接帶隙半導體材料直接帶隙半導體材料-砷化稼砷化稼(GaAs)(GaAs)、 砷化銦砷化銦(InAs)(InAs)、鋁稼砷、鋁稼砷(A1(A1x xGaAs)GaAs)、銦磷砷、銦磷砷 (InP(InPx xAs)As)等等等等 61光光增增益益ECEV1. 1. 半導體激光器發(fā)光機理半導體激光器發(fā)光機理（1 1）激光介質的增益系數(shù)）激光介質的增益系數(shù)g g62 若入射光強為若入射光強為I I0 0，在激光介質內傳播至，在激光介質內傳播至z z處處的光強為的光強為I I，傳播至，傳播至z+dzz+dz處的光強為處的光強為I+dII+dI，則我，則我們定義激光介質的增益系數(shù)們定義激光介質的增益系數(shù)

35、g g為：為：g=dI/(IdZ) 光穿過厚度為光穿過厚度為dzdz介質的情況介質的情況因此激光介質的增益系數(shù)因此激光介質的增益系數(shù)g就是光通過單位長度就是光通過單位長度激光介質后光強的相對增長率。激光介質后光強的相對增長率。63（2 2）激光介質的損耗）激光介質的損耗 實際上，介質的光損耗就是對光的負增益。因此激光實際上，介質的光損耗就是對光的負增益。因此激光介質的損耗系數(shù)介質的損耗系數(shù): : 就是光通過單位長度激光介質后光強就是光通過單位長度激光介質后光強相對衰減率。相對衰減率。只有當增益大于或者等于損耗時，才能建只有當增益大于或者等于損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為

36、達到閾值立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。增益所要求的注入電流稱為閾值電流。a. a. 介質的不均勻性造成光線的折射或散射，使得光線介質的不均勻性造成光線的折射或散射，使得光線偏離軸線方向飛出腔外。氣體激光器中這類損耗較小，偏離軸線方向飛出腔外。氣體激光器中這類損耗較小，固體激光器中這類損耗較大。固體激光器中這類損耗較大。b. b. 介質中存在某些能級差正好與激光頻率對應，引起介質中存在某些能級差正好與激光頻率對應，引起光子吸收。光子吸收。在光增益的同時，激光介質也有一定的光損耗。在光增益的同時，激光介質也有一定的光損耗。64（3 3）如果粒子數(shù)

37、不隨傳播距離）如果粒子數(shù)不隨傳播距離z z而變化而變化 ，則增益，則增益系數(shù)系數(shù)g是一個常數(shù)，并稱為小信號增益系數(shù)。則是一個常數(shù)，并稱為小信號增益系數(shù)。則 I=I0egz可見激光介質中的光強是隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律可見激光介質中的光強是隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律增長增長問題：光在介質中的放大一直持續(xù)下去？問題：光在介質中的放大一直持續(xù)下去？不會。因為每經(jīng)過一次受激躍遷，不會。因為每經(jīng)過一次受激躍遷，粒子數(shù)反轉程度都要降低，當增益粒子數(shù)反轉程度都要降低，當增益不再超過損耗時，放大就停止。不再超過損耗時，放大就停止。65 通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的

38、兩塊反射鏡反射鏡(解理面）按特定的方式組合而成。解理面）按特定的方式組合而成。作用：作用：提供正反饋和增益提供正反饋和增益,維持受激輻射的持續(xù)振蕩。維持受激輻射的持續(xù)振蕩。對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。輸出激光具有一定的定向性和單色性。66增益增益 損耗損耗增益增益 損耗損耗增益增益= =損耗損耗增益和損耗增益和損耗67l注入電流，即注入載流子；注入電流，即注入載流子；l在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉，導帶電子不穩(wěn)定，少在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉，導帶電子不穩(wěn)定，少數(shù)電子自發(fā)躍遷到價帶，產(chǎn)生光子；數(shù)電子自發(fā)躍遷

39、到價帶，產(chǎn)生光子；l1 1個光子被導帶中電子吸收躍遷到價帶，同時釋個光子被導帶中電子吸收躍遷到價帶，同時釋放出放出2 2個相干光子，持續(xù)這個過程，直到釋放出個相干光子，持續(xù)這個過程，直到釋放出多個相干光子，即在合適的腔內振蕩放大；多個相干光子，即在合適的腔內振蕩放大；l光子穩(wěn)定振蕩，光能量大于總損耗時，光子穩(wěn)定振蕩，光能量大于總損耗時，LDLD開始工開始工作。作。682. 2. 激光器工作模式激光器工作模式 在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內往返一次應保持不變在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內往返一次應保持不變以平面平行腔為例以平面平行腔為例: :0exp ()Ei wt設設M1M1點處光電場為：點處光電場為

40、：在長度為在長度為L L，功率增益系數(shù)為，功率增益系數(shù)為g, g, 光腔往返一次后，為：光腔往返一次后，為：012intexp() exp (2)exp()EgLi wtkLR RL由介質增益導致振幅變化為：由介質增益導致振幅變化為：exp(2 )2gL考慮激光器內介質吸收和散射損耗：考慮激光器內介質吸收和散射損耗：int12exp(2 )2R RLR1R1和和R2R2為端面反射率，為端面反射率，intint為腔內總損耗率，為腔內總損耗率，/knc為平面波的波數(shù)為平面波的波數(shù)69在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內往返一次應保持不變在穩(wěn)定工作時，平面波在腔內往返一次應保持不變有有: :0012intex

41、p ()exp() exp (2)exp()Ei wtEgLi wtkLR RL12int1exp() exp( 2)R RgLLi kL令兩邊振幅和相位分別相等，則：令兩邊振幅和相位分別相等，則：12int1exp()R RgLL振幅條件：振幅條件：22kLm（m m為整數(shù)）為整數(shù)）相位條件相位條件：70激光器穩(wěn)定工作的相位條件：激光器穩(wěn)定工作的相位條件：m m為整數(shù)為整數(shù)2kL=2m 波數(shù)波數(shù)k=2nv/cL L為光腔長度為光腔長度n n為增益介質折射率為增益介質折射率激光器振蕩頻率激光器振蕩頻率vm=mc/2nL c/(2nL)滿足相位條件的縱模分布滿足相位條件的縱模分布這些頻率對應于激

42、光這些頻率對應于激光器的縱向模式，和光器的縱向模式，和光腔長度有關腔長度有關71 顯然產(chǎn)生激光要滿足顯然產(chǎn)生激光要滿足閾值條件閾值條件和和相位條件相位條件。21int1ln21RRLg12int1exp()R RgLL激光器穩(wěn)定工作的振幅條件激光器穩(wěn)定工作的振幅條件： 只有當增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，只有當增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩，這一增益稱為這一增益稱為閾值增益，閾值增益，理論推出在諧振腔內開始建立穩(wěn)定理論推出在諧振腔內開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為。的激光振蕩的閾值條件為。 式中，式中，g為閾值增益系數(shù)，為閾值增益系數(shù)，int為諧振腔內激活物質為諧振腔內激活物質的損的損 耗系數(shù)，耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，為諧振腔的長度，R1，R2UA2時，時，控制極相對于控制極相對于A2加正脈沖，加正脈沖，晶閘管正向導通，電流從晶閘管正向導通，電流從A1流向流向A2。UA2UA1時，時，控制極相對于控制極相對于A2加加負負脈沖，脈沖，晶閘管反向導通，電流從晶閘管反向導通，電流從A2流向流向A1。A1A2G128 光控可控硅元件又稱作光激發(fā)可控硅或光控硅光