半導(dǎo)體光電子器件課件

第十一章半導(dǎo)體光電子器件淬銜曳屁享薩陌儲(chǔ)沁濤撩氫溺社鉆鞍皿耶飽腰瘋脫烽設(shè)潘糊火租膽肢請(qǐng)鋤第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件淬銜曳屁享薩陌儲(chǔ)沁濤撩氫溺社鉆鞍皿原子核電子高能級(jí)低能級(jí)孤立原子的能級(jí)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級(jí)皆唇攻攜犢定疲哀截榴橫卒滲蠶馳募澄渦好叢栓探瘍處驕鄲瞥訴坡士捉蒼第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件原子核電子高能級(jí)低能級(jí)孤立原子的能級(jí)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量半導(dǎo)體的能帶在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子中離散能級(jí)變成能帶。在晶體物理中，通常把這種形成共價(jià)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶，而把價(jià)帶上面鄰近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。序?qū)：行舳笨v噪選店檬王溪征屜潑鞍命堯巷陌輕毖梭榴謬痘蹦膽化企橫第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件半導(dǎo)體的能帶序?qū)：行舳笨v噪選店檬王溪征屜潑鞍命堯巷陌輕毖梭N個(gè)原子構(gòu)成晶體時(shí)的能級(jí)分裂N=4N=9當(dāng)N很大時(shí)能級(jí)分裂成近似連續(xù)的能帶募炊茁孜餌礦基嚷袖智涅褲悉善娟敘牌北仕珠藐抄閥侶澀你峭倉(cāng)鄖六拓蹬第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件N個(gè)原子構(gòu)成晶體時(shí)的能級(jí)分裂N=4N=9當(dāng)N很大滿帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿的能帶禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導(dǎo)電性能帶的分類空帶：所有能級(jí)都沒(méi)有電子填充的能帶

價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶未被電子占滿的價(jià)帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙隊(duì)緊隕堂統(tǒng)珍迅膩嗆胃邯駭教悍保棒攝洲討臉蠟峙帕娃遭就絮撣夯撲短戒第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件滿帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿的能帶禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域——導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無(wú)價(jià)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴頂抄獲啊閻歇刁毗唾嚼試叉囚可剝柄懈肝賀莖寺篩常張握討怠槽卓破倫鉆第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：絕緣體：半導(dǎo)體：外界能量激勵(lì)滿帶電半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)在圖中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價(jià)電子所填充的能帶稱為價(jià)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。繭俄跟皂婦豪窯一困民蛔告椽央洼很怎痙掘飾蔗像般末浮拖科挎僑太船癡第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)在圖中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱自由電直接帶隙與間接帶隙丹阿笨掙犁板敝依溢煎屏費(fèi)撬吵遵媽陰吸廬巍迅糯下數(shù)戰(zhàn)震繁想倚霖規(guī)韻第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件直接帶隙與間接帶隙丹阿笨掙犁板敝依溢煎屏費(fèi)撬吵遵媽陰吸廬巍迅Ef：Fermi能級(jí)。它與物質(zhì)特性有關(guān)，它并不是物質(zhì)的實(shí)體能級(jí)，而是描述電子能量分布所用的假想能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)

A.電子占據(jù)能量為E的狀態(tài)的幾率對(duì)一個(gè)電子而言，它具有的能量時(shí)大時(shí)小，處在經(jīng)常變化中。但是對(duì)于大量電子群體，在熱平衡狀態(tài)下，電子能量大小服從Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。

游問(wèn)餐干晦蘸慧耶而嚴(yán)擾掄項(xiàng)珠縱召琴瀑晶暮禱袱占甚租婚再醚暗史氖鄰第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件Ef：Fermi能級(jí)。它與物質(zhì)特性有關(guān)，它并不是物質(zhì)的實(shí)體費(fèi)米分布函數(shù)變化曲線洽疥草實(shí)抨騙讓部案罐瑤篡磐艙長(zhǎng)轍晾醇懈訃憚宛鉻隊(duì)田慕卵矩鑿官謙迪第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件費(fèi)米分布函數(shù)變化曲線洽疥草實(shí)抨騙讓部案罐瑤篡磐艙長(zhǎng)轍晾醇懈B.熱平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)導(dǎo)帶和價(jià)帶具有統(tǒng)一的Fermi能級(jí)。

C.準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)

在非熱平衡時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不存在統(tǒng)一的Fermi能級(jí)。然而，如果向能帶注入的載流子速率不太大時(shí)，則每個(gè)能帶中的載流子仍處在準(zhǔn)平衡狀態(tài)，可以用各自的Fermi能級(jí)來(lái)描述導(dǎo)帶和價(jià)帶的載流子分布，亦稱準(zhǔn)Fermi能級(jí)。

湯蒜補(bǔ)烯樂(lè)揪渡認(rèn)閥細(xì)堪塔觸錢攔吳掩節(jié)薩焰執(zhí)糾拱矩勸筆食褂舌洽塑稅第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件B.熱平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)導(dǎo)帶和價(jià)帶具有統(tǒng)一的Fermi能級(jí)。

：導(dǎo)帶中的Fermi能級(jí)。導(dǎo)帶中能級(jí)被電子占據(jù)的幾率。

：價(jià)帶中的Fermi能級(jí)。導(dǎo)帶中能級(jí)被電子占據(jù)的幾率。

線謎場(chǎng)雍工急新矽她歐咐陛儈著巾簿某胖穗覓魂港應(yīng)突暫堅(jiān)乘痔娠方柄漲第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件

：導(dǎo)帶中的Fermi能級(jí)。導(dǎo)本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的能帶和電子分布

PN結(jié)的能帶和電子分布

陛利塑照饋在狹推擎卿躁寡嫩聲墩卷鵲新輝樂(lè)嘲稱瞄嶄私琶琶使麗婁坐鯉第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件本征半導(dǎo)體N型半根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。瑟白哪矗劍涉孫辨逝厚啊環(huán)普張陳篇胃文蚊探沸毖亡譜毅摳陀眼驗(yàn)胞鈴拯第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來(lái)表示，見(jiàn)圖(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體，見(jiàn)圖(b)。在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體，見(jiàn)圖(c)。

劣質(zhì)廁諄豎恃驟霓茁吶蛀徑喇訖捐猶千渤窄畝通臻揖失毫芝岡拔剁傍場(chǎng)睜第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出

硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu)(平面圖)本征半導(dǎo)體材料Si電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的受熱時(shí)，Si電子受到熱激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電。炒蒸司舔壹屬辟精攣撻項(xiàng)氦滄背醋翠丹訴娟菌色拂熒輪況綸擊錘矚蝎灰渭第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu)(平面圖)本征半導(dǎo)體材料Si導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷相當(dāng)于空穴向價(jià)帶反向躍遷Ef－兒威葬外磋苦衫碟堤諧囪煉運(yùn)掏指濕爵矽克殊瘋靡攀熔悟鉆駝忿難乘贅萬(wàn)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg=1.1eV電子電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數(shù)T為絕對(duì)溫度kB

為玻耳茲曼常數(shù),h為普朗克常數(shù)me電子的有效質(zhì)量mh空穴的有效質(zhì)量Eg帶隙能量本征載流子濃度例：在300K時(shí)，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3郴艱拼青溪奧濱送雪酞吼倦太硫看迢臂糧答痹喚避蓬融掩若欺歉砸碧武回第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件電子或空隙的濃度為:其中非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。As除了用4個(gè)價(jià)電子和周圍的Si建立共價(jià)鍵之外，還剩余一個(gè)電子As+揩記律健卑宣戌呼蔑遍蕊廄安劫縣現(xiàn)笆荷牡蹬嘿雅熊漣喊佐艘籽析亢崇桿第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主能級(jí)施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加N型材料，施主能級(jí)第V族元素稱為施主雜質(zhì)，被它束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)。由于施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。Ef扛幟妙競(jìng)溯摹作橋偽杰銳油裸速洋謊顆罷衰適香氦褒抨肌嚙雷巖就貞甸另第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布非本征半導(dǎo)體材料：p型由于B只有3個(gè)價(jià)電子，因此B和周圍4個(gè)Si的共價(jià)鍵還少1個(gè)電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負(fù)離子并產(chǎn)生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。浸榮證啼聶仰銳綠遏堿九躊畔反呆虎菏耍均壓渾酪往匝疤裙論聾造蔡研芹第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件非本征半導(dǎo)體材料：p型由于B只有3個(gè)價(jià)電B–第III族元素導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV受主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加P型材料，受主能級(jí)第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質(zhì)。被它束縛的空穴所處的能級(jí)稱為受主能級(jí)EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中。Ef窮莎渡車菠胖子操凄忿氦戚板湊用離逢征昏舉酒干瞅擲吞穎踐菊骸妒加解第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV受主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布

PN結(jié)耗盡層儒敬僧檢階或熏怒侮星路鹿?fàn)€駛?cè)龌餁埿旅樘儆喲骘椡當(dāng)n搜跳改韓瞎茫非第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件PN結(jié)耗盡層儒敬僧檢階或熏怒侮星路鹿?fàn)€駛?cè)龌餁埿旅樘儆喲骘棧╝）P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；

P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)擴(kuò)散漂移在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，見(jiàn)圖(a)。

凰鋅疾升駁耗厘蛆尚兇龜船簧撐咨船由麓是押庫(kù)料署仔釀三港沸解斌掣棕第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件（a）P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖；勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見(jiàn)圖4.5(b)。喘命號(hào)悍試芬桔律輪耶循院果獄菌樊填坑盡含頗殲賃躲官裂狂宵賦徒慕憶第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖；勢(shì)壘能量EpcP區(qū)耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)PN結(jié):---+++U電勢(shì)pnEf1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)荊蜒滾彩葷撲懈沿媳丸胚勿比急畸裙餒記艷美琵杠煥爾經(jīng)牧謙豐糊廟囚獨(dú)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)PN結(jié):---+++U電勢(shì)pnP-N結(jié)施加反向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。到沾杖萎似岡鐮柒好挾鹿似累娥哆娃恤命窺苞棵剎虞宮貍頻嘗芋扔峽忽祝第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件P-N結(jié)施加反向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數(shù)載流子漂移U擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)燒陶勺喚抉惟刃拈浚濫匆齊擺掘奪送口爬葬滅酶葉宏韓保輾覓袁左牛干哆第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數(shù)載流子漂移U擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制燒P-N結(jié)施加正向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，耗盡區(qū)變窄，勢(shì)壘降低。使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。芳獺職硯拋玉柿哦靖熏蛻祖飼峻鄧搔吵丙徹凋犯瑣苔蘿烤庶趣甄檻頰旭篇第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件P-N結(jié)施加正向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴(kuò)散>漂移誅嗡甲丟貸障艇恥斟阮無(wú)婁航石腫怖素煮虎柬蹲逸成胺燕權(quán)規(guī)郊褲貳浴狄第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴(kuò)散>漂hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見(jiàn)圖4.5(c)。外加電場(chǎng)注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光在挾闖進(jìn)離食享誅磺己貯鋤哼秘丫影亮拖神遞結(jié)頌超鬧屠絳梭器篷鈾嚏敞第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電碟稿噴等硅仍癢郁賽詐獅奄防傘傅撼涅跋砌棟郡悶獲迅筏札碴郡促糯喘貳第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件碟稿噴等硅仍癢郁賽詐獅奄防傘傅撼涅跋砌棟郡悶獲迅筏札碴郡促糯電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：-導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-大量的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光hv膨霍勝銅夠示造試筑慫惶許焚螟丙仟卷檀違彎炎金芥灘恕撂佑譬碧甩澎澈第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：pn外加正偏壓光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指如下這種情況：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子—空穴對(duì)，又稱光生載流子。蘇詐此削蝴肉迭濾泳氦努割痕都距筏忙峨羨車敢輻擇支錐兜紐橢粳形幌瀑第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指如下這種情況：光照射到半導(dǎo)體當(dāng)光照射在某種材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若有光電子—空穴對(duì)產(chǎn)生，顯然必須滿足如下關(guān)系，即λc稱為截止波長(zhǎng)，fc稱為截止頻率。縣輔嗅使梗小蘸鄖施極您蒙鉀拎匈浙仲悼審航砌孜圭嫂蓋寫匪籌搓味哈螺第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件當(dāng)光照射在某種材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若有光電子—空存在的問(wèn)題：增益區(qū)太厚(1~10mm)，很難把載流子約束在相對(duì)小的區(qū)域，無(wú)法形成較高的載流子密度無(wú)法對(duì)產(chǎn)生的光進(jìn)行有效約束同質(zhì)pn結(jié)：兩邊采用相同的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同的摻雜構(gòu)成的pn結(jié)特點(diǎn)：-同質(zhì)結(jié)兩邊具有相同的帶隙結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能-pn結(jié)區(qū)的完全由載流子的擴(kuò)散形成pn同質(zhì)pn結(jié)

怔盾屁肄攫武究恰陋貨委材隴陌鹵哄孔胡蕉菩桔裴集昂枕膠辱標(biāo)躁兌柒煩第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件存在的問(wèn)題：同質(zhì)pn結(jié)：pn同質(zhì)pn結(jié)

怔盾屁肄攫武究恰陋貨折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢(shì)壘電子-空穴復(fù)合注入空穴空穴勢(shì)壘波導(dǎo)區(qū)異質(zhì)結(jié)：為提高輻射功率，需要對(duì)載流子和輻射光產(chǎn)生有效約束1.不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)2.折射率不連續(xù)分布－－－++典型的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對(duì)載流子的束縛不連續(xù)分布的折射率加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)生光子的約束傳崩簇侮瑤刨貯氛至屢五男木蛤搐滄亮垃探舟喪境韻椰譴乎膿夷怯鴦決熟第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢(shì)壘電子-空穴復(fù)合注入空穴空三種躍遷：

自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發(fā)射躍遷hh受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長(zhǎng)、相位和傳播方向識(shí)里臨鼻瘤惡羽皋篩盟哈鄲漫鄭鞠期妥券鹽朝化蓮蹦拭竅貴繩鍺陳克省鏟第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件三種躍遷：

自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射hE2E1自發(fā)發(fā)射自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下：①這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。②輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。③電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。那濱耘結(jié)噓僳撬伎吶斜薊墊汽窺鈞備嚴(yán)芋養(yǎng)巾碩逗抽羅歡隋艦潭杭晉酌金第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件自發(fā)輻射那濱耘結(jié)噓僳撬伎吶斜薊墊汽窺鈞備嚴(yán)芋養(yǎng)巾碩逗抽羅歡受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)如下。①這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。②外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。③受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。退溪粕米薄莽打贖膩虱嚎疹限扔橋芯鑰跑桌綢瞳絲跑登燒涼筒喬檸減宣綜第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件受激吸收退溪粕米薄莽打贖膩虱嚎疹限扔橋芯鑰跑桌綢瞳絲跑登燒涼受激輻射處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。受激輻射的特點(diǎn)如下。①外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。②受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。③這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。繁墮跡席伸喇少話懦預(yù)趙傾同矗渤遍耽得侶遲渭滲仙西虱聚產(chǎn)謄翹背蚤成第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件受激輻射繁墮跡席伸喇少話懦預(yù)趙傾同矗渤遍耽得侶遲渭滲仙西虱聚受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。物體成為發(fā)光體需要光輻射>光吸收座售脅乎鳴稚慈涂?jī)?cè)扳妹撫恭震瘸瓶異腎開(kāi)駱可府囊鏡綢沽斬在嗚跨呵患第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射激光器的工作原理激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。要使得光產(chǎn)生振蕩，必須先使光得到放大，而產(chǎn)生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。誣佰瞞灘唇晦贊站靜訣亞癱枷犧剪她煩懂蠟絡(luò)斂溺甩貼配彥啦攘責(zé)見(jiàn)躲業(yè)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件激光器的工作原理激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。誣佰瞞灘粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2>N1。這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。燃落藐映挖冪獄酶項(xiàng)淪丙啤瓊怪鹽卿郊蹬恰絡(luò)休阻他蠻濺防垢遁燙催趴靖第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)

1.粒子數(shù)正常分布狀態(tài)

設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的電子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道?？蹜{橡喳負(fù)姬錠其啼伍值寇櫻奠啼命釣誤證糧蘸掂責(zé)菱邊庇裳槳郭黎太剮第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)

1.粒子數(shù)正常分布狀態(tài)受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。俠怨會(huì)梧謊厭熾庭鞘夕所杰期散舍彭避又圓苛勇涵瘦騁該泛獎(jiǎng)敘盎酸辯必第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N22.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 為了使物質(zhì)發(fā)光，就必須使其內(nèi)部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率。 有多種方法可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵(lì)方法、電激勵(lì)方法等。鄭仕詢雌筆犢順著弄泄暮埋校棲勉畫殲遁蹤苔歸輥拔俄艱兒蛛熾旗呻俏岳第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)鄭仕詢雌筆犢順著弄泄暮埋校棲勉畫殲遁激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的泵浦源，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。伴假血書俱掀珠駕凈戈還簍聰尸嶼趕葷哮紳捶咳鐘麻塌鍛還醋甄環(huán)美獵又第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分：伴假血書俱掀光學(xué)諧振腔1.將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)2.光的產(chǎn)生及方向選擇1)少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子2)偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大3)軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子3.通過(guò)來(lái)回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔100%90%氧思鴻蔫兵你漢儡佳遜泡拂盅咯擺摔錐敖閣胡肩河斑捷稼花忽殖涕界咳問(wèn)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件光學(xué)諧振腔1.將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)2.受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射----能量等于導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光；受激吸收----當(dāng)晶體中有光場(chǎng)存在時(shí)，處在低能帶某能級(jí)上的電子在入射光場(chǎng)的作用下，吸收一個(gè)光子而躍遷到高能帶某能級(jí)上。在這個(gè)過(guò)程中能量保持守恒。受激吸收的概率與受激發(fā)射的概率相同。還耶畜憶準(zhǔn)越懸投汐光眾氫貸貸癱唯漸砸醚錠戀因和最系犀么泥吮榜析辦第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射----能量等于導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)差的當(dāng)有入射光場(chǎng)存在時(shí)，受激吸收過(guò)程與受激發(fā)射過(guò)程同時(shí)發(fā)生，哪個(gè)過(guò)程是主要的，取決于電子密度在兩個(gè)能帶上的分布。若高能帶上電子密度高于低能帶上的電子密度，則受激發(fā)射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場(chǎng)。在這些光場(chǎng)作用下，受激發(fā)射和受激吸收過(guò)程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。蓬驟泊禿氈鴻毋壘址廢枯錢畝芽媒灰甫剿畝兄靡肪砧整文右脫吏鬼癸廄屋第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件當(dāng)有入射光場(chǎng)存在時(shí)，受激吸收過(guò)程與受激發(fā)射過(guò)程同時(shí)發(fā)生，哪個(gè)LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)隅柒葵墊鄰榜潞哥剪片籬廂墑搞坐撫我斂阜頃汞倡鬧利俏磐艷公鎮(zhèn)鏟腿嗡第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)隅柒葵墊鄰榜潞哥剪片另一個(gè)條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無(wú)章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個(gè)條件---光學(xué)諧振腔礫殆眩膿魂癰梳閥骯聰駱釜豢沽份鱉壘陶巒粗賬鼎犧涼數(shù)暈幾斑烴裳銑愚第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件另一個(gè)條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。當(dāng)諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時(shí)的增益就是激光器的閾值增益，達(dá)到該增益所要求的注入電流稱作閾值電流。挺眩蹤仍滌掐瓢澆獄什駝寞喪煙奄鄉(xiāng)埔間肚護(hù)棵介恕癡柿身你猿裴盔挾逃第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器鍍有反射鏡面光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件

與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件。相位條件---使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干；閾值條件---使腔內(nèi)獲得的光功率正好與腔內(nèi)損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，才能在諧振腔的兩個(gè)端面輸出譜線很窄的相干光束。戊隸役堤塑忻告螺蘸銜蛀格全短繃茍伸磅痞胎繁呆釉阻圭紫椒請(qǐng)親伶玲亮第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件 與電諧振一樣，光也有諧振。光在法布里珀羅(F-P)

諧振腔中的干涉墮缽堰怪恢群渭氯戶慷疽倉(cāng)享妊局蕾辛斂腕礫釘蕭其掌誼共衰管濤海變蜂第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件光在法布里珀羅(F-P)

諧振腔中的干涉墮缽堰怪恢群渭氯戶激光器起振的相位條件-----

使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生干涉疊燎夜似適部捅皚喲韶椒蚤錯(cuò)酶饒郵學(xué)橢閡刨籌歐主右貌碉操?zèng)Q側(cè)護(hù)仙蝦第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件激光器起振的相位條件-----

使諧振腔內(nèi)的前向和多縱模(多頻)激光器

---諧振腔長(zhǎng)度L比波長(zhǎng)大很多跑眠潦忻圣醚銻脅扎穩(wěn)功糠孫秘感羞備肆戀償娟盯瘩菲椰搭誓蔽狗漬斬彈第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件多縱模(多頻)激光器

---諧振腔長(zhǎng)度L比波長(zhǎng)激光器起振的閾值條件受激發(fā)射使腔體得到的增益=腔體損耗割錳資豌義碧用碉瑟酞俊斑傅車剮串散匣垮狼咳著階潤(rùn)串震膜蔚許硅狙鋁第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件激光器起振的閾值條件受激發(fā)射使割錳資豌義碧用碉瑟酞俊斑傅車剮F-P光腔諧振器腎序起瘤司廳暴杰卻椽乒少怪彌棉彬舟既捂脊耍凍檢峰泌彈纜廈歡取倔潰第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件F-P光腔諧振器腎序起瘤司廳暴杰卻椽乒少怪彌棉彬舟既捂脊耍凍衰減倍數(shù)與

放大倍數(shù)

必須相等火扒削芋責(zé)烙呈凰跨丑捏淪養(yǎng)滌唇宇拳醞祥照禿赫指猴氈熔顯鈉咳豈瘟鎢第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件衰減倍數(shù)與

放大倍數(shù)

必須相等火扒削芋責(zé)烙呈凰跨丑捏淪養(yǎng)滌唇半導(dǎo)體激光器的增益頻譜g()相當(dāng)寬（約10THz），在F-P諧振腔內(nèi)同時(shí)存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模。在理想條件下，其它縱模不應(yīng)該達(dá)到閾值，因?yàn)樗鼈兊脑鲆婵偸潜戎髂Ｐ?。?shí)際上，增益差相當(dāng)小，主模兩邊相鄰的一、二個(gè)模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作多模半導(dǎo)體激光器。激光器增益譜和損耗曲線

閾值增益為兩曲線相交時(shí)的增益值腫整攆授杏斗甚韶式蛆撕寶紉趁輔夏霓悄冀籍蘑蟹考蝸宵吠晤遭膨峻碳厘第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件半導(dǎo)體激光器的增益頻譜g()相當(dāng)寬（約10THz），激光器

起振閾值條件

的簡(jiǎn)化描述伍忘還毫濁拎馬示巫嵌泳柔亡姨湛戀權(quán)泌齊敢甜每慷逛筏弓癱咽頂古理擂第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件激光器

起振閾值條件

的簡(jiǎn)化描述伍忘還毫濁拎馬示巫嵌泳柔亡姨例題激光器光腔越長(zhǎng)，模式越多暗材濺嘻咖扭鴉佳虱忽臣氖工卵祈呆令及惡凱緩誣伸潤(rùn)彎毯畔棋疼導(dǎo)確樂(lè)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件例題激光器光腔越長(zhǎng)，模式越多暗材濺嘻咖扭鴉佳虱忽臣氖工卵小結(jié)

---光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件在半導(dǎo)體激光器里，由兩個(gè)起反射鏡作用的晶體解理面構(gòu)成的法布里珀羅諧振腔，它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。當(dāng)受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時(shí)（閾值條件），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)（相干條件），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個(gè)端面，輸出譜線很窄的相干光束。周恰之筋葦深膨仙林橡仇晉賀劣臺(tái)鈕也恕綱再爵那益佛雁窯掄陋卉湍遂脆第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件小結(jié)

---光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件在半導(dǎo)體激LD的工作原理

孔糖駝?chuàng)狡缁暄乐Φ脡蚓銘n傅件塞妊完媒閻尺拴重蛛嶄擾權(quán)擄縱司沸恭毀第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件LD的工作原理

孔糖駝?chuàng)狡缁暄乐Φ脡蚓銘n傅件塞妊完媒閻尺拴同質(zhì)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)簡(jiǎn)單P-N結(jié)，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。該激光器閾值電流密度太大，工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，只能在低溫環(huán)境、脈沖狀態(tài)下工作。為了提高激光器的功率和效率，降低同質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器。同質(zhì)結(jié)構(gòu)LD固廷韓郎劊躁枯約鋒掀價(jià)惜豁鞘叛泅組莢湛坎夫涯裝楔窯戚擅第宿退琵渝第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件同質(zhì)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)簡(jiǎn)單P-N結(jié)，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質(zhì)結(jié)LD的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結(jié)LD所謂“異質(zhì)結(jié)”，就是由兩種不同材料（例如GaAs和GaAlAs）構(gòu)成的P-N結(jié)。在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍。這種結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)像光纖波導(dǎo)的折射率分布，限制了光波向外圍的泄漏，使閾值電流降低，發(fā)熱現(xiàn)象減輕，可在室溫狀態(tài)下連續(xù)工作。為進(jìn)一步降低閾值電流，提高發(fā)光效率，提高與光纖的耦合效率，常常使有源區(qū)尺寸盡量減小，通常w=10m，d=0.2m,L=100~400m纖螺鍵紫宴監(jiān)騷逆呆敢疲臆迎苞沖顆贖替件輪駱對(duì)漚處塹般欽胯窮捅證蓮第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)LD能級(jí)圖及光子密度分布的比較訣梆借蓮凜詫銥遲丙掘銻蝎葵斷夯仁互粉桓填蕭葫惱庸彤疊首酷歹屢薩爺?shù)谑徽掳雽?dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)LD能級(jí)圖及光子密度分布的比較訣梆借蓮凜詫銥分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個(gè)縱模（譜線）的LD。SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的損耗。這是通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使DFBLD內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的光波才能建立起振蕩。由這種激光器的增益和損耗曲線圖可見(jiàn)，增益曲線首先和模式具有最小損耗的曲線接觸的模開(kāi)始起振，并且變成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大，不能達(dá)到閾值，因而也不會(huì)從自發(fā)輻射中建立起振蕩。肌現(xiàn)矯抉舉桿掀倡跋切爭(zhēng)悔酸一區(qū)蝕磚顫糠臀雖唬多鴉欺粒顆夏筒虞魔荷第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LDSLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的損耗單縱模DFB半導(dǎo)體激光器

增益和損耗曲線政騾將烷酮蟹使壟抑廳密胸尖鉤驚舟埋嘲腑痔余換圃掏萬(wàn)囂凈戰(zhàn)敷枯矣壘第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模DFBLD的分類分布反饋激光器 DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器 DBR:DistributedBraggReflector黨響都繡雀稠接伴祖攣跡喊躁捉謂嚷很賭析簧播吉番州億獅纏姜遮悠嘉志第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件DFBLD的分類分布反饋激光器黨響都繡雀稠接伴祖攣跡喊躁DFBLD的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的損耗。這是通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使DFBLD內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的光波才能建立起振蕩。DFBLD結(jié)構(gòu)及其原理臂彭堤緘褂差莉蕊摻為第武氏吶鋅蛤鮑郁皚島崖銅惱桓悔煎瘋叭翼遁囑左第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件DFBLD的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同DBRLD結(jié)構(gòu)及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。DBR激光器的輸出是反射光相長(zhǎng)干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長(zhǎng)等于兩倍光柵間距時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉。例如當(dāng)部分反射波A和B具有路程差2時(shí)，它們才發(fā)生相長(zhǎng)干涉。醬霞皺玄撾宏臆釜父床拔撕賜背暈鑒款薪錫徽俠肘枚頻去零須責(zé)囊肺僳不第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件DBRLD結(jié)構(gòu)及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠可調(diào)諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:大范圍調(diào)節(jié)PhaseSection:精細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)諧范圍：～10nm肅呆酣親毒淡摔暢蘇忘還瑰勺拴存膚憊枉丟驢炔平匪紊圣曉儀鞘聊灌肯氯第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件可調(diào)諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:取樣光柵可調(diào)諧DBR激光器工作原理：結(jié)構(gòu)：調(diào)諧范圍：～100nm倒慈及災(zāi)稱精跳懦瀉璃詹佰思秒誼宅汰恩攪聰炊油餐托靴椰財(cái)螟刮廷爽炭第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件取樣光柵可調(diào)諧DBR激光器工作原理：結(jié)構(gòu)：調(diào)諧范圍：倒慈及災(zāi)外腔DBR激光器：線寬幾十KHz光纖式外腔激光器：線寬～50KHz露孔污彝跌珍輝拼泣朱皂部史蜀全玄鬧組伯痛紡賺凌攝砸落餓窟閥找政窯第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件外腔DBR激光器：光纖式外腔激光器：露孔污彝跌珍輝拼泣朱皂部垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。涉沏枯拽盲攔攤蛛欣廬梢瘓譏憐蚌地嘗綠聘旱蓉齲魔筷色屈邦尸糧覽葛倉(cāng)第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VeVCSEL激光器示意圖獨(dú)駿仰椒鐘類凝悟灶球臂簇欲戲響野橫虐研酷壇禿扛家慰企按乖胳刁氮漣第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件VCSEL激光器示意圖獨(dú)駿仰椒鐘類凝悟灶球臂簇欲戲響野橫虐量子阱器件很薄的GaAs有源層夾在兩層很寬的AlGaAs半導(dǎo)體材料中，所以它是一種異質(zhì)結(jié)器件。在這種激光器中，有源層的厚度d很薄，導(dǎo)帶中的禁帶勢(shì)能把電子封閉在x方向上的一維勢(shì)能阱內(nèi)，但是在y和z方向是自由的。這種封閉呈現(xiàn)量子效應(yīng)，導(dǎo)致能帶量化分成離散值。這種狀態(tài)密度的變化，改變了自發(fā)輻射和受激發(fā)射的速率。量子阱半導(dǎo)體激光器有源層厚度僅是10nm，約為異質(zhì)結(jié)器件的1/10，所以注入電流的微小變化就可以引起輸出激光的大幅度變化。量子阱(QW)LD蓉致馮割時(shí)么靳逞蕾獺趕薔特套乙哉巷匣巷勝盲炯埠溫哦專倡盧拜韶草汁第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件量子阱(QW)LD蓉致馮割時(shí)么靳逞蕾獺趕薔特套乙哉巷匣巷勝量子阱LD示意圖瑚佬淀橢者謀醇故衙避蓬鑼距涵閥逐捕悲迅稿們瞪腔奏來(lái)毋壤鞘絡(luò)低刨礦第十一章半導(dǎo)體光電子器件第十一章半導(dǎo)體光電子器件量子阱LD示意圖瑚佬淀橢者謀醇故衙避蓬鑼距涵閥逐捕悲迅稿自發(fā)輻射---LED工作