2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：半導(dǎo)體激光

半導(dǎo)體激光

12半導(dǎo)體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光比較：共性：方向性很強的單色光束，譜線較LED的窄。不同之處：半導(dǎo)體激光較其他激光體積小；在高頻時易于調(diào)制，只需要調(diào)節(jié)偏電流即可。應(yīng)用：光纖通信中的光源，錄像機、光學(xué)刻錄機及高速激光打印機等?；A(chǔ)研究與技術(shù)領(lǐng)域，高分辨率氣體光譜學(xué)及大氣污染監(jiān)測等。都具有直接禁帶：動量守恒，輻射性躍遷幾率較高，量子效率高。激光半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體激光3光子和固體內(nèi)電子間三種主要的相互作用過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。原子內(nèi)的兩個能級E1（基態(tài)）和E2（激發(fā)態(tài)），hν12=E2-E1。激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，經(jīng)短暫時間后，無外來激發(fā)就跳回基態(tài)，并放出一個能量為hν12的光子，這個過程稱為自發(fā)輻射[圖(b)]。能量為hν12的光子撞擊一原本在激發(fā)態(tài)的原子[圖(c)]，使得此原子轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并放出一個與入射輻射同相位（相干）、能量為hν12的光子（單色）。此過程稱為受激輻射。4發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管則是受激輻射，而光探測器和太陽能電池的工作過程則是吸收。假如光子受激輻射>光子吸收，則電子在較高能級的濃度會>在較低能級的濃度。這種情況稱為分布反轉(zhuǎn)，因其與平衡條件下的情況恰好相反。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。受激輻射遠(yuǎn)比自發(fā)輻射和吸收來得重要。半導(dǎo)體被光照射，如果hν=Eg，則半導(dǎo)體會吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，如(a)所示。若hν>Eg，則除產(chǎn)生電子-空穴對外，(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。(a)與(b)的過程皆稱為本征躍遷（能帶至能帶的躍遷）。若hν<Eg，則只有在禁帶中存在由化學(xué)雜質(zhì)或物理缺陷所造成的能態(tài)時，光子才會被吸收，如(c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE55金-半接觸可分為兩種形式：整流性與非整流的歐姆性。金半接觸當(dāng)金屬與半導(dǎo)體緊密接觸時，兩種不同材料的費米能級在熱平衡時相同；此外，真空能級也必須連續(xù)。這兩項要求決定了理想金半接觸的能帶圖，如圖所示。理想狀況下，勢壘高度q

Bn為金屬功函數(shù)與電子親和力之差。圖中的半導(dǎo)體側(cè)，Vbi為電子由半導(dǎo)體導(dǎo)帶上欲進入金屬時遇到的內(nèi)建電勢。qVn為導(dǎo)帶底與費米能級間的距離。6肖特基勢壘指一具有大的勢壘高度（即

Bn或

Bp>>kT/q），以及摻雜濃度比導(dǎo)帶或價帶上態(tài)密度低的金屬-半導(dǎo)體接觸。工作在適當(dāng)溫度（300K）的肖特基二極管，其主要傳導(dǎo)機制是半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射越過接觸勢壘而進入金屬中。肖特基勢壘

正常工作情況下，少數(shù)載流子電流大小比多數(shù)載流子電流少了幾個數(shù)量級。因此，肖特基二極管被視為單極性器件，亦即主要由一種載流子來主導(dǎo)導(dǎo)通的過程。金屬-半導(dǎo)體接觸的接觸電阻相對于半導(dǎo)體主體或串聯(lián)電阻可忽略不計時，被定義為歐姆接觸。良好的歐姆接觸不會嚴(yán)重降低器件性能，且通過電流時所產(chǎn)生的電壓降比降落于器件有源區(qū)的電壓降要小。歐姆接觸7金半場效應(yīng)晶體管（MESFET）具有三個金屬-半導(dǎo)體接觸。其中，一個肖持基接觸作為柵極，兩個當(dāng)作源極與漏極的歐姆接觸。MESFETMESFET原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。源極接地，柵極電壓與漏極電壓以源極為參考。正常情況下柵壓為零或是反偏，而漏極電壓為零或正偏，即VG≤0而VD≥0。溝道為n型材料稱為n溝道MESFET。大多數(shù)應(yīng)用是采用n溝道MESFET而非p溝道MESFET，因為n溝道器件具有較高的電子遷移率。8注意各種結(jié)構(gòu)的能帶圖書中所提到的物理參數(shù)的符號要能看得懂作業(yè)3）.在處利用，并用，，得到＝求得4）.把整個基區(qū)復(fù)合電流取為這樣，根據(jù)基區(qū)輸運因子的定義便得到式中采用了以下近似：對于y

1，有。把式（4）代入式（6）并使用，便得到（5）（7）2．利用和之間的關(guān)系證明：式中證明：

3．根據(jù)基區(qū)電荷控制方程導(dǎo)出：解：在（2-107）式中，用代替（0），用代替，并用代替，便得到正常有源模式的基區(qū)電荷控制方程

在穩(wěn)態(tài)條件下，依賴于時間的項取為零?；鶚O電流可表示為（3-63）其中：把使晶體管進入飽和的基極電流表示成，當(dāng)進入飽和時，總電荷為，電荷控制方程變?yōu)槭街袨檫^量的電荷存貯量，為與去除相關(guān)的時間常數(shù)。當(dāng)突然把基極電流從改變到時過量電荷開始減少，但有源電荷在和之間保持不變。于是在這段時間內(nèi)可以令（1）以及（2）于是有：或

（3）（3）式即貯存電荷所滿足的微分方程。在時，令方程（1）中的時間依賴項為零，并利用（2）式得到過量電荷為：這是方程（3）的初始條件。方程（3）的解為：在時，全部過量少數(shù)載流子被去除掉，。因此求得4．導(dǎo)出基區(qū)穿通電壓基區(qū)穿通時取BC結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)擴展的寬度近似為冶金結(jié)寬度

，忽略BE結(jié)在零偏和正偏時的SCR寬度，則

（4）

（5）（6）（見習(xí)題2.5）擊穿時，則

科爾克（Kirk）效應(yīng)在平面型外延晶體管中，外延層的摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度。因而，集電結(jié)耗盡層大部分向外延層內(nèi)擴展，由于耗盡層含有正電荷的固定離子。當(dāng)發(fā)射極電流增加時，