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1、兰州大学 硕士学位论文 光电子器件的PSPICE电路模型和数值模拟 姓名：李霞 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：杨建红 20030501 摘要 光电子器件是现代半导体器件的一类重要器件，具有许多 优点，在光通讯领域发挥着越来越重要的作用。为了给器件设 计和研究提供有效的指导，通过建立器件的电路模型对器件特 性进行模拟分析成为一种重要的手段。本文主要以发光二极管 ( L E D ) 和半导体激光器( L D ) 为研究对象，把光学回路作为电学回 路处理，作为整个电路的一部分，建立起电路模型，选择合适 的模型参数( 受激辐射复合率、自发辐射复合率、光子寿命、 器件尺寸等) ，给出它
2、在P S p i e e 中的子电路描述，并应用P S p i c 对其特性进行了模拟研究。首先根据描述器件性能的载流子密 度速率方程和总光子密度速率方程，建立了L E D 和L D 的电路 模型，在电路模型中较为充分地考虑了器件的结构参数和材料 参数与器件的性能之间的关系，并应用M i c r o S i m 软件详细地分 析了光通信用发射波长为0 9 , t u n 的G a A l A s G a A sL E D 、13 n n I n G a A s P I n PL E D 、1 3I n n I n o G a o 蕊A s 0 6P 0 4 I n P 双异质结构激光 器( D
3、 H L D ) 、1 5 5 a nI n o G a 1 9 A s 0 雠R1 0 2f l n PD H L D 的光输出特 性、频率响应特性、大信号调制特性，给出特性模拟结果，与 实验结果对比、分析，得到很好的一致，从而证明了模型的合 理性和精确性。用多瞬态分析法建立器件特性与参数之间的联 系，寻找提高器件性能的方法，为器件的研究提供一种新方法。 对实验研究起到指导作用。 A B S T R A C T L i g h tE m i t t i n gD i o d e ( L E D ) a n d l a s e rD i o d e ( L D ) a r eat y p eo
4、 f i m p o r t a n t s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s T h e s e o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s h a v es h o w e dp r o m i s i n gp r o p e r t i e sa n dh a v eb e e nu s e di nm a n y f i e l d s e s p e c i a l l y i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s I no r d e
5、 rt o g i v ea ne f f e c t i v er e f e r e n c ea n dg u i d et ot h ed e s i g na n da n a l y s i so f c i r c u i t si n v o l v i n go p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，a l li m p o r t a n tm e t h o di st o s i m u l a t et h ec i r c u i t s b ys e e t i n gu pd e v i c e m o d e l s
6、T h i st h e s i s f o c u s e so nt h ec i r c u i tm o d e la n ds i m u l a t i o no f L E D sa n dL D s I nt h i st h e s i s 。0 9 g nG a A l A “G a A s L E DA n d1 3 脚 I n G a A s W l n PL E Da r es t u d i e d ，1 3 ，删n 0 7 4 G a 0 2 6 出0 6 I n Pd o u b l e h e t e r o s t r u c t r u e1 a s e
7、r d i o d e ( D H - L D ) a n d1 5 5删 n o5 9 1 G 口0 4 1 9 “s o m P 0 1 0 2 1 1 1 P D H L Da r ea l s os t u d i e d t h eo p t i c a lp o w e r a n dt h em o d u l a t i o nr e s p o s ea n dt h e f e r e q u e n c yr e s p o n s e w a s g i v e n A na n a l y t i c a lm o d e li s s e tu pb a s e d
8、o nt h er a t ee q u a t i o no f t h ed e n s i t yo fc a r r i e r sa n do p t i c s ，a n di m p l e m e n t e di nM i c r o S i ma S as u b c i r c u i t t h es i m u l a t i o nr e s u R sa c c o r dw i t he x p e r i m e n tr e s u l t s W oc o n s i d e r e dt h ea s s o c i a t i o na m o n g
9、t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d e v i c e sa n dt h ep a r a m e t e r si nt h ec i r c u i tm o d e lo fd e v i c e s ，a n d 也e p a r a m e t e r so f d e v i c e s Ss t r u c t u r ea n dt I l ep a r a m e t e r so fm a t e r i a l so f w h i c ht h ed e v i c em a d e W i t hm u l t i t r
10、 a n s i e n ta n a l y s i sm e t h o dw e e s t a b l i s h e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c ea n d t h ep a r a m e t e r s a n ds e e k s 血em e 也o dt or a i s et h ed e v i c e sf u n c t i o n I tp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h er e s e
11、 a r c ho ft h ed e v i c e s ，a c t st h e g u i d a n c ee 仃e c tt ot h ee x p e r i m e n t 引言 在光通信和光信息领域内，半导体器件的应用越来越广泛，出现了许 多具有优异特性的半导体光电器件，对光电子学的发展起到举足轻重的作 用。随着半导体工艺的改进和新材料的开发，半导体器件将在光电子学领 域起到越来越重要的作用。可以说，光电子学的发展离不开新型光电子功 能器件的发展，离不开尖端技术的发展。 计算机辅助设计( C A D ) 是大规模集成电路( L S I ) 和超大规模集成电路 ( V L S
12、I ) 设计的重要手段，可以预言，随着集成光电子学的不断发展，光电 集成回路( O E I C ) 计算机辅助设计也必将成为推动O E I C 加速发展的重要 手段，它在缩短设计周期，减少资源耗费，提高器件性能，加速开发进程 方面将起着重要作用。 电路级模拟作为C A D 中的一个重要环节，是预测电路性能，检验电 路设计正确性的有力工具。本文着重于半导体发光二极管和半导体激光器 的电路级模拟。 光电子器件与微电子器件不同，众所周知，电学量一般以“流”的概 念来处理，而光学量一般采用“波”的处理方法。同样可以用微电子电路 的模拟方法模拟O E I C ，关键在于如何构造光电子器件的电路模型。无论
13、 是作为O E I C 核心器件的半导体激光器( L D ) 还是其它发光器件和光探测 器件，都可以用一组速率方程来描述其性能。其本质就是求解关于时间的 一阶微分方程。也就是说，如果光电子器件的性能可以用关于时间的一阶 微分方程( 组) 来描述，那么光电子器件就一定可以写成一个等效电路。 要想用微电子电路模拟分析方法对O E I C 进行电路级模拟分析，首要 问题是建立能充分反映光电子器件性能并可用纯电学元件等效的光电子 器件电路模型。 对半导体器件定模通常有两种方法，一种是从器件的实际结构出发， 分析器件所包含的子功能器件及其连接关系来获得电路模型的拓扑结构， 另一种方法是直接从描述器件性能
14、的物理方程出发，通过适当的整理得到 等效电路模型，光电子器件的定摸大多数采用后一种方法。本文就是采用 这种方法。并利用建立的模型来进行分析设计。 兰州大学硕士学位论文第一章光电子器件及其工作原理 第一章光电子器件及其工作原理 半导体器件种类很多，光电子器件主要包括：发光二极管( L E D ) ，半 导体激光器( L D ) ，光探测器和太阳电池。本文通过建立L E D 和L D 的电 路级模型，应用P S p i c e 软件进行模拟计算来研究其特性，下面我们介绍 这两种器件。 发光二极管( L E D ) 是一个能自发辐射紫外光、可见光及红外光的p - n 结。P N 结二极管加上正向偏压
15、后，少数载流子复合，能量以光子形式放 出，将电子能量转换为光能，实现发光，这是种利用自发辐射制成的器 件，称为发光二极管。选择辐射复合效率高的半导体材料做成P N 结，经 过光刻电极、引线、封装等工艺就做成了发光二极管( L E D ) 。发光二极 管的发光规律与温度没有直接的关系，属于冷光源。 第一代L E D 光纤系统采用G a A l A sL E D 作光源，其发射波长为 0 8 5 。0 9 g n ，在这一波长范围内石英光纤对光的损耗和色散比较高，传 输距离小于4 k m ，调制速率小于5 0 M b i t s 。第二代系统采用I n G a A s PL E D 作光源，发射波
16、长1 3 g n ，石英光纤对这个波长具有较低的损耗和最小的 色散，传输距离达几十公里，调制速率可达几百M b i t s 。 半导体激光器又叫激光二极管，它是利用少数载流子注入产生受激发 射的器件。L E D 和L D 虽然都是发光器件，但它们有本质的区别，L E D 依靠自发辐射发光，L D 依赖其本身固有的光放大及腔的谐振选频作用发 射相干光。和所有的激光器一样，半导体激光器必须具备三个条件：粒子 数反转、共振腔和激励源。至今半导体激光器几乎已经是光纤通信系统中 的唯一光源。 1 1 半导体发光器件的结构和材料 1 1 1 发光二极管的结构和材料 L E D 主要有表面出光和端面出光两种结构。尽管两种结构的出光方 式不同，但它们的发光机理是相同的。我们后面的模型适用于这两种结构。 本文介绍光通信用的波长为0 9 呲n 和1 3 p r n 的L E D 的结构。 兰州大学硕士学位论文第一章光电子器件及其工作原理 光 巾) 图1 1 表面出光L E D 的结构
