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1、 为什么在同质结LED中，应该使电子注入电流尽量大，空穴注入电流 尽量小，或者说用P区作为出光区，而在异质结LED中，并不需要这样做？ 2.22.2节思考题节思考题 1 1 : : 同质结LED为提高注入效率，应采用P区作为出光区，使电子注入电流 尽量大，空穴注入电流尽量小； 在异质结LED中，N区和P区分别向有源区注入电子和空穴，且有源区两 边异质结的势垒可限制注入该区的两种载流子；电子和空穴复合产生的光子 ，无论从P区还是N区出射，都不会被吸收，因此并不局限在以P区作为出光 区。 同质结LED的注入效率： 思考题思考题 2 2 : :与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光 纤之
2、间的耦合效率更高？ 对于普通面发射LED，由于在水平和垂直方向都没有限制 ，因此其水平和垂直方向的散射角都为120； 而对于边发射LED，虽然平行于结平面方向没有限制，水 平散射角虽仍是 120；但在垂直于结平面方向对光有限制，其 垂直散射角是 30，因此边辐射LED与光纤之间的耦合效率更 高。 P-N+型同质结构成的LED，参数如下。计算其注入效率。 【习题2.1】 【解】 少子浓度为 扩散长度为： 注入效率为： 【习题2.2】 一个LED，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿 命为2ns，非辐射复合寿命为5ns，求此LED的3dB截止带宽。 【解】 【习题2.3】 P-N+型同质结构成
3、的LED，参数与习题2.1相同，其 产生光功率为1mW，器件横截面积为1 mm2，辐射效率为20%。 求正向偏置电压。 （工作温度300 K） 【解】 【习题2.4】在GaAs-LED外加圆形电介质罩，光束由LED向电介 质罩出射时，在界面的反射率为10%，计算此电介质罩材料的折射 率。 电介质罩材料的折射率n 从半导体材料到电介质罩的反射率R为 【解】 【习题2.5】GaAs材料制作的P-N+同质结LED，器件参数如下。请计算： （1）总量子效率； （2）单位时间内产生的光子数； （3）注入电流。 （1）总量子效率； （2）单位时间内产生的光子数 （3）注入电流 或 【解】 【习题2.6】
4、GaAs材料的LED，输出功率为5 mW，横截面积 100um2，器件出光效率为0.2，载流子的辐射复合寿命为5ns。器 件的非辐射复合忽略不计，注入效率为1。计算有源层厚度是多 少。 （题目中取n=1018cm-3 ） 【解】 2.3节思考题: 1. 激光器的基本结构由哪几部分组成？ 半导体激光器有什么突出特点？ 激光器的基本组成部分: uu 增益介质增益介质 uu 谐振腔谐振腔 uu 泵浦源泵浦源 u 结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性； u 半导体激光器的驱动电源也较简单，需要的电流、电压均很小， 因此工作较方便和安全。 优点： 2. 什么是半导体激光器的阈值条件? 阈值
5、条件：光子在谐振腔内往返一次，不产生损耗而能维持稳定的振 荡或形成稳定的驻波。 3. 光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。 阈值振幅条件 相位条件 4. 阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？ 阈值增益： 尽量减少光子在介质内部损耗、适当增加增益介 质的长度和对非输出面镀以高反射膜。 降低LD的阈值增益： 5. 激光器的纵模间隔是多少？ 纵模波长间隔 纵模频率间隔 忽略色散： （2.4节）1为什么同质结激光器不能在室温下连续工作？为什 么其光场分布相对于结平面不对称分布？ （1）同质结LD有源区的厚度主要由p区电子的扩散长度所决 定；而它是随温度的增加而增加的，室温时的Ln可达
6、5微米。 在如此厚的有源区内实现粒子数反转，需要大的注入载流子 浓度； 在一个Ln范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展 ； 所以，同质结LD阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变 化。同质结室温下的阈值电流密度高达104A/cm2量级，只能 在液氮温度下才能连续工作； （2）结附近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光 波导效应，但由于电子有比空穴高的迁移率因而有大的扩散 长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向p区一侧。 作业: 教材138页第1-3题 答： 答： （1）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加； （2）因为在侧向对电子和光场也有限制，有利于减少激光器的 阈值电流
7、和工作电流； （3）由于有源层被埋在导热性能良好的无源晶体中，减少了激 光器的热阻，有利于提高激光器的热稳定性。 （4）由于有源区面积小，有源层缺陷少。同时，除解理面外， 有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性。 （5）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。 （2.5节）2条形半导体激光器有哪些优点？为什么？ （2.5节）3在条形半导体激光器中测向电流扩展和侧向载 流子扩散在物理概念上有何不同？如何减少这两种影响？ 答：电流与载流子的侧向扩展都是载流子运动的结果，但前者 是pn结间多数载流子在电场作用下侧向的漂移运动，而后者是注 入的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度
8、使其产生 侧向扩散。 为减少侧向电流扩展，必须形成良好的电流通道。可用质子 轰击或氧注入的方法在所需的电流通道区两侧形成高阻区；也可 用深锌扩散的方法使所需的电流通道区相对于两侧形成低阻区， 更有效的方法是采用反向pn结阻止电流的扩展。 为防止载流子的侧向扩散，可采取以下措施： （1）限制注入电流的侧向扩展； （2）在有源区两侧侧用pn同质结势垒限制载流； （3）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。 （2.4节）1、描述单异质结半导体激光器的结构。解释说明其 相对于同质结的优越性。并说明其缺点。 答：单异质结半导体激光器由一个同质结和一个异质结构成，有源 层（p-GaAs）被夹在（n-G
9、aAs）和宽带隙材料（P-GaAlAs）之间。 从n-GaAs注入p-GaAs的电子就会受到p-GaAs/P-GaAlAs异质结势 垒的限制，在同样的注入速率下，这将使有源层积累的非平衡少数载 流子浓度增加；同时异质结两边材料的折射率差所形成的光波导效应 ，限制了有源区中所激发的光子从横向逸出该异质结而损失掉；单异 质结已使激光器的阈值电流密度比同质结激光器低一个数量级。 pn同质结对注入有源层的空穴向n区扩散没有限制，同时对光子 也只有很弱的光波导效应。因此，为了达到粒子数反转所需的载流子 浓度，仍需在n区重掺杂（341018/cm3） 作业: 补充1-3题 （2.4节）2、描述双异质结半导
10、体激光器的结构。并简要说明其 优点。 答： 双异质结半导体激光器的结构：有源层p-GaAs被夹在宽带隙材料 P-GaAlAs和N-GaAlAs之间。 优点：由于利用双异质结对载流子和光子的限制作用加强，阈值电流密 度比单异质结结构下降了近一个数量级； 双异质结结构上的对称性，带来了折射率和光强分布的对称性。 （2.4节） 3、目前对异质结半导体LD的研究主要集中在哪些方面？ 答：（1）提高激光器工作寿命，研究激光器性能退化和失效 的机理，提高激光器长期工作的稳定性与可靠性，发展各种条形 结构的激光器，降低阈值电流。 （2）扩展半导体激光器的工作波段。 （3）压缩半导体激光器输出光谱宽度（线宽）和适用在高速 调制下的单纵模工作（即动态单纵模）。 （4）提高半导体激光器的输出功率和输出光束的相干性，使 光子从信息领域扩展到以光子为能量载体的材料加工领域。 2.5-4、条形激光器按在侧向的波导机构可以分为那两类？ 有什么区 别？ 答：条形激光器按它们在侧向的波导机构分为两类，即增益波导与折射 率波导。 增益波导是半导体芯片纵向中心区域内形成一注入电流的通道，使有 源层中心部分的增益（或复介电常数的虚部）高于其两侧； 侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射率差来实现的。
