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1、光电器件基础讲义中研传输业务部 汪微1 概述光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作的关键。光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在 10 微瓦到数毫瓦之间。第三，光源庆具有高度可靠性，工作寿命至少在 10 万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电光转换效率不应太低，否
2、则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。2 光电器件原理2.1 半导体中光的发射和激射原理2.1-1 半导体价带、导带、带隙与发光半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立
3、的能级变成了能带。与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。价带上面的能带称为导带。在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。把导带底的能量记作 EC，把价带顶的能量记作 EVO 在 EC 和 EV 之间是不可能有电子的，故称为禁带。把 EC 与 EV 之差记作 Eg，称为禁带宽度或带隙。如果 Eg 较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg 很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导
4、体材料的Eg=0，因此它表现出良好的导电性能。半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，因而它的导电能力也介于两者之间。当价带中一个电子被激发到导带中，在价带中就留下了一个电子的空位。在电场的作用下，价带中邻近的电子就会填补这个空位，而把它自己的位置空出来，这就好象空位本身在电场的作用下产生移动一样。空位的作用好象一个带正电的粒子，在半导体物理学上把它叫作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。反之，导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，在价带中填补一个空穴，把这一过程叫做复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度 Eg 的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释
5、放出一个频率为： Ehg的光子，其中 h 是普朗克常数（6.62510-34 焦耳秒） 。不同的半导体单晶材料的 Eg 值不同，光发波长也不同，因为电子和空穴都是处于能带之中，不同的电子和空穴的能级有所差别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于 。 2.1-2 半导体掺杂、P 型半导体和 N 型半导体上面说到的都是纯净、完整的理想半导体单晶的情况。在实际的半导体单晶材料中，往往存在着与组成晶体的基质原子不同的其它元素的原子杂质原子，以及在晶体形成过程中出现的各种缺陷。进行材料提纯，就是为了去除有害杂质。进行各种处理，就是为了消除或减少某些缺陷。但是，在实际应用中，我们还要有意识地在晶体中掺入
6、一定量的有用杂质，这些杂质原子对半导体起着极为重要的作用。我们知道，按照掺杂的不同，可以得到电子型半导体和空穴型半导体材料。所谓本征半导体，是指含杂质和缺陷极少的纯净、完整的半导体。其特点是，在半导体材料中，导带电子和数目和价带空穴的数目相等。通常把本征半导体叫做 I 型半导体。所谓电子型半导体就是通过故意掺杂使用导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。例如，在纯净的 IIIV 族化合物 GaAs 中掺入不量的 VI 族元素 Te，Te 原子取代晶体中的 As 原子，这样就得到了电子型半导体。Te 原子的外层有六个价电子， As 原子的外导有五个价电子，在形成共价键时每个 Te 原子向晶
7、体提供一个电子，因而导带内就有许多电子，这种电子型半导体亦称为 N 型半导体。所谓空穴型半导体，就是通过故意掺杂使价带空穴的数目比导带电子数目大得多的半导体。例如，在纯净的 IIIV 族化合物 GaAs 中掺入少量的 II 族元素 Zn。Zn 原子取代晶体中的 Ga 原子，这样就得到了空穴型半导体。Zn 原子的外层有两个价电子，Ga 原子的外层有三个价电子，在形成共价键时每个 Zn 原子向晶体索取一个电子，即向晶体提供一个空穴，因而价带内就有许多空穴，这种空穴型半导体也叫做 P 型半导体。理论分析和实验结果表明，半导体的物理性质在很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。更重要的是，把不同类型的半
8、导体结合起来，就可以制作成各种各样的半导体器件，当然也包括这里要讲的激光二极管和发光二极管。请注意，这里所说的“结合” ，并不是简单的机械的接触，而是在同一块半导体单晶内形成不同类型的两个或两个以上的区域。2.1-3 半导体 p-n 结和 p-n 结光源P 型半导体与 N 型半导体结合的界面称为 p-n 结，许多半导体器件（包括半导体激光器）的核心就是这个 p-n 结。前面提到，在 P 型半导体内有多余空穴，在 N 型半导体内有多余电子，当这两种半导体结合在一起时，P 区内的空穴向 N 区扩散，在靠近界面的地方剩下了带负电的离子，N 区内的电子向 P 区扩散，在靠近界面的地方剩下了带正电的离子
9、。这样一来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域，叫做空间电荷区。由这些相反电荷形成一个自建电场，其方向是由 N 区指向 P 区。由于自建电场的存在，在界面的两侧产生了一个电势差 VD，这个电势差阻碍空穴和电子的进一步扩建，使之最后达到平衡状态。因此，我们把 VD 叫做阻碍空穴和电子扩散的势垒。如图 2.1 所示的 p-n 结及能带，显然，P 区的能量比 N 区的提高了 eVD，其中 e 是电子的电荷量。如图中所示：对于轻掺杂的 p-n 结，eVDEg。理论分析表明，可以利用一个能级 EF（称为费米能级）来描述电子和空穴分布的规律。对于 EF 以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可
10、能性大于 1/2。在平衡状态下，P 区和 N 区有统一的费米能级。对于 P区，因为晶体内有许多空穴，所以价带顶在费米能级附近。对于 N 区，因为晶体内有许多电子，所以导带底在费米能级附近。这样一来就画出了图 2.1(a)所示的能带图。半导体 p-n结光源包括半导体发光二极管与半导发光二极管与半导体激光器，它们都是正向工作器件。当把正向电压 V 加在 p-n 结上时，抵销了一部分势垒，势垒高度只剩下了（ VDV）的数值，如图 2.1(b)所示。外加的正向电压破坏了原来的平衡状态， P 区和 N 区的费米能级分离开来。这时，可以用两个所谓的准费米能级来描述电子和空穴分布的规律。把 N 区的准费米能
11、级记作（E F） N，对于（E F） N 以下的能极，电子占据的可能性大于 1/2。把 P 区的准费米能级记作（E F） P，对于（E F） P 以上的能级，空穴占据的可能性大于 1/2。当把足够大的正向电压加在 p-n 结上时， P 区内的空穴大量地注入 N 区，N 区内的电子大量地注入P 区。这样一来，在 P 区和 N 区靠近界面的地方就产生了复合发光。在激光物理学中，材料的光子吸收、自发发射和受激发射可以由图 2.2 的两能级图来表示。图中 E1 是图 2.1 p-n 结能带图基态能量，E 2 是激发态能量。按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉及到发射或吸收一个能量为 h 12E 2E
12、 1 的光子。一般情况下系统处于基态。当能量为的 h 12 光子射入，能态 E1 中的某个电子能够吸收光子能量，并激发到能态 E2，如图 7.2 所示。由于 E2 能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到图 2.2 光子吸收的三种形式E2h 12E1E2(相同)(c) 受激发射(b) 自发发射(a) 吸收h 12E1E2h 12h 12E1自建电场NP-+-+NP有源区-+EF电子多(轻掺)(轻掺)空穴多Eg电子多(重掺)(重掺)空穴多(b)(a)EF(EF)N(EC)N(EF)P(EV)N(Ec)P(Ev)PeVD Eg基态，从而发射出一个能量为的 h 12 光子。这个过程是在无外部激励的情
13、况下发生的，因此称为自发发射。这种发射是各向同性的，并且其相位是随机的，表现为非相干光输出。另外一种情况是，暂时停留在 E2 上的电子，由于外部了激励向下跃迁到基态，如图 2.2(c )所示。当有一个能量为 h 12 的光入射到系统时，电子会立即受到激励向往下跃迁到基态，同时释放出一个能量为 h 12 的光子。发射出来的这个光子与入射光子是同相位的，这种情况称为受激发射。在热平衡状态下，受到激发的电子的密度非常小，入射于系统的大多数光子都会被吸收，受激发射可以忽略，材料对光能量来说是消耗性的。仅当激发态中的电子数大于基态中的电子数时，受激发射才会超过吸收。这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。
14、粒子数反转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来使材料达到这种状态。对于图 2.1 所示的 p-n 结，正向通电注入电子填满那些较低能态，即能实现粒子数反转，该材料原来对光是吸收的进而变为对光具有放大作用了。半导体激光器中，在电泵浦使用下能够对光有放大作用的区域称为有源区，其实就在图 2.1 所示的 p-n 结附近。我们知道，高频电子 LC 振荡器就是利用电子放大器和正反馈结合而产生的。半导体激光器的激光振荡也是由光放大与正反馈结合而产生。招图 2.3 所示，处于粒子反转状态的有源区对某波长光有放大作用。设有微弱的光由左向右传输，在光放大作用下逐渐增强，到达右镜面立刻反射到左传输又
15、再逐渐增强，到达左镜面反射而形成正反馈过程。显然，只有在传播方向与镜面垂直的一部分光才能够在镜面的帮助下实现放大反馈，当这个放大反馈环路的光增益足以抵消一切光损耗时，就在谐振腔内建立了等相面与反射镜面平等的驻波，这就是说产生了激光振荡了。如图 2.1 所示的 p-n 结，当未注入电流时，其材料对光呈现吸收性，当注入电流较小时，p-n 结开始发光，电流继续增加，光放大增强，放大反馈环路的增益一旦超过损耗，就产生振荡，半导体激光器就由自发发射状态转入激射状态，此时的注入电流称阀值电流。 左 镜 面 右 镜 面激 光 束激 光 束 处 于 粒 子 反 转 状 态 下 的 材料反 射 率r 1反 射
16、率r 2图 2.3 平面谐振腔谐振腔长 2.2 光电探测器原理2.2-1 p-n 结的光电效应当 P 型半导体和 N 型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合） ，能构成一个p-n 结。在 P、 N 型半导体的交界面将发生载流子相互扩散的运动： P 型中的空穴远比 N 型材料多，空穴将从 P 区扩散到 N 区；同样 N 型材料中的电子远比 P 型材料的多，也要扩散到 P 区。达到平衡时，这些向对方扩的载流子将积聚在 P 区、N 区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如图 2.4 所示。空间电荷区内，因多数载流子（指 P 区中的空穴，N 区中的电子）几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场 Ei,以入接触电势或势垒 Vd。Ei 或 Vd 的存在阻止多数载流子继续对方扩散，达到平衡状态。如果 p-n 结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子空穴对，并且受内电场Ei 的加速，空穴顺 Ei 方向漂向
