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1、第四章 光 源,主要内容,半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD),4.1 光源的物理基础,半导体物理原子的能级、能带以及电子跃迁自发辐射与受激辐射半导体本征材料和非本征材料,原子核,电子,高能级,低能级,孤立原子的能级,围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。,电子优先抢占低能级,N个原子构成晶体时的能级分裂,N = 4,N = 9,当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带,满带：各个能级都被电子填满的能带,禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性,能带的分类,空带：所有能级都没有电子填充的能带,价带：由最外层价
2、电子能级分裂后形成的能带,未被电子占满的价带称为导带,禁带的宽度称为带隙,导体、绝缘体和半导体,导体：(导)价带电子,绝缘体：无价带电子禁带太宽,半导体：价带充满电子禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,光作用下的跃迁和辐射,E2 - E1 = hv,E1,E2,(a) 受激跃迁,hv,E1,E2,(b) 自发辐射：非相干光,hv,E1,E2,(c) 受激辐射：相干光,hv,hv,hv,N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数)N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数)(1) N1 N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰
3、减。(2) N2 N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。,半导体粒子分布状态,问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?,硅的晶格结构,硅的晶格结构 (平面图),本征半导体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现,E,此时外加电场，发生电子/空穴移动导电,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg = 1.1 eV,电子态数量,空穴态数量,电子浓度分布,空穴浓度分布,空穴,电子,本征半导体的能带图,电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁,电子或空隙的浓度为:,其中 为材料的特征常数,kB 为玻耳兹曼常数me 电子的有
4、效质量mh 空穴的有效质量,本征载流子浓度,例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg， me = 0.068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3,As+4,As+5,非本征半导体材料：n型,掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。,施主杂质,施主能级,被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级
5、位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,非本征半导体材料：p型,掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA 漂移,n型,p型,电致发光,正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光,外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光,hv,直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接
6、带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。,发光材料的选择,例子：光源硅集成还在探索中,Luxtera 410-Gb/s光收发器照片,主要内容,半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD),4.2 发光二极管 (LED),原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED：1. 驱动电路简单2. 不需要温控电路3. 成本低、产量高缺点：4. 输出功率不高：几个毫瓦5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输,同质pn结,存在的问题：增益区太厚(110 mm)，很难把
7、载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度无法对产生的光进行有效约束,同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：- 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能- pn结区的完全由载流子的扩散形成,双异质结构,异质结,0.3 mm,不连续的带隙结构加强对载流子的束缚,不连续分布的折射率加强对产生光子的约束,面发光二极管,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,边发光二极管,优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30,120,化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、
8、In和P、As、Sb构成的化合物),LED光源的材料和工作波长,单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源,LED基本材料：- Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800850 nm短波长光源- In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：10001700 nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长,合金比率与发光波长的关系,LED的输出光谱,特点：1. 自发辐射光 - LED谱线较宽2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3. 长波长光源谱宽比短光源宽,- 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽6012
9、0 nm,LED的内部量子效率和内部功率,内量子效率 hint,那么LED的内部发光功率为：,例,一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310 nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns，驱动电流为40 mA。可以得到：,可以得到LED的内部发光功率为：,其中T(f) 为菲涅尔透射系数。,假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。,和,LED的外部量子效率和外部功率,LED的P-I特性,驱动电流较小 - LED P-I特性线性度好驱动电
10、流较大 - pn结发热产生饱和现象 - 曲线斜率减小通常，LED工作电流为50100mA，输出光功率为几毫瓦,LED的频率响应可以用下式求解,式中w为调制频率，P(w)为输出光功率，e为注入载流子寿命。当wc = 1/e时，P(wc) = 0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率。光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.7072 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此wc定义为截止频率。,LED的调制特性,适当增加工作电流,载流子寿命缩短,调制带宽增加,一般地：f面 = 2030 MHzf边 = 100150 MHz,不同载流子寿命下的LED调制曲线,光电检测器平方检波机制
11、导致了所谓的光调制系统电和光3-dB带宽定义的区别：,光调制系统的电和光3-dB带宽的区别,前面所提及的wc应为电3-dB带宽,从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即电3-dB带宽,光调制系统的电3-dB带宽,从光的角度看，LED输出光功率变为原来的一半时所对应的频率定义为光3-dB带宽，此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1/2,光调制系统的光3-dB带宽,输出光功率线性范围宽 (P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉输出光功率较小谱线宽度较宽调制频率较低这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用,关于
12、LED的小结,主要内容,半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD),半导体激光器的原理和结构半导体激光器的种类激光器的外量子效率*半导体激光器的调制温度特性,4.3 半导体激光器 (LD),LD的原理和结构,激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是：粒子数反转LED也具备 产生大量的受激辐射光反馈 光放大 (增益 损耗)相位条件 波长选择,光反馈：光学谐振腔,1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔),2. 光的产生及方向选择 1)
13、少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子,3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出,法布里珀罗 (F-P) 谐振腔,法布里-珀罗 (F-P) 激光器立体图,同质结和 (双) 异质结,双异质结优点：限制载流子和光子，降低对阈值电流的要求,阈值条件,光在谐振腔内传播，包括：1. 增益介质的光放大2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射,幅度条件：增益能克服损耗相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致,g()为增益系数， 为材料损耗系数。当
14、光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为：,能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：,谐振腔的光传播,要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：,在空间中传播的光电场分布可以表示为：,和,(b2L=2mp),光幅度放大,光相长放大,传播五周的相位5p/3,传播五周的相位5p/3,传播四周的相位4p/3,传播四周的相位4p/3,传播三周的相位p,传播三周的相位p,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,e-jb2L 1 或 b2L 2kp,假设相位变化 b2L = p/3，对于空间某点：,初始时刻的相位0,
