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1、11.半导体发光的基本原理组员：许婷婷 郭平 吴科星 刘文强11.1晶体中光产生和吸收微观模型11.2半导体发光原理11.3激光生成11.1 晶体中光产生和吸收微观模型 集成电路常用的光源：1 半导体激光器 2 发光二极管优点：1 尺寸小 2 混合集成度高 3高频调制 4 高效耦合直接跃迁直接带隙材料 间接带隙材料。间接跃迁跃迁的过程如图所示： 电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个声子，这种跃迁叫做间接跃迁。 跃迁概率 间接跃迁 VS 直接跃迁 其他跃迁 带内的吸收可以是电子在导带的也可以是空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和受主能态到价态的空穴跃迁11.2 半导体发光半导体中的电子可
2、以吸收一定能量的光子而被激发。处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量1.自发辐射 电子和空穴随机结合 2.受激辐射 由光激发使电子和空穴的结合自发辐射电子从高能级自发的发射到低能级直接跃迁：间接跃迁：泵浦1.光束泵浦结合的典型时间 10-11s 0.25s 2.P-N结加偏压泵浦（电致发光）发光二极管优点 1在很高的频率进行 调制 2耦合到微米量级的光 波导中 应用：平板指示灯和显示器件发光效率 提高发光效率：1.减小PN结的相应结区2.选择吸收系数低的材料N型半导体P型半导体受激辐射在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时
3、发射一个与外来光子有相同的频率，方向，相位和偏振光子外部辐射可以是其他自发辐射也可以是样品中的受激辐射，并不一定是外部辐射场。受激和自发辐射对比自发辐射：随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。波尔兹曼分布方程：稳态情况下，对入射光子能量的要求 11.3激光的生成激光的阈值： 光在谐振腔中的工作物质里传播时，会存在各种损耗，只有当光在腔内来回一次所得到的增益大于或等于各种损耗之和时，才能形成激光输出。激光的工作原理在介质中存在粒子数反转的情况下，当增益一旦超过损耗时
4、，光强将以指数形式增加，随着光在两反射面之间的来回反射，放大过程不断重复，就可得到激光。产生激光的条件稳定的光学谐振腔；在谐振腔内传播时满足阈值条件；外部能量泵浦使粒子数反转vLD和LED的发光效率 一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点：1.减少了内部的再吸收2.更好的准值3.更高的内部量子效率 光学谐振腔作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的方向性和单色性、高亮度的激光束光学谐振腔是产生激光的必要装置之一结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两个反射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜稳定腔：近轴光纤在谐振腔内部来回反射时，光线离轴的高度不会无限
5、大，称此为稳定腔稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率半径为R1，R2，光学谐振腔的稳定条件为1(1-L/R1)(1-L/R2)0不满足上条件的腔称非稳定腔。费稳定腔光线逸出的多，又称高损耗谐振腔。R1=R2的稳定腔称对称腔三种激光器的典型结构1、固体激光器红宝石激光器 在工作物质红宝石中 掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源，上下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶体中部分Al离子的位置，氙灯发出激励光时，被处于基态的络离子吸收跃迁到高能级，向低能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。2.染料激光器 平面光栅的作用：改变光栅的倾斜角度，用来调节光栅衍射角，使某一波长的光能在谐振腔纵轴向产生衍射极大而形成光振荡，发射单一的激光3.气体激光器以氦氖激光器为例。工作物质为8:1混合气体密封在放电管A内，激励源是3KV以上的直流电源经C,C接入采用反射峰在0的反射面，可抑制其他波长光波的谐振，得到单色输出激光。谢谢
