半導(dǎo)體LED原理課件

1、第四章 光 源主要內(nèi)容半導(dǎo)體物理簡(jiǎn)介發(fā)光二極管 (LED)半導(dǎo)體激光器 (LD)4.1 光源的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷自發(fā)輻射與受激輻射半導(dǎo)體本征材料和非本征材料原子核電子高能級(jí)低能級(jí)孤立原子的能級(jí)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級(jí)N個(gè)原子構(gòu)成晶體時(shí)的能級(jí)分裂N = 4N = 9當(dāng) N 很大時(shí)能級(jí)分裂成近似連續(xù)的能帶滿帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿的能帶禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域其寬度直接決定導(dǎo)電性能帶的分類空帶：所有能級(jí)都沒(méi)有電子填充的能帶 價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶 未被電子占滿

2、的價(jià)帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無(wú)價(jià)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴光作用下的躍遷和輻射E2 - E1 = hvE1E2(a) 受激躍遷hvE1E2(b) 自發(fā)輻射：非相干光hvE1E2(c) 受激輻射：相干光hvhvhvN1：處于低能級(jí)的粒子數(shù)量 (價(jià)帶電子數(shù))N2：處于高能級(jí)的粒子數(shù)量 (導(dǎo)帶電子數(shù)/價(jià)帶空穴數(shù))(1) N1 N2，正常粒子數(shù)分布，光吸收大于光輻射。當(dāng)光通過(guò)這種半導(dǎo)體時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減。(2) N2 N1，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，光輻射大于光吸收。當(dāng)光通過(guò)這種半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放

3、大作用。半導(dǎo)體粒子分布狀態(tài)問(wèn)題: 如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)? 硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu) (平面圖)本征半導(dǎo)體材料 Si電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的Si電子受到激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)E此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電導(dǎo)帶 EC價(jià)帶 EV電子躍遷帶隙 Eg = 1.1 eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷空穴向價(jià)帶反向躍遷電子或空隙的濃度為:其中 為材料的特征常數(shù)kB 為玻耳茲曼常數(shù)me 電子的有效質(zhì)量mh 空穴的有效質(zhì)量本征載流子濃度例：在300 K時(shí)，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m = 9.1110-31 kg， me = 0.

4、068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為 2.621012 m-3As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶 電子濃度增加 非本征

5、半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA 漂移Un型p型耗盡層耗盡層電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：-導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-大量的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓 注入載流子 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 載流子復(fù)合發(fā)光hv直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空隙復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。發(fā)光材料的選擇例子：光源硅集成還在探索中Lux

6、tera 410-Gb/s光收發(fā)器照片主要內(nèi)容半導(dǎo)體物理簡(jiǎn)介發(fā)光二極管 (LED)半導(dǎo)體激光器 (LD)4.2 發(fā)光二極管 (LED)原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用LED：1. 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單2. 不需要溫控電路3. 成本低、產(chǎn)量高缺點(diǎn)：4. 輸出功率不高：幾個(gè)毫瓦5. 譜寬很寬：幾十個(gè)納米到上百納米應(yīng)用場(chǎng)合：短距離傳輸同質(zhì)pn結(jié)存在的問(wèn)題：增益區(qū)太厚(110 mm)，很難把載流子約束在相對(duì)小的區(qū)域，無(wú)法形成較高的載流子密度無(wú)法對(duì)產(chǎn)生的光進(jìn)行有效約束同質(zhì)pn結(jié)：兩邊采用相同的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同的摻雜構(gòu)成的pn結(jié)特點(diǎn)：- 同質(zhì)結(jié)兩邊具有相同的帶隙結(jié)構(gòu)和

7、光學(xué)性能- pn結(jié)區(qū)的完全由載流子的擴(kuò)散形成pn雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)0.3 mm不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對(duì)載流子的束縛不連續(xù)分布的折射率加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)生光子的約束面發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：LED到光纖的耦合效率高P(q) = P0cosq載流子注入25 mm5 mm邊發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、發(fā)光功率低載流子注入5070 mm100150 mm30120化合半導(dǎo)體材料 - 直接帶隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb構(gòu)成的化合物)LED光源的材料和工作波長(zhǎng)單質(zhì)半導(dǎo)體材料 - 間接帶隙材料 - 不適合做光源LED基本材料：-

8、 Ga1-xAlxAs (砷化鎵摻鋁)：800850 nm短波長(zhǎng)光源- In1-xGaxAsyP1-y (磷化銦摻砷化鎵)：10001700 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)光源x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長(zhǎng)合金比率與發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系LED的輸出光譜特點(diǎn)：1. 自發(fā)輻射光 - LED譜線較寬2. 面發(fā)光二極管的譜線要比邊發(fā)光二極管的寬3. 長(zhǎng)波長(zhǎng)光源譜寬比短光源寬 - 短波長(zhǎng)GaAlAs/GaAs 譜寬3050 nm - 長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP 譜寬60120 nmLED的內(nèi)部量子效率和內(nèi)部功率內(nèi)量子效率 hint那么LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長(zhǎng)為1

9、310 nm，輻射性復(fù)合時(shí)間和非輻射型復(fù)合時(shí)間分別為30 ns和100 ns，驅(qū)動(dòng)電流為40 mA。可以得到：可以得到LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：其中T(f) 為菲涅爾透射系數(shù)。假定外界介質(zhì)為空氣 (n2 = 1)，外量子效率為：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，即光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性驅(qū)動(dòng)電流較小 - LED P-I特性線性度好驅(qū)動(dòng)電流較大 - pn結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象 - 曲線斜率減小通常，LED工作電流為50100mA，輸出光功率為幾毫瓦LED的頻率響應(yīng)可以用下式求解式中w為調(diào)制頻率，P(w)

10、為輸出光功率，e為注入載流子壽命。當(dāng)wc = 1/e時(shí)，P(wc) = 0.707P(0)。在接收機(jī)中，檢測(cè)電流正比于光功率。光功率下降到 0.707 時(shí)，接收電功率下降到0.7072 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此wc定義為截止頻率。LED的調(diào)制特性適當(dāng)增加工作電流載流子壽命縮短調(diào)制帶寬增加一般地：f面 = 2030 MHzf邊 = 100150 MHz不同載流子壽命下的LED調(diào)制曲線光電檢測(cè)器平方檢波機(jī)制導(dǎo)致了所謂的光調(diào)制系統(tǒng)電和光3-dB帶寬定義的區(qū)別：光調(diào)制系統(tǒng)的電和光3-dB帶寬的區(qū)別前面所提及的wc應(yīng)為電3-dB帶寬從電的角度看，光電檢測(cè)器輸出電功率變?yōu)樵瓉?lái)一半，即系統(tǒng)輸出光

11、電流變?yōu)?.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為3-dB帶寬，即電3-dB帶寬光調(diào)制系統(tǒng)的電3-dB帶寬從光的角度看，LED輸出光功率變?yōu)樵瓉?lái)的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為光3-dB帶寬，此時(shí)光電檢測(cè)器輸出的光電流相應(yīng)地減小為1/2光調(diào)制系統(tǒng)的光3-dB帶寬輸出光功率線性范圍寬 (P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長(zhǎng)制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉輸出光功率較小譜線寬度較寬調(diào)制頻率較低這種器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用 關(guān)于LED的小結(jié)主要內(nèi)容半導(dǎo)體物理簡(jiǎn)介發(fā)光二極管 (LED)半導(dǎo)體激光器 (LD)半導(dǎo)體激光器的原理和結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的種類激光器的外量子效率*半導(dǎo)體激光器的調(diào)制溫度特性4.3 半導(dǎo)體激光器 (LD)

12、LD的原理和結(jié)構(gòu)激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激輻射的光放大)的縮寫。激光器產(chǎn)生激光的條件是：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)LED也具備 產(chǎn)生大量的受激輻射光反饋 光放大 (增益 損耗)相位條件 波長(zhǎng)選擇光反饋：光學(xué)諧振腔1. 將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔 (F-P腔)2. 光的產(chǎn)生及方向選擇 1) 少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子 2) 偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大 3) 軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子3. 通過(guò)來(lái)回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里珀羅 (F-P) 諧振腔

13、100%90%法布里-珀羅 (F-P) 激光器立體圖同質(zhì)結(jié)和 (雙) 異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)優(yōu)點(diǎn)：限制載流子和光子，降低對(duì)閾值電流的要求閾值條件光在諧振腔內(nèi)傳播，包括：1. 增益介質(zhì)的光放大2. 損耗： A) 工作物質(zhì)的吸收 B) 介質(zhì)不均勻引起的散射 C) 端面反射鏡的透射及散射幅度條件：增益能克服損耗相位條件：光經(jīng)反射回到初始位置時(shí)與原來(lái)相位一致g()為增益系數(shù)， 為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R1和R2反射在腔內(nèi)往返傳播2L回到原點(diǎn)之后，電場(chǎng)分量為：能量為hn的光子的輻射強(qiáng)度E()在腔內(nèi)隨傳播距離z變化：諧振腔的光傳播要能在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，需要滿足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場(chǎng)分布可以表示為：

14、和(b2L=2mp)光幅度放大光相長(zhǎng)放大傳播五周的相位5p/3傳播五周的相位5p/3傳播四周的相位4p/3傳播四周的相位4p/3傳播三周的相位p傳播三周的相位p傳播兩周的相位2p/3傳播一周的相位p/3傳播兩周的相位2p/3傳播一周的相位p/3e-jb2L 1 或 b2L 2kp 假設(shè)相位變化 b2L = p/3，對(duì)于空間某點(diǎn)： 初始時(shí)刻的相位0初始時(shí)刻的相位0因此有幅度條件和相位條件幅度條件和相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(zhǎng)(縱模)之間的波長(zhǎng)之差約為：增益與波長(zhǎng)的關(guān)系：其中l(wèi)0為中心波長(zhǎng)輸出光譜：多縱模如果需要激光器工作在單縱模狀態(tài)就需

15、要模式選擇技術(shù)LED與LD的光譜比較LEDF-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)Dl為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣橫模每個(gè)縱模都存在多個(gè)橫模：基模亮度高、光斑小1) 與諧振腔軸有微小夾角的光束經(jīng)多次反射仍滿足閾值條件2) 工作物質(zhì)的色散、散射效應(yīng)及腔內(nèi)光束的衍射效應(yīng)等等抑制橫模的數(shù)量 - 增加輸出光的亮度、減小發(fā)散角(N)InGaAsP：發(fā)光的作用區(qū)，其上下兩層稱為限制層根據(jù)對(duì)橫模限制機(jī)制的不同進(jìn)一步可分為：增益引導(dǎo)型 和 折射率引導(dǎo)型銦鎵砷磷(InGaAsP)雙異質(zhì)結(jié)條形激光器：波長(zhǎng)13001600 nm常用激光器的基本結(jié)構(gòu)橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)

16、行載流子注入，改變有源區(qū)的折射率，從而對(duì)光子形成橫向的約束，能有效抑制橫模特點(diǎn)：1) 輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)15 mm光強(qiáng)-20020機(jī)制：1) 在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制2) 在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得 60% 的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10010單縱模激光器式子和光譜圖表明： 實(shí)現(xiàn)單模輸出的一條途徑是減少諧振腔長(zhǎng)，增加模式之間 的波長(zhǎng)間隔，使Dl大于增益線寬 (即增加濾波器自由譜寬)Dl增益線寬垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)1990年：閾值電流低(

17、100 mA) ，輸出功率大，激光純度高； 發(fā)光面大、易于耦合； 體積小、易于集成，可應(yīng)用于WDM多波長(zhǎng)系統(tǒng)中分布反饋式 (DFB) 激光器內(nèi)置布拉格光柵FBG： 只有符合反射條件的 光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng) 歷放大過(guò)程輸出的波長(zhǎng)為：m是縱模的階數(shù)DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)- L相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)L形成一個(gè)微型諧振腔- 很小使得m階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比F-P大得多- 多個(gè)微型腔級(jí)聯(lián)易實(shí)現(xiàn)選模的同時(shí)保證光束能獲得足夠增益DFB激光器照片分布布拉格反射 (DFR) 激光器- DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端- DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似，但其閾值 電流要比DF

18、B激光器的閾值電流高內(nèi)量子效率一般很難準(zhǔn)確確定，長(zhǎng)期的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)表明，在室溫條件下，內(nèi)量子效率一般為hint 0.60.7。于是外量子效率可以通過(guò)下面的式子來(lái)定義：在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，外量子效率一般通過(guò)P-I曲線的直線部分來(lái)估算，即：標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光器，外量子效率典型值為15%20%。激光器的量子效率*內(nèi)調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流 ( 改變LD驅(qū)動(dòng)電流 - 諧振腔內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化 - 諧振腔折射率發(fā)生變化 - 諧振腔相位條件選頻特性發(fā)生改變 - LD輸出光的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移 - 信號(hào)啁啾啁啾的直接后果是導(dǎo)致系統(tǒng)色散性能的惡化內(nèi)調(diào)制技術(shù)：失真1. 激射區(qū)線性度不高，將對(duì)信號(hào)帶 來(lái)諧波失真和互調(diào)失真。2. 調(diào)制深度過(guò)大，使得DI IB 將會(huì) 部分切除信號(hào)的下半部，這將引 起嚴(yán)重的失真。式中：P(0)是頻率為0時(shí)LD輸出的光功率值；fr為L(zhǎng)D的類共振頻率，是LD的阻尼因子。LD的內(nèi)調(diào)制特性LD的頻率響應(yīng)函數(shù)：LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器