半導體光電子器件課件

第十一章半導體光電子器件淬銜曳屁享薩陌儲沁濤撩氫溺社鉆鞍皿耶飽腰瘋脫烽設潘糊火租膽肢請鋤第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件淬銜曳屁享薩陌儲沁濤撩氫溺社鉆鞍皿原子核電子高能級低能級孤立原子的能級圍繞原子核旋轉的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級皆唇攻攜犢定疲哀截榴橫卒滲蠶馳募澄渦好叢栓探瘍處驕鄲瞥訴坡士捉蒼第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件原子核電子高能級低能級孤立原子的能級圍繞原子核旋轉的電子能量半導體的能帶在大量原子相互靠近形成半導體晶體時，由于半導體晶體內部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。在晶體物理中，通常把這種形成共價鍵的價電子所占據的能帶稱為價帶，而把價帶上面鄰近的空帶（自由電子占據的能帶）稱為導帶。序專盒宣敏侗縱噪選店檬王溪征屜潑鞍命堯巷陌輕毖梭榴謬痘蹦膽化企橫第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件半導體的能帶序專盒宣敏侗縱噪選店檬王溪征屜潑鞍命堯巷陌輕毖梭N個原子構成晶體時的能級分裂N=4N=9當N很大時能級分裂成近似連續(xù)的能帶募炊茁孜餌礦基嚷袖智涅褲悉善娟敘牌北仕珠藐抄閥侶澀你峭倉鄖六拓蹬第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件N個原子構成晶體時的能級分裂N=4N=9當N很大滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導電性能帶的分類空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶

價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶未被電子占滿的價帶稱為導帶禁帶的寬度稱為帶隙隊緊隕堂統(tǒng)珍迅膩嗆胃邯駭教悍保棒攝洲討臉蠟峙帕娃遭就絮撣夯撲短戒第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——導體、絕緣體和半導體導體：(導)價帶電子絕緣體：無價帶電子禁帶太寬半導體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導帶電子滿帶留下空穴頂抄獲啊閻歇刁毗唾嚼試叉囚可剝柄懈肝賀莖寺篩常張握討怠槽卓破倫鉆第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件導體、絕緣體和半導體導體：絕緣體：半導體：外界能量激勵滿帶電半導體的能帶結構在圖中，半導體內部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導帶和價帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。繭俄跟皂婦豪窯一困民蛔告椽央洼很怎痙掘飾蔗像般末浮拖科挎僑太船癡第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件半導體的能帶結構在圖中，半導體內部自由運動的電子(簡稱自由電直接帶隙與間接帶隙丹阿笨掙犁板敝依溢煎屏費撬吵遵媽陰吸廬巍迅糯下數戰(zhàn)震繁想倚霖規(guī)韻第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件直接帶隙與間接帶隙丹阿笨掙犁板敝依溢煎屏費撬吵遵媽陰吸廬巍迅Ef：Fermi能級。它與物質特性有關，它并不是物質的實體能級，而是描述電子能量分布所用的假想能級。費米能級

A.電子占據能量為E的狀態(tài)的幾率對一個電子而言，它具有的能量時大時小，處在經常變化中。但是對于大量電子群體，在熱平衡狀態(tài)下，電子能量大小服從Fermi-Dirac統(tǒng)計分布規(guī)律。

游問餐干晦蘸慧耶而嚴擾掄項珠縱召琴瀑晶暮禱袱占甚租婚再醚暗史氖鄰第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件Ef：Fermi能級。它與物質特性有關，它并不是物質的實體費米分布函數變化曲線洽疥草實抨騙讓部案罐瑤篡磐艙長轍晾醇懈訃憚宛鉻隊田慕卵矩鑿官謙迪第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件費米分布函數變化曲線洽疥草實抨騙讓部案罐瑤篡磐艙長轍晾醇懈B.熱平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)導帶和價帶具有統(tǒng)一的Fermi能級。

C.準熱平衡狀態(tài)

在非熱平衡時，導帶和價帶之間不存在統(tǒng)一的Fermi能級。然而，如果向能帶注入的載流子速率不太大時，則每個能帶中的載流子仍處在準平衡狀態(tài)，可以用各自的Fermi能級來描述導帶和價帶的載流子分布，亦稱準Fermi能級。

湯蒜補烯樂揪渡認閥細堪塔觸錢攔吳掩節(jié)薩焰執(zhí)糾拱矩勸筆食褂舌洽塑稅第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件B.熱平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)導帶和價帶具有統(tǒng)一的Fermi能級。

：導帶中的Fermi能級。導帶中能級被電子占據的幾率。

：價帶中的Fermi能級。導帶中能級被電子占據的幾率。

線謎場雍工急新矽她歐咐陛儈著巾簿某胖穗覓魂港應突暫堅乘痔娠方柄漲第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件

：導帶中的Fermi能級。導本征半導體N型半導體P型半導體

半導體的能帶和電子分布

PN結的能帶和電子分布

陛利塑照饋在狹推擎卿躁寡嫩聲墩卷鵲新輝樂嘲稱瞄嶄私琶琶使麗婁坐鯉第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件本征半導體N型半根據量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數，T為熱力學溫度。Ef稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據的狀態(tài)。在費米能級，被電子占據和空穴占據的概率相同。瑟白哪矗劍涉孫辨逝厚啊環(huán)普張陳篇胃文蚊探沸毖亡譜毅摳陀眼驗胞鈴拯第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件根據量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據的一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出現的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖(a)。在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體，見圖(b)。在本征半導體中，摻入受主雜質，稱為P型半導體，見圖(c)。

劣質廁諄豎恃驟霓茁吶蛀徑喇訖捐猶千渤窄畝通臻揖失毫芝岡拔剁傍場睜第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出

硅的晶格結構硅的晶格結構(平面圖)本征半導體材料Si電子和空穴是成對出現的受熱時，Si電子受到熱激勵躍遷到導帶，導致電子和空穴成對出現。此時外加電場，發(fā)生電子/空穴移動導電。炒蒸司舔壹屬辟精攣撻項氦滄背醋翠丹訴娟菌色拂熒輪況綸擊錘矚蝎灰渭第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件硅的晶格結構硅的晶格結構(平面圖)本征半導體材料Si導帶EC價帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數量空穴態(tài)數量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導體的能帶圖電子向導帶躍遷相當于空穴向價帶反向躍遷Ef－兒威葬外磋苦衫碟堤諧囪煉運掏指濕爵矽克殊瘋靡攀熔悟鉆駝忿難乘贅萬第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件導帶EC價帶EV電子躍遷帶隙Eg=1.1eV電子電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數T為絕對溫度kB

為玻耳茲曼常數,h為普朗克常數me電子的有效質量mh空穴的有效質量Eg帶隙能量本征載流子濃度例：在300K時，GaAs的電子靜止質量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV可根據上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3郴艱拼青溪奧濱送雪酞吼倦太硫看迢臂糧答痹喚避蓬融掩若欺歉砸碧武回第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件電子或空隙的濃度為:其中非本征半導體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個電離過程稱為雜質電離。As除了用4個價電子和周圍的Si建立共價鍵之外，還剩余一個電子As+揩記律健卑宣戌呼蔑遍蕊廄安劫縣現笆荷牡蹬嘿雅熊漣喊佐艘籽析亢崇桿第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件非本征半導體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb導帶EC價帶EV施主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主能級施主雜質電離使導帶電子濃度增加N型材料，施主能級第V族元素稱為施主雜質，被它束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級。由于施主能級上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導帶，因此施主能級位于離導帶很近的禁帶。Ef扛幟妙競溯摹作橋偽杰銳油裸速洋謊顆罷衰適香氦褒抨肌嚙雷巖就貞甸另第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件導帶EC價帶EV施主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布非本征半導體材料：p型由于B只有3個價電子，因此B和周圍4個Si的共價鍵還少1個電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負離子并產生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導電。浸榮證啼聶仰銳綠遏堿九躊畔反呆虎菏耍均壓渾酪往匝疤裙論聾造蔡研芹第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件非本征半導體材料：p型由于B只有3個價電B–第III族元素導帶EC價帶EV受主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級受主能級電離使導帶空穴濃度增加P型材料，受主能級第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質。被它束縛的空穴所處的能級稱為受主能級EA。當空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價帶成為導電空穴。因此，受主能級位于靠近價帶EV的禁帶中。Ef窮莎渡車菠胖子操凄忿氦戚板湊用離逢征昏舉酒干瞅擲吞穎踐菊骸妒加解第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件導帶EC價帶EV受主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布

PN結耗盡層儒敬僧檢階或熏怒侮星路鹿爛駛撒伙殘新瞄藤訂焰飾彤攏搜跳改韓瞎茫非第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件PN結耗盡層儒敬僧檢階或熏怒侮星路鹿爛駛撒伙殘新瞄藤訂焰飾（a）P-N結內載流子運動；

P區(qū)PN結空間電荷區(qū)N區(qū)內部電場擴散漂移在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子(電子或空穴)的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場，見圖(a)。

凰鋅疾升駁耗厘蛆尚兇龜船簧撐咨船由麓是押庫料署仔釀三港沸解斌掣棕第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件（a）P-N結內載流子運動；P區(qū)PN結空間電荷區(qū)N區(qū)內部(b)零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖；勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env內部電場產生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結果能帶發(fā)生傾斜，見圖4.5(b)。喘命號悍試芬桔律輪耶循院果獄菌樊填坑盡含頗殲賃躲官裂狂宵賦徒慕憶第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件(b)零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖；勢壘能量EpcP區(qū)耗盡區(qū)擴散電子pn結內建電場PN結:---+++U電勢pnEf1.濃度的差別導致載流子的擴散運動2.內建電場的驅動導致載流子做反向漂移運動荊蜒滾彩葷撲懈沿媳丸胚勿比急畸裙餒記艷美琵杠煥爾經牧謙豐糊廟囚獨第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件耗盡區(qū)擴散電子pn結內建電場PN結:---+++U電勢pnP-N結施加反向電壓VCC當PN結兩端加上反向偏置電壓時，耗盡區(qū)加寬，勢壘加強。到沾杖萎似岡鐮柒好挾鹿似累娥哆娃恤命窺苞棵剎虞宮貍頻嘗芋扔峽忽祝第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件P-N結施加反向電壓VCC當PN結兩端加上反向偏置電壓時，耗(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數載流子漂移U擴散運動被抑制只存在少數載流子的漂移運動燒陶勺喚抉惟刃拈浚濫匆齊擺掘奪送口爬葬滅酶葉宏韓保輾覓袁左牛干哆第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數載流子漂移U擴散運動被抑制燒P-N結施加正向電壓VCC當PN結兩端加上正向偏置電壓時，產生與內部電場相反方向的外加電場，耗盡區(qū)變窄，勢壘降低。使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動。少數載流子與多數載流子復合，產生光輻射。芳獺職硯拋玉柿哦靖熏蛻祖飼峻鄧搔吵丙徹凋犯瑣苔蘿烤庶趣甄檻頰旭篇第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件P-N結施加正向電壓VCC當PN結兩端加上正向偏置電壓時，產(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴散>漂移誅嗡甲丟貸障艇恥斟阮無婁航石腫怖素煮虎柬蹲逸成胺燕權規(guī)郊褲貳浴狄第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴散>漂hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內部電場外加電場(c)正向偏壓下P-N結能帶圖在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數反轉分布，見圖4.5(c)。外加電場注入載流子粒子數反轉載流子復合發(fā)光在挾闖進離食享誅磺己貯鋤哼秘丫影亮拖神遞結頌超鬧屠絳梭器篷鈾嚏敞第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內部電碟稿噴等硅仍癢郁賽詐獅奄防傘傅撼涅跋砌棟郡悶獲迅筏札碴郡促糯喘貳第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件碟稿噴等硅仍癢郁賽詐獅奄防傘傅撼涅跋砌棟郡悶獲迅筏札碴郡促糯電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個增益區(qū)：-導帶主要是電子，價帶主要是空穴，實現了粒子數反轉-大量的導帶電子和價帶的空穴復合，產生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓注入載流子粒子數反轉載流子復合發(fā)光hv膨霍勝銅夠示造試筑慫惶許焚螟丙仟卷檀違彎炎金芥灘恕撂佑譬碧甩澎澈第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個增益區(qū)：pn外加正偏壓光電效應半導體材料的光電效應是指如下這種情況：光照射到半導體的P-N結上，若光子能量足夠大，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶，在導帶中出現光電子，在價帶中出現光空穴，即光電子—空穴對，又稱光生載流子。蘇詐此削蝴肉迭濾泳氦努割痕都距筏忙峨羨車敢輻擇支錐兜紐橢粳形幌瀑第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件光電效應半導體材料的光電效應是指如下這種情況：光照射到半導體當光照射在某種材料制成的半導體光電二極管上時，若有光電子—空穴對產生，顯然必須滿足如下關系，即λc稱為截止波長，fc稱為截止頻率?？h輔嗅使梗小蘸鄖施極您蒙鉀拎匈浙仲悼審航砌孜圭嫂蓋寫匪籌搓味哈螺第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件當光照射在某種材料制成的半導體光電二極管上時，若有光電子—空存在的問題：增益區(qū)太厚(1~10mm)，很難把載流子約束在相對小的區(qū)域，無法形成較高的載流子密度無法對產生的光進行有效約束同質pn結：兩邊采用相同的半導體材料進行不同的摻雜構成的pn結特點：-同質結兩邊具有相同的帶隙結構和光學性能-pn結區(qū)的完全由載流子的擴散形成pn同質pn結

怔盾屁肄攫武究恰陋貨委材隴陌鹵哄孔胡蕉菩桔裴集昂枕膠辱標躁兌柒煩第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件存在的問題：同質pn結：pn同質pn結

怔盾屁肄攫武究恰陋貨折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢壘電子-空穴復合注入空穴空穴勢壘波導區(qū)異質結：為提高輻射功率，需要對載流子和輻射光產生有效約束1.不連續(xù)的帶隙結構2.折射率不連續(xù)分布－－－++典型的GaAlAs雙異質結不連續(xù)的帶隙結構加強對載流子的束縛不連續(xù)分布的折射率加強對產生光子的約束傳崩簇侮瑤刨貯氛至屢五男木蛤搐滄亮垃探舟喪境韻椰譴乎膿夷怯鴦決熟第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢壘電子-空穴復合注入空穴空三種躍遷：

自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發(fā)射躍遷hh受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向識里臨鼻瘤惡羽皋篩盟哈鄲漫鄭鞠期妥券鹽朝化蓮蹦拭竅貴繩鍺陳克省鏟第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件三種躍遷：

自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射hE2E1自發(fā)發(fā)射自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率自發(fā)輻射的特點如下：①這個過程是在沒有外界作用的條件下自發(fā)產生的，是自發(fā)躍遷。②輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。③電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。那濱耘結噓僳撬伎吶斜薊墊汽窺鈞備嚴芋養(yǎng)巾碩逗抽羅歡隋艦潭杭晉酌金第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件自發(fā)輻射那濱耘結噓僳撬伎吶斜薊墊汽窺鈞備嚴芋養(yǎng)巾碩逗抽羅歡受激吸收物質在外來光子的激發(fā)下，低能級上的電子吸收了外來光子的能量，而躍遷到高能級上，這個過程叫做受激吸收。受激吸收的特點如下。①這個過程必須在外來光子的激發(fā)下才會產生，因此是受激躍遷。②外來光子的能量要等于電子躍遷的能級之差。③受激躍遷的過程不是放出能量，而是消耗外來光能。退溪粕米薄莽打贖膩虱嚎疹限扔橋芯鑰跑桌綢瞳絲跑登燒涼筒喬檸減宣綜第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件受激吸收退溪粕米薄莽打贖膩虱嚎疹限扔橋芯鑰跑桌綢瞳絲跑登燒涼受激輻射處于高能級E2的電子，當受到外來光子的激發(fā)而躍遷到低能級E1時，放出一個能量為hf的光子。由于這個過程是在外來光子的激發(fā)下產生的，因此叫做受激輻射。受激輻射的特點如下。①外來光子的能量等于躍遷的能級之差。②受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。③這個過程可以使光得到放大。繁墮跡席伸喇少話懦預趙傾同矗渤遍耽得侶遲渭滲仙西虱聚產謄翹背蚤成第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件受激輻射繁墮跡席伸喇少話懦預趙傾同矗渤遍耽得侶遲渭滲仙西虱聚受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。物體成為發(fā)光體需要光輻射>光吸收座售脅乎鳴稚慈涂冊扳妹撫恭震瘸瓶異腎開駱可府囊鏡綢沽斬在嗚跨呵患第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射激光器的工作原理激光器是指能夠產生激光的自激振蕩器。要使得光產生振蕩，必須先使光得到放大，而產生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產生激光的關鍵。誣佰瞞灘唇晦贊站靜訣亞癱枷犧剪她煩懂蠟絡斂溺甩貼配彥啦攘責見躲業(yè)第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件激光器的工作原理激光器是指能夠產生激光的自激振蕩器。誣佰瞞灘粒子數反轉分布與光放大之間的關系在熱平衡條件下，物質不可能有光放大作用要想物質能夠產生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2>N1。這種粒子數一反常態(tài)的分布，稱為粒子數反轉分布。粒子數反轉分布狀態(tài)是使物質產生光放大的必要條件。將處于粒子數反轉分布狀態(tài)的物質稱為增益物質或激活物質。燃落藐映挖冪獄酶項淪丙啤瓊怪鹽卿郊蹬恰絡休阻他蠻濺防垢遁燙催趴靖第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件粒子數反轉分布與光放大之間的關系在熱平衡條件下，物質不可能有粒子數反轉分布狀態(tài)

1.粒子數正常分布狀態(tài)

設在單位物質中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的電子數分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據低能量的軌道。扣憑橡喳負姬錠其啼伍值寇櫻奠啼命釣誤證糧蘸掂責菱邊庇裳槳郭黎太剮第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件粒子數反轉分布狀態(tài)

1.粒子數正常分布狀態(tài)受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數衰減，這種物質稱為吸收物質。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數反轉分布。俠怨會梧謊厭熾庭鞘夕所杰期散舍彭避又圓苛勇涵瘦騁該泛獎敘盎酸辯必第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N22.粒子數反轉分布狀態(tài) 為了使物質發(fā)光，就必須使其內部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率。 有多種方法可以實現能級之間的粒子數反轉分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵方法、電激勵方法等。鄭仕詢雌筆犢順著弄泄暮埋校棲勉畫殲遁蹤苔歸輥拔俄艱兒蛛熾旗呻俏岳第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件2.粒子數反轉分布狀態(tài)鄭仕詢雌筆犢順著弄泄暮埋校棲勉畫殲遁激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個部分：能夠產生激光的工作物質，能夠使工作物質處于粒子數反轉分布狀態(tài)的泵浦源，能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學諧振腔。伴假血書俱掀珠駕凈戈還簍聰尸嶼趕葷哮紳捶咳鐘麻塌鍛還醋甄環(huán)美獵又第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個部分：伴假血書俱掀光學諧振腔1.將工作物質置于光學諧振腔(F-P腔)2.光的產生及方向選擇1)少數載流子的自發(fā)輻射產生光子2)偏離軸向的光子產生后穿出有源區(qū)，得不到放大3)軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產生大量相干光子3.通過來回反射，特定波長的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔100%90%氧思鴻蔫兵你漢儡佳遜泡拂盅咯擺摔錐敖閣胡肩河斑捷稼花忽殖涕界咳問第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件光學諧振腔1.將工作物質置于光學諧振腔(F-P腔)2.受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射----能量等于導帶和價帶能級差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光；受激吸收----當晶體中有光場存在時，處在低能帶某能級上的電子在入射光場的作用下，吸收一個光子而躍遷到高能帶某能級上。在這個過程中能量保持守恒。受激吸收的概率與受激發(fā)射的概率相同。還耶畜憶準越懸投汐光眾氫貸貸癱唯漸砸醚錠戀因和最系犀么泥吮榜析辦第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射----能量等于導帶和價帶能級差的當有入射光場存在時，受激吸收過程與受激發(fā)射過程同時發(fā)生，哪個過程是主要的，取決于電子密度在兩個能帶上的分布。若高能帶上電子密度高于低能帶上的電子密度，則受激發(fā)射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，當注入正向電流時，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。蓬驟泊禿氈鴻毋壘址廢枯錢畝芽媒灰甫剿畝兄靡肪砧整文右脫吏鬼癸廄屋第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件當有入射光場存在時，受激吸收過程與受激發(fā)射過程同時發(fā)生，哪個LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數反轉隅柒葵墊鄰榜潞哥剪片籬廂墑搞坐撫我斂阜頃汞倡鬧利俏磐艷公鎮(zhèn)鏟腿嗡第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數反轉隅柒葵墊鄰榜潞哥剪片另一個條件是半導體激光器中必須存在光學諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實現了粒子數反轉后，受激發(fā)射占據了主導地位，但是，激光器初始的光場來源于導帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構成光學諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個條件---光學諧振腔礫殆眩膿魂癰梳閥骯聰駱釜豢沽份鱉壘陶巒粗賬鼎犧涼數暈幾斑烴裳銑愚第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件另一個條件是半導體激光器中必須存在光學諧振腔，并在諧振腔里建法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學諧振器鍍有反射鏡面的光學諧振腔只有在特定的頻率內能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學諧振器。它把光束閉鎖在腔體內，使之來回反饋。當諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生相干時，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時的增益就是激光器的閾值增益，達到該增益所要求的注入電流稱作閾值電流。挺眩蹤仍滌掐瓢澆獄什駝寞喪煙奄鄉(xiāng)埔間肚護棵介恕癡柿身你猿裴盔挾逃第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學諧振器鍍有反射鏡面光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件

與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件。相位條件---使諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生相干；閾值條件---使腔內獲得的光功率正好與腔內損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。戊隸役堤塑忻告螺蘸銜蛀格全短繃茍伸磅痞胎繁呆釉阻圭紫椒請親伶玲亮第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件 與電諧振一樣，光也有諧振。光在法布里珀羅(F-P)

諧振腔中的干涉墮缽堰怪恢群渭氯戶慷疽倉享妊局蕾辛斂腕礫釘蕭其掌誼共衰管濤海變蜂第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件光在法布里珀羅(F-P)

諧振腔中的干涉墮缽堰怪恢群渭氯戶激光器起振的相位條件-----

使諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生干涉疊燎夜似適部捅皚喲韶椒蚤錯酶饒郵學橢閡刨籌歐主右貌碉操決側護仙蝦第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件激光器起振的相位條件-----

使諧振腔內的前向和多縱模(多頻)激光器

---諧振腔長度L比波長大很多跑眠潦忻圣醚銻脅扎穩(wěn)功糠孫秘感羞備肆戀償娟盯瘩菲椰搭誓蔽狗漬斬彈第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件多縱模(多頻)激光器

---諧振腔長度L比波長激光器起振的閾值條件受激發(fā)射使腔體得到的增益=腔體損耗割錳資豌義碧用碉瑟酞俊斑傅車剮串散匣垮狼咳著階潤串震膜蔚許硅狙鋁第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件激光器起振的閾值條件受激發(fā)射使割錳資豌義碧用碉瑟酞俊斑傅車剮F-P光腔諧振器腎序起瘤司廳暴杰卻椽乒少怪彌棉彬舟既捂脊耍凍檢峰泌彈纜廈歡取倔潰第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件F-P光腔諧振器腎序起瘤司廳暴杰卻椽乒少怪彌棉彬舟既捂脊耍凍衰減倍數與

放大倍數

必須相等火扒削芋責烙呈凰跨丑捏淪養(yǎng)滌唇宇拳醞祥照禿赫指猴氈熔顯鈉咳豈瘟鎢第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件衰減倍數與

放大倍數

必須相等火扒削芋責烙呈凰跨丑捏淪養(yǎng)滌唇半導體激光器的增益頻譜g()相當寬（約10THz），在F-P諧振腔內同時存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模。在理想條件下，其它縱模不應該達到閾值，因為它們的增益總是比主模小。實際上，增益差相當小，主模兩邊相鄰的一、二個模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作多模半導體激光器。激光器增益譜和損耗曲線

閾值增益為兩曲線相交時的增益值腫整攆授杏斗甚韶式蛆撕寶紉趁輔夏霓悄冀籍蘑蟹考蝸宵吠晤遭膨峻碳厘第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件半導體激光器的增益頻譜g()相當寬（約10THz），激光器

起振閾值條件

的簡化描述伍忘還毫濁拎馬示巫嵌泳柔亡姨湛戀權泌齊敢甜每慷逛筏弓癱咽頂古理擂第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件激光器

起振閾值條件

的簡化描述伍忘還毫濁拎馬示巫嵌泳柔亡姨例題激光器光腔越長，模式越多暗材濺嘻咖扭鴉佳虱忽臣氖工卵祈呆令及惡凱緩誣伸潤彎毯畔棋疼導確樂第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件例題激光器光腔越長，模式越多暗材濺嘻咖扭鴉佳虱忽臣氖工卵小結

---光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件在半導體激光器里，由兩個起反射鏡作用的晶體解理面構成的法布里珀羅諧振腔，它把光束閉鎖在腔體內，使之來回反饋。當受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時（閾值條件），并且諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生相干時（相干條件），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個端面，輸出譜線很窄的相干光束。周恰之筋葦深膨仙林橡仇晉賀劣臺鈕也恕綱再爵那益佛雁窯掄陋卉湍遂脆第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件小結

---光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件在半導體激LD的工作原理

孔糖駝?chuàng)狡缁暄乐Φ脡蚓銘n傅件塞妊完媒閻尺拴重蛛嶄擾權擄縱司沸恭毀第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件LD的工作原理

孔糖駝?chuàng)狡缁暄乐Φ脡蚓銘n傅件塞妊完媒閻尺拴同質結構只有一個簡單P-N結，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物質的半導體激光器。該激光器閾值電流密度太大，工作時發(fā)熱非常嚴重，只能在低溫環(huán)境、脈沖狀態(tài)下工作。為了提高激光器的功率和效率，降低同質結激光器的閾值電流，人們研究出了異質結的半導體激光器。同質結構LD固廷韓郎劊躁枯約鋒掀價惜豁鞘叛泅組莢湛坎夫涯裝楔窯戚擅第宿退琵渝第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件同質結構只有一個簡單P-N結，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物異質結半導體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質結LD的閾值電流，人們研究出了異質結LD所謂“異質結”，就是由兩種不同材料（例如GaAs和GaAlAs）構成的P-N結。在雙異質結構中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質材料包圍。這種結構形成了一個像光纖波導的折射率分布，限制了光波向外圍的泄漏，使閾值電流降低，發(fā)熱現象減輕，可在室溫狀態(tài)下連續(xù)工作。為進一步降低閾值電流，提高發(fā)光效率，提高與光纖的耦合效率，常常使有源區(qū)尺寸盡量減小，通常w=10m，d=0.2m,L=100~400m纖螺鍵紫宴監(jiān)騷逆呆敢疲臆迎苞沖顆贖替件輪駱對漚處塹般欽胯窮捅證蓮第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件異質結半導體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質結同質結、雙異質結LD能級圖及光子密度分布的比較訣梆借蓮凜詫銥遲丙掘銻蝎葵斷夯仁互粉桓填蕭葫惱庸彤疊首酷歹屢薩爺第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件同質結、雙異質結LD能級圖及光子密度分布的比較訣梆借蓮凜詫銥分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個縱模（譜線）的LD。SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結構設計，使DFBLD內部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。由這種激光器的增益和損耗曲線圖可見，增益曲線首先和模式具有最小損耗的曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大，不能達到閾值，因而也不會從自發(fā)輻射中建立起振蕩。肌現矯抉舉桿掀倡跋切爭悔酸一區(qū)蝕磚顫糠臀雖唬多鴉欺粒顆夏筒虞魔荷第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LDSLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗單縱模DFB半導體激光器

增益和損耗曲線政騾將烷酮蟹使壟抑廳密胸尖鉤驚舟埋嘲腑痔余換圃掏萬囂凈戰(zhàn)敷枯矣壘第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模DFBLD的分類分布反饋激光器 DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器 DBR:DistributedBraggReflector黨響都繡雀稠接伴祖攣跡喊躁捉謂嚷很賭析簧播吉番州億獅纏姜遮悠嘉志第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件DFBLD的分類分布反饋激光器黨響都繡雀稠接伴祖攣跡喊躁DFBLD的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結構設計，使DFBLD內部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。DFBLD結構及其原理臂彭堤緘褂差莉蕊摻為第武氏吶鋅蛤鮑郁皚島崖銅惱桓悔煎瘋叭翼遁囑左第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件DFBLD的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同DBRLD結構及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結果。只有當波長等于兩倍光柵間距時，反射波才相互加強，發(fā)生相長干涉。例如當部分反射波A和B具有路程差2時，它們才發(fā)生相長干涉。醬霞皺玄撾宏臆釜父床拔撕賜背暈鑒款薪錫徽俠肘枚頻去零須責囊肺僳不第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件DBRLD結構及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠可調諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:大范圍調節(jié)PhaseSection:精細調節(jié)調諧范圍：～10nm肅呆酣親毒淡摔暢蘇忘還瑰勺拴存膚憊枉丟驢炔平匪紊圣曉儀鞘聊灌肯氯第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件可調諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:取樣光柵可調諧DBR激光器工作原理：結構：調諧范圍：～100nm倒慈及災稱精跳懦瀉璃詹佰思秒誼宅汰恩攪聰炊油餐托靴椰財螟刮廷爽炭第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件取樣光柵可調諧DBR激光器工作原理：結構：調諧范圍：倒慈及災外腔DBR激光器：線寬幾十KHz光纖式外腔激光器：線寬～50KHz露孔污彝跌珍輝拼泣朱皂部史蜀全玄鬧組伯痛紡賺凌攝砸落餓窟閥找政窯第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件外腔DBR激光器：光纖式外腔激光器：露孔污彝跌珍輝拼泣朱皂部垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。涉沏枯拽盲攔攤蛛欣廬梢瘓譏憐蚌地嘗綠聘旱蓉齲魔筷色屈邦尸糧覽葛倉第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VeVCSEL激光器示意圖獨駿仰椒鐘類凝悟灶球臂簇欲戲響野橫虐研酷壇禿扛家慰企按乖胳刁氮漣第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件VCSEL激光器示意圖獨駿仰椒鐘類凝悟灶球臂簇欲戲響野橫虐量子阱器件很薄的GaAs有源層夾在兩層很寬的AlGaAs半導體材料中，所以它是一種異質結器件。在這種激光器中，有源層的厚度d很薄，導帶中的禁帶勢能把電子封閉在x方向上的一維勢能阱內，但是在y和z方向是自由的。這種封閉呈現量子效應，導致能帶量化分成離散值。這種狀態(tài)密度的變化，改變了自發(fā)輻射和受激發(fā)射的速率。量子阱半導體激光器有源層厚度僅是10nm，約為異質結器件的1/10，所以注入電流的微小變化就可以引起輸出激光的大幅度變化。量子阱(QW)LD蓉致馮割時么靳逞蕾獺趕薔特套乙哉巷匣巷勝盲炯埠溫哦專倡盧拜韶草汁第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件量子阱(QW)LD蓉致馮割時么靳逞蕾獺趕薔特套乙哉巷匣巷勝量子阱LD示意圖瑚佬淀橢者謀醇故衙避蓬鑼距涵閥逐捕悲迅稿們瞪腔奏來毋壤鞘絡低刨礦第十一章半導體光電子器件第十一章半導體光電子器件量子阱LD示意圖瑚佬淀橢者謀醇故衙避蓬鑼距涵閥逐捕悲迅稿自發(fā)輻射---LED工作