《半導(dǎo)體LED原理》課件

第四章光源《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!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LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!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(chēng)為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級(jí)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!滿(mǎn)帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿(mǎn)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(lèi)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(mǎn)的價(jià)帶稱(chēng)為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱(chēng)為帶隙《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!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hvhvhv《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!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300K時(shí)，GaAs的電子靜止質(zhì)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(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!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(chēng)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

《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!受主能級(jí)被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級(jí)稱(chēng)為受主能級(jí)受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中空穴獲得較小的能量DEA后就能反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴電子濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加

電子能量《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!pn結(jié)U電勢(shì)2.內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)n型p型耗盡層1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!正向偏壓使耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散>漂移Un型p型耗盡層耗盡層《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!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LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!同質(zhì)pn結(jié)存在的問(wèn)題：增益區(qū)太厚(1~10mm)，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)和光學(xué)性能-pn結(jié)區(qū)的完全由載流子的擴(kuò)散形成pn《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!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25mm5mm《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!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：-Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)：800~850nm短波長(zhǎng)光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)：1000~1700nm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)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!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30~50nm

-長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP譜寬60~120nm《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長(zhǎng)為1310nm，輻射性復(fù)合時(shí)間和非輻射型復(fù)合時(shí)間分別為30ns和100ns，驅(qū)動(dòng)電流為40mA?？梢缘玫剑嚎梢缘玫絃ED的內(nèi)部發(fā)光功率為：《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!LED的P-I特性驅(qū)動(dòng)電流較小->LEDP-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50~100mA，輸出光功率為幾毫瓦《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!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=20~30MHzf邊

=100~150MHz不同載流子壽命下的LED調(diào)制曲線《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!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)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!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(lèi)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)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!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100%90%《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!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-jb·2L≠1或b·2L≠2kp

假設(shè)相位變化

b·2L

=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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!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)就需要模式選擇技術(shù)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!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(mǎn)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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!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)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)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!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)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!DFB激光器照片《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!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≈0.6~0.7。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*《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!內(nèi)調(diào)制基本依據(jù)：P-I曲線例：OTIP的超短脈沖光源U2TTMLL1550閾值電流在40mA左右LD的調(diào)制是通過(guò)改變其驅(qū)動(dòng)電流的辦法實(shí)現(xiàn)的《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!激光場(chǎng)的張弛振蕩頻率為：直接調(diào)制頻率需小于張弛振蕩頻率。否則，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生張弛振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。當(dāng)電流脈沖突然加到LD上時(shí)，其光輸出呈現(xiàn)圖示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生光子間相互作用的量子力學(xué)過(guò)程。內(nèi)調(diào)制速率限制：張弛振蕩解決的辦法是在LD上持續(xù)加一個(gè)IBias《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!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。《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器00p0《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!溫度升高：-閾值電流呈指數(shù)增長(zhǎng)-輸出功率則明顯下降，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)LD不激射LD的溫度特性溫控對(duì)LD的正常使用至關(guān)重要《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低但性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉LED通常和多模光纖耦合，用于1310nm或850nm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)LD通常和單模光纖耦合，用于1310nm或1550nm大容量、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)，已成為目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)LED與LD的比較《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!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(mǎn)電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿(mǎn)帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子滿(mǎn)帶留下空穴《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!N1：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)?

《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!As+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(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱(chēng)為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!非本征半導(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<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!在熱平衡的條件下，對(duì)于(非)本征半導(dǎo)體，兩種載流子的乘積等于一個(gè)常數(shù)：濃度作用定律本征材料：電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)非本征材料：一種載流子的增加伴隨著另一種載流子的減少多數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的電子或者p型半導(dǎo)體中的空穴少數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的空穴或者p型半導(dǎo)體中的電子《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)Un型p型耗盡層耗盡層《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!例子：光源硅集成還在探索中Luxtera

4×10-Gb/s光收發(fā)器照片《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)0.3mm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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!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50~70mm100~150mm30o120o《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!合金比率與發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!LED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：《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!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)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3dB。因此wc定義為截止頻率。LED的調(diào)制特性《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁(yè)!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LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁(yè)!LD的原理和結(jié)構(gòu)激光，英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁(yè)!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(mǎn)足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場(chǎng)分布可以表示為：和(b·2L=2mp)光幅度放大光相長(zhǎng)放大《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁(yè)!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(chēng)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：《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁(yè)!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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁(yè)!(N)InGaAsP：發(fā)光的作用區(qū)，其上下兩層稱(chēng)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)1300~1600nm常用激光器的基本結(jié)構(gòu)《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁(yè)!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)-10°0°10°《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁(yè)!垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)1990年：閾值電流低(<100mA)，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《半導(dǎo)體LED原理》課件共77頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁(yè)!DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)-