-半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件

第1章半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件光電子材料與器件大綱1.0概述1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料1.3半導(dǎo)體激光器 1.4發(fā)光二極管1.0概述

應(yīng)用領(lǐng)域：信息顯示光纖通信固態(tài)照明國防

半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器

III-V族半導(dǎo)體材料：

GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaN(氮化鎵)、InGaN(銦鎵氮)、GaAsP(磷砷化鎵)、GaAlAs(鎵鋁砷)等

II-VI族半導(dǎo)體化合物：

ZnS(硫化鋅)、ZnSe(硒化鋅)1.0概述

1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶、直接帶隙材料、間接帶隙材料、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體、1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)

能級(jí)：孤立原子中電子的軌道，形成分離的能級(jí)。

能帶：原子緊密結(jié)合時(shí)，電子的軌道發(fā)生分裂，單個(gè)原子中電子的軌道數(shù)正比于緊密結(jié)合的原子數(shù)。軌道能量之差變得非常小，能級(jí)可視為近似連續(xù)分布，稱為能帶。

1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 在絕對(duì)零度，可以被電子填滿的最高能帶形成價(jià)帶。價(jià)帶之上，電子可以擺脫單個(gè)原子束縛，并在整個(gè)半導(dǎo)體材料中自由移動(dòng)的能帶，稱為導(dǎo)帶。對(duì)半導(dǎo)體而言，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間由禁帶相隔。1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體：如果導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)相同的波數(shù)，則相應(yīng)的帶隙為直接帶隙。如果導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)不同的波數(shù)，則相應(yīng)的帶隙為間接帶隙。

p=?k1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 直接帶隙半導(dǎo)體材料：發(fā)光器件間接帶隙半導(dǎo)體材料：光電探測(cè)器1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體是純凈而不含任何雜質(zhì)的理想半導(dǎo)體材料。由于晶體中原子的熱振動(dòng)，價(jià)帶中的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，形成電子-空穴對(duì)。因此，本征半導(dǎo)體中的電子濃度與空穴濃度相等。1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 非本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體內(nèi)引入一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以有效改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)，這種摻有一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體。1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)本征與非本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)費(fèi)米能級(jí)如果一個(gè)能帶中的某一個(gè)能級(jí)的能量設(shè)為E，則該能級(jí)被電子占據(jù)的概率是符合一個(gè)函數(shù)規(guī)律的即為f（E），f（E）稱為費(fèi)米函數(shù)。

當(dāng)f（E）=1/2時(shí)，得出的E的值對(duì)應(yīng)的能級(jí)為費(fèi)米能級(jí)。

一般近似的認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)以下的能級(jí)都被電子所填充。電子從費(fèi)米能級(jí)高的一側(cè)向低費(fèi)米能級(jí)一側(cè)流動(dòng)。1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 熱平衡條件下的濃度定律：濃度定律的推論？熱平衡？在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)Nc:導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)PN結(jié)：擴(kuò)散、漂移、自建場(chǎng)、耗盡層、正偏、反偏1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光一、輻射躍遷：

半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷，輻射躍遷的過程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過程。躍遷是電子-空穴對(duì)復(fù)合1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光激勵(lì)：光致發(fā)光電致發(fā)光1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光二、輻射躍遷與非輻射躍遷：電子由較高能級(jí)躍遷至低能級(jí)并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。例如，處于亞穩(wěn)能級(jí)的原子和離子在高真空條件下通過輻射過程而躍遷到低能級(jí)一般是很慢的，在氣體放電現(xiàn)象中它會(huì)通過碰撞或者向器壁的擴(kuò)散而快速地釋放能量，從而躍遷到低能級(jí)。

1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光同時(shí)考慮輻射躍遷過程和非輻射躍遷過程時(shí)，則有：

發(fā)光效率：

高效率的發(fā)光器件需要輻射壽命遠(yuǎn)小于非輻射壽命。1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光三、直接帶隙材料與間接帶隙材料的輻射躍遷：1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光普朗克常數(shù)=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C

1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.1.2半導(dǎo)體發(fā)光光子能量

1.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料一、發(fā)光材料概述：主要的半導(dǎo)體發(fā)光材料為直接帶隙的III-V族半導(dǎo)體材料，以及由它們組成的三元、四元固溶體。固溶體指的是礦物一定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相置換，而不改變整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)及對(duì)稱性等。

1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料室溫下III-V族發(fā)光材料的發(fā)射波長(zhǎng)范圍發(fā)射波段寬的材料有什么相同點(diǎn)？一、發(fā)光材料概述：1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料

半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光范圍覆蓋了紫外、可見光到紅外的很寬范圍的光譜。在具體應(yīng)用中，根據(jù)需要，為了獲得特定波長(zhǎng)范圍的自發(fā)或受激輻射光波，則需選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料。半導(dǎo)體材料多元固溶體的帶隙隨成分的比例而變化，可以獲得不同的發(fā)射波長(zhǎng)。一、發(fā)光材料概述：1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料GaAsGaAs是一種重要的III-V族化合物半導(dǎo)體，典型的直接躍遷型發(fā)光材料。直接躍遷發(fā)射的光子能量在1.42ev左右，相應(yīng)波長(zhǎng)在873nm附近，屬于近紅外波段。

二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料GaP

間接帶隙寬度2.26eV，典型的間接發(fā)光材料。在GaP中通過摻入雜質(zhì)（N)，產(chǎn)生等電子陷阱，俘獲激子，通過激子復(fù)合實(shí)現(xiàn)發(fā)光。在半導(dǎo)體發(fā)光材料中具有較高的發(fā)光效率。并且通過摻入不同的發(fā)光中心，可以直接輸出紅、綠、黃燈等種不同顏色的光。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料激子：空穴帶正電，自由電子帶負(fù)電，它們之間的庫侖吸引互作用在一定的條件下會(huì)使它們?cè)诳臻g上束縛在一起，這樣形成的復(fù)合體稱為激子。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的俘獲：一個(gè)電荷(電子或空穴)首先被缺陷的近程勢(shì)所束縛,使缺陷中心帶電,然后再通過庫侖互作用(遠(yuǎn)程勢(shì))束縛一個(gè)電荷相反的空穴或電子,形成束縛激子。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的復(fù)合發(fā)光：在間接帶半導(dǎo)體材料中,由于動(dòng)量選擇定則的限制,材料的發(fā)光通常是很弱的,但如果存在束縛激子,其波函數(shù)在空間上是局域化的,因而發(fā)光躍遷的動(dòng)量選擇定則大大放松,無須聲子參與就可能具有很大的發(fā)光躍遷幾率.這樣,間接帶材料的發(fā)光效率將大大增強(qiáng)。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理：△q△p≥h/4π

設(shè)想用一個(gè)γ射線顯微鏡來觀察一個(gè)電子的坐標(biāo)，因?yàn)棣蒙渚€顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長(zhǎng)λ的限制，所用光的波長(zhǎng)λ越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測(cè)定電子坐標(biāo)不確定的程度△q就越小，所以△q∝λ。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長(zhǎng)λ越短，光量子的動(dòng)量就越大，所以有△p∝1/λ。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料GaN

直接躍遷型半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。室溫條件下，帶隙寬度

二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料GaN與III族氮化物半導(dǎo)體InN及AlN的性質(zhì)接近，均為直接躍遷型半導(dǎo)體材料，它們構(gòu)成的三元固溶體的帶隙可以從1.9eV連續(xù)變化到6.2eV。

GaN是性能優(yōu)良的短波長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光材料，可用于藍(lán)光及紫光發(fā)光器件。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料InGaAsP

四元固溶體。通過組分x和y的調(diào)節(jié)，覆蓋波長(zhǎng)范圍從870nm(GaAs)至3.5μm(InAs)，該范圍包含了光纖通訊波長(zhǎng)1.3和1.55μm。光纖通訊所用1.3和1.55μm半導(dǎo)體光源即主要采用InGaAsP材料。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2半導(dǎo)體發(fā)光材料ZnS（熒光粉）II-VI族半導(dǎo)體化合物，帶隙寬度為3.6eV。使用ZnS粉末，用Cu作為激活劑，可以在交流驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)光。發(fā)光光譜可覆蓋整個(gè)可見光波段。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料發(fā)光二極管LightEmittingDiode1.3發(fā)光二極管大功率3W，5WRGB三基色LED燈1.發(fā)光二極管的管芯是PN結(jié)，構(gòu)成PN結(jié)的材料為直接帶隙材料；

2、當(dāng)加正向偏置時(shí)勢(shì)壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)光的原理。

3當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入結(jié)區(qū)的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中自發(fā)輻射發(fā)出非相干光。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，也不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。1.3發(fā)光二極管一、工作原理全內(nèi)反射造成大部分光復(fù)發(fā)逃逸形成有效光輻射；只有小于全反射臨界角的光才能形成部分反射大部分離開發(fā)光二極管，形成有效的光輻射。例如GaAs-空氣界面的臨界角只有16°。1.3發(fā)光二極管

二、基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)LED在基底上依次生長(zhǎng)一層n型層和p型層，p型層相對(duì)較薄，以減少半導(dǎo)體材料的再吸收，有利于輻射符合產(chǎn)生的光子逃逸。1.3發(fā)光二極管

二、基本結(jié)構(gòu)指通常所說的LED的發(fā)光角度，θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸線（法線）的夾角，2θ1/2指左右兩個(gè)方向的夾角之和。如下圖所示一般貼片LED系列的發(fā)光角度為110至120度之間，行業(yè)一般標(biāo)注120度。2.異質(zhì)結(jié)LED

作用：由于ALGaAs的帶隙寬于GaAs，在GaAs中發(fā)射的光子不被ALGaAs吸收，減小光吸收

P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出1.3發(fā)光二極管

二、基本結(jié)構(gòu)1.3發(fā)光二極管

二、光譜分布-半高全寬（FWHM）量子效率：復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復(fù)合載流子總數(shù)）×100%自發(fā)輻射；非相干光源，光束發(fā)散角大（120*30deg），光譜寬度一般為幾十個(gè)nm;沒有諧振腔；沒有閾值，輸出功率基本上與注入電流成正比1.3發(fā)光二極管

三、主要特性發(fā)光二極管替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，由于發(fā)光二極管采用材料均為固態(tài)材料，發(fā)光二極管照明亦稱為固態(tài)照明。原理：二波長(zhǎng)光混色(藍(lán)色光+黃色光)GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λp=465nm）；藍(lán)光激發(fā)Ce(鈰)：YAG（Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩爾比為3：5

）熒光粉，發(fā)射黃色光，峰值550nm；藍(lán)光和黃光混合，得到白光。1.3發(fā)光二極管

四、固態(tài)照明-白光LED2.結(jié)構(gòu)：藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。

1.3發(fā)光二極管

四、白光LED

在同一個(gè)發(fā)光單元中有三種顏色的LED，LED緊密排列，這樣可使得各LED的光斑人眼中成像重疊;1.3發(fā)光二極管

五、全彩LED

獨(dú)立控制發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級(jí)別，亦即控制每個(gè)發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)三種顏色各自的亮度，就可使發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色。1.3發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：●壽命長(zhǎng),理論上為10萬小時(shí)，一般大於5萬小時(shí)。（是熒光燈的10倍）●發(fā)熱量低，耗電量小,白熾燈的1/8,熒光燈的1/3）●體積小,重量輕,可封裝成各種類型●堅(jiān)固耐用,不怕震動(dòng)。環(huán)氧樹脂封裝，防水，耐惡劣環(huán)境使用1.3發(fā)光二極管●多色顯示,利用RGB可實(shí)現(xiàn)七彩色顯示。●工作溫度穩(wěn)定性好?！耥憫?yīng)時(shí)間快,一般為毫微秒(ns)級(jí)。●冷光，不是熱光源?！耠妷旱?可以用太陽能電池作電源1.3發(fā)光二極管應(yīng)用：亮化工程景觀、裝飾燈

作為一種冷光源，LED照明燈具有綠色環(huán)保、節(jié)能、色彩絢麗等傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)美化城市、塑造景觀有重要作用。白光照明：

已開始從小功率白光LED燈用起，如、手電筒、太陽能燈等，并逐步向白光照明邁進(jìn)，將逐步取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈大、中、小屏幕顯示器：

各種廣告牌、體育記分牌、金融和交通指示牌等1.3發(fā)光二極管交通信號(hào)燈：

主要用超高亮度紅、綠、黃色LED背光源：

主要是液晶LCD顯示器上用的背光源，LED在背光源上的用量占30%的份額。LED指示燈：廣泛用于各種家電，儀器，設(shè)備之電源指示1.3發(fā)光二極管LED強(qiáng)光手電筒的選用及與普通手電筒的區(qū)別LED手電用多支二極管組成應(yīng)用：電視遙控器

1956年第一個(gè)現(xiàn)代的無線遙控裝置，利用超聲波來調(diào)頻道和音量，每個(gè)按鍵發(fā)出的頻率不一樣。1.3發(fā)光二極管

1980年，出現(xiàn)了基于紅外發(fā)光二極管和光電二極管的遙控器，慢慢取代了超聲波控制裝置。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管，波長(zhǎng)為940nm左右。1.3發(fā)光二極管IRM3638型紅外接收頭：適宜對(duì)波長(zhǎng)為940nm、調(diào)制頻率為38kHz紅外脈沖信號(hào)的接收。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到IRM的接收要求時(shí)，只需接收6個(gè)脈沖就能可靠觸發(fā)輸出低電平信號(hào)。一旦IRM接收不到符合要求的紅外信號(hào)將輸出高電平。1.3發(fā)光二極管1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理1.4.2法布里-珀羅激光二極管1.4.3分布反饋式激光二極管1.4.4半導(dǎo)體激光器的特性1.4半導(dǎo)體激光器(Laserdiode)1.4半導(dǎo)體激光器(laserdiode)1.激光：英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射放大光)的縮寫。2.半導(dǎo)體激光器（LD）：又名激光二極管（LaserDiode），是以半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，是實(shí)際應(yīng)用中最重要的一類激光器。3.特點(diǎn)：超小型、高效率、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜；采用注入電流的方式泵浦；工作電壓電流與集成電路兼容，可與之單片集成。4.應(yīng)用：在光纖通信、激光唱片、光存儲(chǔ)、全息照相、數(shù)碼顯示，激光打印，激光測(cè)距、醫(yī)療軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在光信息處理、光計(jì)算等新領(lǐng)域也將發(fā)揮重要的作用。1.受激吸收：在電流或光作用下，價(jià)帶中的電子獲得能量躍遷的導(dǎo)帶中，在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，稱為受激吸收。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閾值條件。2.自發(fā)輻射與受激輻射：導(dǎo)帶的電子不穩(wěn)定，向價(jià)帶躍遷與空穴復(fù)合而放出光子——光輻射。如果躍遷是自發(fā)的，則光子具有隨機(jī)的方向、相位及偏振態(tài)，稱為自發(fā)輻射；如果受到入射光子的激勵(lì)，輻射的光子與入射光子有相同的方向、相位及偏振態(tài)，稱為受激輻射。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

一、半導(dǎo)體激光器歷史和發(fā)展1917年，愛因斯坦提出“受激輻射”的概念；1954年，微波量子放大器出現(xiàn)；1960年，紅寶石激光器；

半導(dǎo)體激光器的工作原理1、半導(dǎo)體激光器的基本原理電子能導(dǎo)帶躍遷進(jìn)入價(jià)帶，典型的情況是從導(dǎo)帶底躍遷進(jìn)入價(jià)帶頂。費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律：導(dǎo)帶電子優(yōu)先占據(jù)能量低的能級(jí)；價(jià)帶電子優(yōu)先占據(jù)能量低的能級(jí)，等同于價(jià)帶空穴優(yōu)先占據(jù)能量高的能級(jí)。

1962年，GaAs激光器，77K的溫度下，脈沖輸出；1970年，半導(dǎo)體激光器的室溫下連續(xù)輸出；波長(zhǎng)范圍履蓋了可見光到長(zhǎng)波紅外，壽命百萬小時(shí)，室溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦到千瓦級(jí)。半導(dǎo)體激光器的工作原理

缺點(diǎn):激光性能受溫度影響大；光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)。準(zhǔn)直器（兩個(gè)半柱透鏡）半導(dǎo)體激光器的工作原理二、半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電流泵浦，功率轉(zhuǎn)換效率高(最大可達(dá)50%)，便于調(diào)制；

半導(dǎo)體激光器的工作原理三、產(chǎn)生激光的4個(gè)條件：合適的工作物質(zhì)例如：氦氖激光器-氖原子紅寶石激光器-CrO3泵浦（氣體放電-光泵浦）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（能級(jí)、熱平衡）在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。諧振腔半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的一般構(gòu)成

LD的通用結(jié)構(gòu)構(gòu)成部分：1.有源區(qū)

有源區(qū)是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光增益的區(qū)域。2.光反饋裝置

在光學(xué)諧振腔內(nèi)提供必要的正反饋以促進(jìn)激光振蕩。3.頻率選擇元件用來選擇由光反饋裝置決定的所有縱模中的一個(gè)模式。4.光波導(dǎo)

用于對(duì)所產(chǎn)生的光波在器件內(nèi)部進(jìn)行引導(dǎo)。LD的結(jié)構(gòu)：簡(jiǎn)并型半導(dǎo)體、費(fèi)米能級(jí)與PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的工作原理簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量后，載流子開始簡(jiǎn)并化的現(xiàn)象稱為重?fù)诫s（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入了價(jià)帶或?qū)У陌雽?dǎo)體。簡(jiǎn)并參雜半導(dǎo)體pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)圖

半導(dǎo)體激光器的工作原理五、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：當(dāng)加在PN結(jié)上的正向電壓超過某一值（eV>Eg）后，PN結(jié)的某段區(qū)域中導(dǎo)帶底的電子數(shù)大于價(jià)帶頂電子數(shù)，出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該區(qū)域稱為增益區(qū)(有源區(qū))。半導(dǎo)體激光器的工作原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理解：外電場(chǎng)、電子和空穴的注入、擴(kuò)散、復(fù)合。在PN結(jié)的某段區(qū)域，自由電子、空穴的濃度同時(shí)增大（電子占據(jù)導(dǎo)帶的概率提高，占據(jù)價(jià)帶的概率減?。?。當(dāng)電流增加到某個(gè)值時(shí)，自由電子、空穴的濃度足夠大，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體激光器的工作原理簡(jiǎn)并半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在熱平衡時(shí)，N區(qū)導(dǎo)帶底被電子占據(jù)的概率>P區(qū)價(jià)帶頂被電子占據(jù)的概率N區(qū)和P區(qū)被耗盡層分割，N區(qū)自由電子不能進(jìn)入P區(qū)復(fù)合。當(dāng)正偏時(shí)，外加加壓減小了耗盡層厚度，當(dāng)外加電壓為Eg時(shí)，耗盡層消失，P區(qū)和N區(qū)接觸。半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理GaAs的禁帶寬度：1.42eV普朗克常數(shù)=6.626068×10-34m2kg/se=1.6021892×10-19C

半導(dǎo)體激光器的工作原理常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度：Ge、Si、GaAs0.66eV、1.12eV、1.42eV半導(dǎo)體激光器的工作原理P－N結(jié)的厚度僅幾十微米；諧振腔一般是直接利用垂直于P－N結(jié)的兩個(gè)端面（解理面）GaAs的折射率n＝3.6，反射率0.32，另一面鍍?nèi)瓷淠ぁＡ?、法布?珀羅腔，簡(jiǎn)記為F-P腔半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理光正入射的發(fā)射率：

Rs=Rp=((n2-n1)/(n2-n1))2半導(dǎo)體激光器的工作原理F-P腔：平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。又稱為法布里-珀羅干涉儀，簡(jiǎn)記為F-P腔。半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.半導(dǎo)體激光器的工作原理

初始的光場(chǎng)來源于導(dǎo)帶電子的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外界因素，使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。半導(dǎo)體激光器的工作原理

這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出。半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性光學(xué)特性：一.光譜：峰值波長(zhǎng)、光譜寬度、波長(zhǎng)溫度系數(shù)二.模式：縱模（頻率）橫模（與諧振腔垂直的平面上光場(chǎng)的分布）半導(dǎo)體激光器的工作原理縱模的性質(zhì)：縱模數(shù)隨注入電流而變，電流越高，模數(shù)約少（主模增益增加。邊模增益減少）；峰值波長(zhǎng)隨溫度變化動(dòng)態(tài)譜線展寬（注入電流變化、載流子濃度改變、有源區(qū)折射率改變）半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性三.發(fā)光面積、發(fā)散角激光在輸出鏡上的面積；垂直于PN結(jié)的發(fā)散角大，幾十度（快軸）平行于PN結(jié)的發(fā)散角小，幾度（慢軸）四.光功率半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性五、偏振：TE：電場(chǎng)的振動(dòng)方向平行于有源層（橫電場(chǎng)）TM：電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于有源層（橫磁場(chǎng)）

TE模更容易產(chǎn)生，特別是光功率較小時(shí)。1.4半導(dǎo)體激光器(laserdiode)1.4.1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性電學(xué)特性：五.工作電壓：2~3V左右

半導(dǎo)體激光器的電源是恒壓源還是恒流源？六.閾值電流七.PI特性八.調(diào)制帶寬半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性PI特性半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性LD的遠(yuǎn)場(chǎng)特性幾種典型的LD1.同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度0.1微米）P型和N型限制層構(gòu)成。同質(zhì)結(jié)LD雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

有效降低閾值電流，一方面要對(duì)載流子進(jìn)行限制，即將注入的載流子限制在結(jié)附近的極小區(qū)域內(nèi)，這樣可以以較小的注入電流實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需要的載流子濃度；另一方面，也需要一定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將光子限定在有源區(qū)附近，這可以增加光子密度，提高受激輻射的概率。

利用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子和光子的限制。半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)是窄帶隙的半導(dǎo)體有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間形成的結(jié)構(gòu)。由于寬帶隙的半導(dǎo)體材料相比于窄帶隙的半導(dǎo)體材料具有更低的折射率，這就使得該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于二維層狀介質(zhì)波導(dǎo)，因此可以在垂直于結(jié)平面方向上同時(shí)有效地限制載流子和光子。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為了獲得較高的勢(shì)壘要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由于p-p異質(zhì)結(jié)和p-n異質(zhì)結(jié)對(duì)注入有源層的電子和空穴分別存在勢(shì)壘，阻止電子和空穴的繼續(xù)漂移，電子和空穴因此在有源層大量聚集，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。另外，GaAs相比于AlGaAs具有更高的折射率，因此形成二維介質(zhì)波導(dǎo)將光子約束在有源層中，從而降低了光子的損耗，提高了光子密度。1、諧振腔對(duì)激光頻率的約束：

nL=(λ/2)Kλ=2nL/K(K=1,2,3…..)f=ck/2nL(K=1,2,3)Δf=c/2nL

分布反饋及分布布拉格半導(dǎo)體激光器分布反饋式LD分布反饋及分布布拉格半導(dǎo)體激光器2、法布里-珀羅（F-P）半導(dǎo)體激光器的缺點(diǎn)：腔長(zhǎng)一般為數(shù)百個(gè)微米，難以實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。滿足不了光纖通信的需要（單模光纖）分布反饋激光二極管3、DFB-LD的諧振：沿有源層長(zhǎng)度方向的折射率周期性變化（波紋狀）