南京郵電大學(xué)光電子作業(yè)及答案

為什么在同質(zhì)結(jié)LED中，應(yīng)該使電子注入電流盡量大，空穴注入電流盡量小，或者說用P區(qū)作為出光區(qū)，而在異質(zhì)結(jié)LED中，并不需要這樣做？2.2節(jié)思考題1:同質(zhì)結(jié)LED為提高注入效率，應(yīng)采用P區(qū)作為出光區(qū)，使電子注入電流盡量大，空穴注入電流盡量??；

在異質(zhì)結(jié)LED中，N區(qū)和P區(qū)分別向有源區(qū)注入電子和空穴，且有源區(qū)兩邊異質(zhì)結(jié)的勢壘可限制注入該區(qū)的兩種載流子；電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生的光子，無論從P區(qū)還是N區(qū)出射，都不會被吸收，因此并不局限在以P區(qū)作為出光區(qū)。同質(zhì)結(jié)LED的注入效率：思考題2:與普通的面發(fā)射LED相比較，為什么邊輻射LED與光纖之間的耦合效率更高？對于普通面發(fā)射LED，由于在水平和垂直方向都沒有限制，因此其水平和垂直方向的散射角都為120°；

而對于邊發(fā)射LED，雖然平行于結(jié)平面方向沒有限制，水平散射角雖仍是120°；但在垂直于結(jié)平面方向?qū)庥邢拗?，其垂直散射角?0°，因此邊輻射LED與光纖之間的耦合效率更高。P-N+型同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的LED，參數(shù)如下。計算其注入效率?！玖?xí)題2.1】【解】少子濃度為擴(kuò)散長度為：注入效率為：【習(xí)題2.2】

一個LED，正常工作情況下其有源區(qū)載流子的輻射復(fù)合壽命為2ns，非輻射復(fù)合壽命為5ns，求此LED的3dB截止帶寬?！窘狻俊玖?xí)題2.3】P-N+型同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的LED，參數(shù)與習(xí)題2.1相同，其產(chǎn)生光功率為1mW，器件橫截面積為1mm2，輻射效率為20%。求正向偏置電壓。（工作溫度300K）【解】【習(xí)題2.4】在GaAs-LED外加圓形電介質(zhì)罩，光束由LED向電介質(zhì)罩出射時，在界面的反射率為10%，計算此電介質(zhì)罩材料的折射率。電介質(zhì)罩材料的折射率n從半導(dǎo)體材料到電介質(zhì)罩的反射率R為【解】【習(xí)題2.5】GaAs材料制作的P-N+同質(zhì)結(jié)LED，器件參數(shù)如下。請計算：

（1）總量子效率；（2）單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)；（3）注入電流。（1）總量子效率；（2）單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)（3）注入電流或【解】【習(xí)題2.6】GaAs材料的LED，輸出功率為5mW，橫截面積100um2，器件出光效率為0.2，載流子的輻射復(fù)合壽命為5ns。器件的非輻射復(fù)合忽略不計，注入效率為1。計算有源層厚度是多少。（題目中取n=1018cm-3）【解】2.3節(jié)思考題:

1.激光器的基本結(jié)構(gòu)由哪幾部分組成？

半導(dǎo)體激光器有什么突出特點(diǎn)？激光器的基本組成部分:

增益介質(zhì)

諧振腔

泵浦源結(jié)構(gòu)很緊湊，避免了外加諧振腔可能產(chǎn)生的機(jī)械不穩(wěn)定性；半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源也較簡單，需要的電流、電壓均很小，因此工作較方便和安全。優(yōu)點(diǎn)：2.什么是半導(dǎo)體激光器的閾值條件?閾值條件：光子在諧振腔內(nèi)往返一次，不產(chǎn)生損耗而能維持穩(wěn)定的振蕩或形成穩(wěn)定的駐波。3.光子在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩的閾值振幅條件和相位條件。閾值振幅條件相位條件4.閾值增益的計算，如何降低激光器的閾值增益？閾值增益：盡量減少光子在介質(zhì)內(nèi)部損耗、適當(dāng)增加增益介質(zhì)的長度和對非輸出面鍍以高反射膜。降低LD的閾值增益：5.激光器的縱模間隔是多少？縱模波長間隔縱模頻率間隔忽略色散：（2.4節(jié)）1．為什么同質(zhì)結(jié)激光器不能在室溫下連續(xù)工作？為什么其光場分布相對于結(jié)平面不對稱分布？（1）同質(zhì)結(jié)LD有源區(qū)的厚度主要由p區(qū)電子的擴(kuò)散長度所決定；而它是隨溫度的增加而增加的，室溫時的Ln可達(dá)5微米。在如此厚的有源區(qū)內(nèi)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要大的注入載流子濃度；在一個Ln范圍內(nèi)產(chǎn)生的受激輻射光子，無限制地向兩邊擴(kuò)展；所以，同質(zhì)結(jié)LD閾值電流密度高，而且隨溫度發(fā)生劇烈變化。同質(zhì)結(jié)室溫下的閾值電流密度高達(dá)104A/cm2量級，只能在液氮溫度下才能連續(xù)工作；（2）結(jié)附近存在一個很小的折射率臺階，引起一個很弱的光波導(dǎo)效應(yīng)，但由于電子有比空穴高的遷移率因而有大的擴(kuò)散長度，所以同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)偏向p區(qū)一側(cè)。作業(yè):教材138頁第1-3題答：答：（1）由于有源層側(cè)向尺寸減少，光場分布對稱性增加；（2）因為在側(cè)向?qū)﹄娮雍凸鈭鲆灿邢拗?，有利于減少激光器的

閾值電流和工作電流；（3）由于有源層被埋在導(dǎo)熱性能良好的無源晶體中，減少了激

光器的熱阻，有利于提高激光器的熱穩(wěn)定性。（4）由于有源區(qū)面積小，有源層缺陷少。同時，除解理面外，

有源區(qū)與外界隔離，有利于提高器件的穩(wěn)定性與可靠性。（5）由于有源層側(cè)向尺寸減少，有利于改善側(cè)向模式。（2.5節(jié)）2．條形半導(dǎo)體激光器有哪些優(yōu)點(diǎn)？為什么？（2.5節(jié)）3．在條形半導(dǎo)體激光器中測向電流擴(kuò)展和側(cè)向載流子擴(kuò)散在物理概念上有何不同？如何減少這兩種影響？答：電流與載流子的側(cè)向擴(kuò)展都是載流子運(yùn)動的結(jié)果，但前者是pn結(jié)間多數(shù)載流子在電場作用下側(cè)向的漂移運(yùn)動，而后者是注入的非平衡少數(shù)載流子由中心向兩側(cè)所形成的濃度梯度使其產(chǎn)生側(cè)向擴(kuò)散。

為減少側(cè)向電流擴(kuò)展，必須形成良好的電流通道?？捎觅|(zhì)子轟擊或氧注入的方法在所需的電流通道區(qū)兩側(cè)形成高阻區(qū)；也可用深鋅擴(kuò)散的方法使所需的電流通道區(qū)相對于兩側(cè)形成低阻區(qū)，更有效的方法是采用反向pn結(jié)阻止電流的擴(kuò)展。為防止載流子的側(cè)向擴(kuò)散，可采取以下措施：（1）限制注入電流的側(cè)向擴(kuò)展；（2）在有源區(qū)兩側(cè)側(cè)用pn同質(zhì)結(jié)勢壘限制載流；（3）在側(cè)向用異質(zhì)結(jié)對載流子的側(cè)向擴(kuò)散進(jìn)行限制。（2.4節(jié)）1、描述單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。解釋說明其相對于同質(zhì)結(jié)的優(yōu)越性。并說明其缺點(diǎn)。答：單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由一個同質(zhì)結(jié)和一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)成，有源層（p-GaAs）被夾在（n-GaAs）和寬帶隙材料（P-GaAlAs）之間。

從n-GaAs注入p-GaAs的電子就會受到p-GaAs/P-GaAlAs異質(zhì)結(jié)勢壘的限制，在同樣的注入速率下，這將使有源層積累的非平衡少數(shù)載流子濃度增加；同時異質(zhì)結(jié)兩邊材料的折射率差所形成的光波導(dǎo)效應(yīng)，限制了有源區(qū)中所激發(fā)的光子從橫向逸出該異質(zhì)結(jié)而損失掉；單異質(zhì)結(jié)已使激光器的閾值電流密度比同質(zhì)結(jié)激光器低一個數(shù)量級。pn同質(zhì)結(jié)對注入有源層的空穴向n區(qū)擴(kuò)散沒有限制，同時對光子也只有很弱的光波導(dǎo)效應(yīng)。因此，為了達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的載流子濃度，仍需在n區(qū)重?fù)诫s（3～4×1018/cm3）作業(yè):補(bǔ)充1-3題（2.4節(jié)）2、描述雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。并簡要說明其優(yōu)點(diǎn)。答：雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)：有源層p-GaAs被夾在寬帶隙材料P-GaAlAs和N-GaAlAs之間。優(yōu)點(diǎn)：由于利用雙異質(zhì)結(jié)對載流子和光子的限制作用加強(qiáng)，閾值電流密

度比單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)下降了近一個數(shù)量級；

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上的對稱性，帶來了折射率和光強(qiáng)分布的對稱性。

（2.4節(jié)）

3、目前對異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體LD的研究主要集中在哪些方面？答：（1）提高激光器工作壽命，研究激光器性能退化和失效的機(jī)理，提高激光器長期工作的穩(wěn)定性與可靠性，發(fā)展各種條形結(jié)構(gòu)的激光器，降低閾值電流。（2）擴(kuò)展半導(dǎo)體激光器的工作波段。（3）壓縮半導(dǎo)體激光器輸出光譜寬度（線寬）和適用在高速調(diào)制下的單縱模工作（即動態(tài)單縱模）。（4）提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率和輸出光束的相干性，使光子從信息領(lǐng)域擴(kuò)展到以光