光電子學(xué)模板課件

半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件1半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)，具有規(guī)則幾何外形。半導(dǎo)體材料的分類結(jié)構(gòu)類型晶胞類型半導(dǎo)體材料金剛石型面心立方晶體Si，金剛石，Ge閃鋅礦型面心立方晶體GaAs，ZnO，GaN，SiC纖鋅礦型六方晶體InN，GaN，ZnO，SiC按有無雜質(zhì)分類：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體按元素種類分類：元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶體。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類晶體是由原子或分子在空間2半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶當(dāng)N個原子互相靠近結(jié)合成晶體后，每個電子都要受到周圍原子勢場的作用，其結(jié)果是每一個原來孤立的能級分裂成彼此相距很近的N個能級，準(zhǔn)連續(xù)的，可看作一個能帶。制造半導(dǎo)體器件所用的單晶體由靠的很密的原子周期性重復(fù)排列而成，相鄰原子間距只有零點(diǎn)幾個納米。由于原子間距離很小，原來孤立原子的各個能級將發(fā)生不同程度的交疊。相鄰原子距離越近，能帶寬度越大。能量越低的態(tài)，能帶寬度越小。

演示半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級能帶允帶禁帶允帶3半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)Eg>6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶導(dǎo)體固體按其導(dǎo)電性分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。valenceband:thehighestbandcontaininge-conductionband:thebande-inwhichcanconductnetcurrent價帶導(dǎo)帶滿帶半滿帶1.電子在核外排列先分布在低能級軌道上,使整個原子系統(tǒng)能量最低；2.Pauli不相容原理：每個原子軌道中最多容納兩個自旋方式相反的電子；3.Hund規(guī)則：在能級簡并的軌道上，電子盡可能自旋平行地分占不同的軌道。全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)比較穩(wěn)定。電子分布原則：半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)Eg>6eVE4光電子學(xué)模板課件5Ex.Ccrystal:1s22s22p2碳晶體是導(dǎo)體？？碳晶體是絕緣體！軌道雜化作用Ex.Ccrystal:1s22s22p2碳晶6IV族元素晶體的導(dǎo)電性能

IV族元素晶體的導(dǎo)電性能7半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留下一個空狀態(tài)，把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴?？昭ú粌H有正電荷＋q，還具有正的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體中的載流子——電子和空穴價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，形成了傳導(dǎo)電子，傳導(dǎo)電子參與導(dǎo)電，電子帶有負(fù)電荷－q，還具有負(fù)的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留8半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷本征半導(dǎo)體：由單一元素組成的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。其中自由電子數(shù)目n和空穴數(shù)目p一一對應(yīng)，數(shù)量相等n＝p。N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n>>p。P型半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，即p>>n。實際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而是存在著各種缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體：為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶體。分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷本征半導(dǎo)體：由單一元素組成的結(jié)構(gòu)完整的半9N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。V族雜質(zhì)在硅中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)。多余的價電子束縛在正電中心P＋的周圍，但這種束縛作用比共價鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電電子。使價電子擺脫束縛所需要的能量稱為施主雜質(zhì)電離能半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)ECEVEDEgEV－－價帶能級EC－－導(dǎo)帶能級ED－－施主能級Eg－－帶隙寬度N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成10P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)體)。常用的3價雜質(zhì)元素有硼、鋁、鎵、銦等。III族雜質(zhì)在硅中電離時，能夠釋放空穴而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱為受主雜質(zhì)。多余的空穴束縛在負(fù)電中心Al－的周圍，但這種束縛作用比共價鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電空穴。使空穴擺脫束縛所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能EV－－價帶能級EC－－導(dǎo)帶能級EA－－受主能級Eg－－帶隙寬度半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成11半導(dǎo)體中載流子的態(tài)密度

電子的態(tài)密度r(E)定義為：在晶體的單位體積內(nèi)，能量處于E和E+dE之間的狀態(tài)數(shù)目，可視為能量E的狀態(tài)數(shù)目。設(shè)導(dǎo)帶底的能量為EC，價帶頂?shù)哪芰繛镋v，則導(dǎo)帶和價帶的能量的態(tài)密度為：價帶電子態(tài)密度隨能量增大而減小導(dǎo)帶電子態(tài)密度隨能量增大而增大半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的態(tài)密度電子的態(tài)密度r(E)定義為：在晶體的12半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)電子在允帶能級上的分布遵守Fermi-Dirac分布：f(E)稱為費(fèi)米分布函數(shù)，EF為費(fèi)米能級電子占據(jù)能量為E能級的幾率為：半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律－費(fèi)米能級費(fèi)米能級EF和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)費(fèi)米能級標(biāo)志了電子填充能級的水平,處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)電子在允帶能級上的分布遵守Fermi-D13半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律：電子：空穴：熱平衡狀態(tài)下導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度分別為：ni稱為本征載流子濃度，是一個只和材料本身性質(zhì)及熱平衡溫度有關(guān)的量.溫度一定時，兩種載流子濃度乘積等于本征濃度的平方。熱平衡統(tǒng)計分布方程半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律載流子的統(tǒng)計14半導(dǎo)體中的平衡載流子——溫度一定、無外界能量激發(fā)摻雜半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中的電中性條件：整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。N型半導(dǎo)體中有nN=pN+ND,pN(pN+ND)=ni2

P型半導(dǎo)體中有pP=nP+NA,nP(nP+NA)=ni2

重?fù)诫s半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體中有nN=ND,P型半導(dǎo)體中有pP=NA本征半導(dǎo)體：n0p0=ni2,本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級位于禁帶中心EF0附近N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近導(dǎo)帶底P型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近價帶頂N型半導(dǎo)體中有P型半導(dǎo)體中有半導(dǎo)體中的平衡載流子——溫度一定、無外界能量激發(fā)摻雜半導(dǎo)體：15非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光——有外界能量作用平衡載流子的躍遷是一種熱躍遷，由平衡載流子復(fù)合時放出的能量激發(fā)出新的平衡載流子，復(fù)合和激發(fā)處于動態(tài)平衡的過程。平衡載流子復(fù)合不會產(chǎn)生光輻射。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)非平衡載流子的壽命：從非平衡分布恢復(fù)到平衡態(tài)分布的時間。壽命越短，復(fù)合機(jī)率越大。當(dāng)有外界能量注入時，半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生率超過復(fù)合率，形成相對平衡分布過剩的非平衡載流子。只有非平衡載流子的復(fù)合才會產(chǎn)生光輻射。非平衡態(tài)載流子的壽命與平衡載流子的濃度成反比，摻雜可提高復(fù)合機(jī)率。非平衡態(tài)載流子的壽命與注入載流子的濃度成反比，強(qiáng)注入可提高復(fù)合機(jī)率。

非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光——有外界能量作用平衡載流子的躍遷是一16帶間復(fù)合發(fā)光——直接躍遷與間接躍遷價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷。直接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體。例：GaAs，GaN，ZnO。價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動量也要改變，稱為間接躍遷。間接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體。例：Si，Ge半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)化合物半導(dǎo)體材料一般都是直接躍遷，光電轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)光性能好。直接復(fù)合—高效率（僅有光子參與的電子躍遷）間接復(fù)合—低效率（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）帶間復(fù)合發(fā)光——直接躍遷與間接躍遷價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只17非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光非平衡載流子的輻射復(fù)合的形式分為：

半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)非平衡載流子的無輻射復(fù)合帶間復(fù)合能帶－局域能級的復(fù)合施主－受主對的復(fù)合激子復(fù)合等電子中心復(fù)合溫度淬滅——溫度越高，深能級對發(fā)光的淬滅越強(qiáng)，最終導(dǎo)致發(fā)光淬滅濃度淬滅——多數(shù)載流子濃度越高，俄歇效應(yīng)越強(qiáng)，最終抑制輻射躍遷。多聲子過程——載流子通過深能級復(fù)合時，輻射能量會轉(zhuǎn)化為聲子形式俄歇效應(yīng)——載流子復(fù)合時把放出的能量轉(zhuǎn)移給其他的載流子非平衡載流子的無輻射復(fù)合會降低發(fā)光效率非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光非平衡載流子的輻射復(fù)合的形式分為：半導(dǎo)18半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)的形成半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)的形成19半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)少子注入：由于PN結(jié)勢壘降低，N區(qū)電子可以進(jìn)一步擴(kuò)散到P區(qū)，從而破壞了P區(qū)少子的平衡，產(chǎn)生了非平衡少子，同樣P區(qū)的空穴進(jìn)入N區(qū)，在N區(qū)也產(chǎn)生了非平衡少子。PN結(jié)少子注入復(fù)合發(fā)光PN結(jié)正向偏置——P區(qū)接正電極，N區(qū)接負(fù)電極

少子注入破壞了結(jié)區(qū)平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶和價帶內(nèi)的載流子各自迅速建立起自己的平衡狀態(tài)PN結(jié)正向偏置g內(nèi)電場削弱，勢壘降低g阻擋層變窄g擴(kuò)散電流增加半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)少子注入：由于PN結(jié)勢壘20半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——heterojunction半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heterojunction）異質(zhì)結(jié)：由不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)，導(dǎo)電類型即可相同（PPorNN）,也可相反（pn

）。電子從N區(qū)向P區(qū)的注入比空穴從P區(qū)向N區(qū)的注入大得多，大大提高了注入效率，從而提高了發(fā)光效率。同質(zhì)結(jié)：由同一種半導(dǎo)體材料組成的導(dǎo)電類型相反的結(jié)（PN結(jié)）異質(zhì)PN結(jié)：半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——heterojunction半導(dǎo)體異21半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PP結(jié)耗盡層在寬禁帶材料一側(cè)。電子或是空穴均是從寬禁帶材料一側(cè)向窄禁帶材料一側(cè)擴(kuò)散。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heterojunction）異質(zhì)PP結(jié)：半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PP結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heteroju22半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——ＤＨ結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DoubleHeterostructures）外加正向偏壓后，異質(zhì)PN結(jié)在提高電子從Ｎ區(qū)向Ｐ區(qū)注入的同時，限制了空穴從P區(qū)向N區(qū)的擴(kuò)散，利于中間復(fù)合發(fā)光區(qū)載流子濃度的提高。在PP結(jié)區(qū)，異質(zhì)結(jié)提高了空穴從寬禁帶材料一側(cè)向窄禁帶材料注入的效率，同時限制了電子從中間區(qū)向?qū)拵^(qū)的擴(kuò)散，利于中間復(fù)合發(fā)光區(qū)載流子濃度的提高。在整個雙異質(zhì)PPN結(jié)內(nèi)，電子的復(fù)合區(qū)域被限制在中間層，有效提高了復(fù)合區(qū)的發(fā)光密度。同時輻射出的光子不會被兩邊寬禁帶材料吸收。形成了波導(dǎo)，起到限制光場的作用。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——ＤＨ結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DoubleHet23半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)ManufacturingofSemiconductorOptoelectronicDevices

晶格失配導(dǎo)致界面缺陷存在，影響復(fù)合發(fā)光。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)ManufacturingofSem24半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——量子阱量子阱結(jié)構(gòu)（QuantumWells）一般的半導(dǎo)體光電子元件都采用如前所述的三明治結(jié)構(gòu)。發(fā)光區(qū)都在中間層的窄禁帶材料內(nèi)。如果減小中間層厚度，可以有效地提高中間層的載流子濃度，提高發(fā)光效率。當(dāng)中間層厚度減小至與電子或空穴的德布羅意波長可比時（<10nm），量子效應(yīng)出現(xiàn)，原來準(zhǔn)連續(xù)分布的能帶成為量子化的分立子能帶。子能帶基態(tài)離開了導(dǎo)帶底和價帶頂，使有效禁帶寬度變大。同時電子只能集中到量子化能態(tài)上，提高了允許態(tài)上的電子密度。發(fā)光層很薄，減少了內(nèi)部吸收。載流子濃度很大，有高的復(fù)合效率。薄層降低了異質(zhì)結(jié)表面的晶格失配。有效提高了輻射光子的能量。發(fā)光波長對溫度不敏感。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——量子阱量子阱結(jié)構(gòu)（QuantumW25半導(dǎo)體光電子器件LaserDiodes

半導(dǎo)體光電子器件LaserDiodes26半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode半導(dǎo)體激光器激光器件的三要素：產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的材料；激光器共振腔；功率源。半導(dǎo)體激光器又叫激光二極管，是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件。半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為：PN結(jié)激光器、異質(zhì)結(jié)激光器、量子阱激光器、分布反饋激光器。PN結(jié)激光器：材料是高摻雜的簡并半導(dǎo)體，組成PN結(jié)后，在外加正向偏壓作用下形成有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活區(qū)域。光束將被限制在由激活區(qū)構(gòu)成的波導(dǎo)層內(nèi)。波導(dǎo)層有兩個端面是由半導(dǎo)體的解理面自然形成的，有很好的平行度和較高的反射率，可以形成激光器的共振腔。半導(dǎo)體激光器的功率源有直流電源和脈沖電源兩種。由于PN結(jié)面積很小，所以需要的注入電流很小，一般只有幾十毫安。功率源產(chǎn)生的功率為幾百毫瓦就可使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光。半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode半導(dǎo)體激光器激光器27半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode載流子反轉(zhuǎn)分布條件EE-hnhn受激輻射速率：受激吸收速率：光放大的基本條件是受激輻射速率大于吸收速率：必須是重?fù)诫s材料所加正向偏壓足夠大半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode載流子反轉(zhuǎn)分布條件28半導(dǎo)體光電子器件——LD重?fù)诫s半導(dǎo)體PN結(jié)中aEFn>Ec,EFp<EvLD中載流子反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)條件正向偏壓eV>Ega結(jié)區(qū)粒子數(shù)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)

受激輻射大于受激吸收a光放大

半導(dǎo)體光電子器件——LD重?fù)诫s半導(dǎo)體PN結(jié)中aEFn>Ec29半導(dǎo)體光電子器件——LDLD中的諧振腔

解離面形成反射面(~30%反射率)腔縱模條件:半導(dǎo)體光電子器件——LDLD中的諧振腔解離面形成反射面(30半導(dǎo)體光電子器件——LD閾值電流

泵浦機(jī)制:正向偏壓

閾值電流Ith:Gth=dla光增益閾值aIth半導(dǎo)體光電子器件——LD閾值電流泵浦機(jī)制:正向偏壓閾31半導(dǎo)體光電子器件——LD降低閾值電流Ith的方法：(1)限制載流子(2)限制光子降低閾值電流的結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié)

doubleheterostructure半導(dǎo)體光電子器件——LD降低閾值電流Ith的方法：(1)32半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的激光模式與光束發(fā)散角激光模式依賴于介質(zhì)的增益曲線和諧振腔的特性諧振腔長度L決定縱模分布，橫截面W&H決定橫模分布減小橫截面W&Ha基橫模TEM00輸出光束發(fā)散角：半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的激光模式與光束發(fā)散角激光模式依33半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的光譜特性

光譜主頻率由介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)決定LD的光譜特點(diǎn)：低注入電流a多模輸出高注入電流a單模輸出

P0↑a

Tj

↑aEg↓aλ0↑半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的光譜特性光譜主頻率由介質(zhì)能級34半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反射型--DistributedBraggReflectorLaserDiode單模輸出:Dl

<0.1nm

選模原理a反射光柵半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反射型--Distribu35半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反饋型--DistributedFeedbackLaserDiode選模原理：利用周期結(jié)構(gòu)的布拉格反射建立腔內(nèi)光反饋輸出頻率由波紋結(jié)構(gòu)的周期決定反向傳輸?shù)男胁ㄏ嗷ヱ詈铣神v波，實現(xiàn)了無反射面的光反饋半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反饋型--Distribu36半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的復(fù)合腔選模

復(fù)合腔增大了縱模間隔，實現(xiàn)單模輸出半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的復(fù)合腔選模復(fù)合腔增大了縱模間37半導(dǎo)體光電子器件——LD垂直腔面發(fā)射型-VerticalCavitySurfaceEmittingLaser諧振腔方向沿電流方向

腔選模條件

l

:半導(dǎo)體光電子器件——LD垂直腔面發(fā)射型-VerticalC38半導(dǎo)體光電子器件——LD量子阱結(jié)構(gòu)----SingleQuantumWellStructure

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的中間層非常薄(<10nm)a電子運(yùn)動被限制在二維薄層內(nèi)電子態(tài)密度變化呈階梯狀分布

半導(dǎo)體光電子器件——LD量子阱結(jié)構(gòu)----Single39半導(dǎo)體光電子器件——LD多量子阱結(jié)構(gòu)

QWlasers優(yōu)點(diǎn):1.閾值電流更低2.單色性更好MQW更易實現(xiàn)單模輸出半導(dǎo)體光電子器件——LD多量子阱結(jié)構(gòu)QWlasers優(yōu)40半導(dǎo)體光電子器件LightEmittingDiodes

半導(dǎo)體光電子器件LightEmittingDiodes41半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的研發(fā)史LED的研發(fā)主要取決于發(fā)光材料的研發(fā)進(jìn)展

半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的研發(fā)史LED的研發(fā)主要取決42半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的發(fā)光材料選取發(fā)光材料的選取依據(jù):(2)appropriatesubstrate(1)Egofthematerial(3)availabilityofheterostructures半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的發(fā)光材料選取發(fā)光材料的選取43半導(dǎo)體光電子器件——LED典型LED發(fā)光材料的特性參數(shù)1.GaAs-----Ga1-xAlxAs:Eg=1.424+1.247x(0<x<0.35)0.6um~0.9um2.InP-----In1-xGaxAsyP1-y:Eg=1.35-1.89x+1.48x2-0.56x3

0.9um~107um3.GaP+GaAs----GaAs1-xPx:0.5um~0.7um半導(dǎo)體光電子器件——LED典型LED發(fā)光材料的特性參數(shù)1.44半導(dǎo)體光電子器件——LED典型LED發(fā)光材料的特性參數(shù)半導(dǎo)體光電子器件——LED典型LED發(fā)光材料的特性參數(shù)45半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的伏安特性低偏壓時，無輻射復(fù)合過程主導(dǎo)電流∝exp(qV/2kBT)高偏壓時，輻射復(fù)合過程主導(dǎo)電流∝exp(qV/kBT)半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的伏安特性低偏壓時，無輻射復(fù)46半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的操作電壓

操作電壓：對于典型尺寸的LED(~300mmx300mm)，當(dāng)操作電流為20毫安時對應(yīng)的電壓值Eg↑aVf

↑T

↑aEg↓aVf

↓半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的操作電壓操作電壓：對于典47半導(dǎo)體光電子器件——LED結(jié)區(qū)溫度T對LED性能的影響結(jié)區(qū)溫度Tj:發(fā)光層的溫度

影響Tj的因素:1.環(huán)境溫度2.電流的焦耳熱Tj的影響:1.I-V特性2.輻射光的波長3.輻射光的強(qiáng)度

Tj

↑a載流子碰撞復(fù)合幾率

↑a載流子躍遷復(fù)合幾率

↓aηi↓

aoutputpower↓Tj

↑aEg↓aVf↓，

l↑Tj

↑acarrieroverflowfromactivelayer↑aoutputpower↓半導(dǎo)體光電子器件——LED結(jié)區(qū)溫度T對LED性能的影響結(jié)區(qū)溫48半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的效率功率效率:hcv=Pout/Pe-inx100%外量子效率hext:

內(nèi)量子效率hi:

逸出效率

hout=hext/hi半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的效率功率效率:外量子效率49半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)分類半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)分類50半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--WindowLayers

withoutwindowlayerwithwindowlayer

半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--WindowL51半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--

TransparentSubstrateRed/YellowLEDsEgofGaAs=1.424eV(870nm)EgofGaP=2.24eV(553nm)visible(AlxGa1-x)0.5In0.5PLEDstypicaloperatingwavelengthsof560~660nmaregrownlattice-matchedonGaASsubstrates半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--Transpa52半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--

TotalInternalReflectionandEscapeCones半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--TotalI53半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--

SphericallyShapedSurface

半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--Spheric54半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--

TIP(truncatedinvertedpyramid)

Structure半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)--TIP(tr55半導(dǎo)體光電子器件——LED高亮度LED的結(jié)構(gòu)演化

半導(dǎo)體光電子器件——LED高亮度LED的結(jié)構(gòu)演化56半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件57半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)，具有規(guī)則幾何外形。半導(dǎo)體材料的分類結(jié)構(gòu)類型晶胞類型半導(dǎo)體材料金剛石型面心立方晶體Si，金剛石，Ge閃鋅礦型面心立方晶體GaAs，ZnO，GaN，SiC纖鋅礦型六方晶體InN，GaN，ZnO，SiC按有無雜質(zhì)分類：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體按元素種類分類：元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件所用的材料大多是單晶體。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體材料的分類晶體是由原子或分子在空間58半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶當(dāng)N個原子互相靠近結(jié)合成晶體后，每個電子都要受到周圍原子勢場的作用，其結(jié)果是每一個原來孤立的能級分裂成彼此相距很近的N個能級，準(zhǔn)連續(xù)的，可看作一個能帶。制造半導(dǎo)體器件所用的單晶體由靠的很密的原子周期性重復(fù)排列而成，相鄰原子間距只有零點(diǎn)幾個納米。由于原子間距離很小，原來孤立原子的各個能級將發(fā)生不同程度的交疊。相鄰原子距離越近，能帶寬度越大。能量越低的態(tài)，能帶寬度越小。

演示半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級能帶允帶禁帶允帶59半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)Eg>6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶導(dǎo)體固體按其導(dǎo)電性分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。valenceband:thehighestbandcontaininge-conductionband:thebande-inwhichcanconductnetcurrent價帶導(dǎo)帶滿帶半滿帶1.電子在核外排列先分布在低能級軌道上,使整個原子系統(tǒng)能量最低；2.Pauli不相容原理：每個原子軌道中最多容納兩個自旋方式相反的電子；3.Hund規(guī)則：在能級簡并的軌道上，電子盡可能自旋平行地分占不同的軌道。全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)比較穩(wěn)定。電子分布原則：半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)Eg>6eVE60光電子學(xué)模板課件61Ex.Ccrystal:1s22s22p2碳晶體是導(dǎo)體？？碳晶體是絕緣體！軌道雜化作用Ex.Ccrystal:1s22s22p2碳晶62IV族元素晶體的導(dǎo)電性能

IV族元素晶體的導(dǎo)電性能63半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留下一個空狀態(tài)，把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴?？昭ú粌H有正電荷＋q，還具有正的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體中的載流子——電子和空穴價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，形成了傳導(dǎo)電子，傳導(dǎo)電子參與導(dǎo)電，電子帶有負(fù)電荷－q，還具有負(fù)的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)價帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價帶中就留64半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷本征半導(dǎo)體：由單一元素組成的結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。其中自由電子數(shù)目n和空穴數(shù)目p一一對應(yīng)，數(shù)量相等n＝p。N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n>>p。P型半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度，即p>>n。實際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而是存在著各種缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體：為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶體。分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷本征半導(dǎo)體：由單一元素組成的結(jié)構(gòu)完整的半65N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。V族雜質(zhì)在硅中電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)。多余的價電子束縛在正電中心P＋的周圍，但這種束縛作用比共價鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電電子。使價電子擺脫束縛所需要的能量稱為施主雜質(zhì)電離能半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)ECEVEDEgEV－－價帶能級EC－－導(dǎo)帶能級ED－－施主能級Eg－－帶隙寬度N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成66P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)體)。常用的3價雜質(zhì)元素有硼、鋁、鎵、銦等。III族雜質(zhì)在硅中電離時，能夠釋放空穴而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱為受主雜質(zhì)。多余的空穴束縛在負(fù)電中心Al－的周圍，但這種束縛作用比共價鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電空穴。使空穴擺脫束縛所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能EV－－價帶能級EC－－導(dǎo)帶能級EA－－受主能級Eg－－帶隙寬度半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，即構(gòu)成67半導(dǎo)體中載流子的態(tài)密度

電子的態(tài)密度r(E)定義為：在晶體的單位體積內(nèi)，能量處于E和E+dE之間的狀態(tài)數(shù)目，可視為能量E的狀態(tài)數(shù)目。設(shè)導(dǎo)帶底的能量為EC，價帶頂?shù)哪芰繛镋v，則導(dǎo)帶和價帶的能量的態(tài)密度為：價帶電子態(tài)密度隨能量增大而減小導(dǎo)帶電子態(tài)密度隨能量增大而增大半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的態(tài)密度電子的態(tài)密度r(E)定義為：在晶體的68半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)電子在允帶能級上的分布遵守Fermi-Dirac分布：f(E)稱為費(fèi)米分布函數(shù)，EF為費(fèi)米能級電子占據(jù)能量為E能級的幾率為：半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律－費(fèi)米能級費(fèi)米能級EF和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)費(fèi)米能級標(biāo)志了電子填充能級的水平,處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)電子在允帶能級上的分布遵守Fermi-D69半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律：電子：空穴：熱平衡狀態(tài)下導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度分別為：ni稱為本征載流子濃度，是一個只和材料本身性質(zhì)及熱平衡溫度有關(guān)的量.溫度一定時，兩種載流子濃度乘積等于本征濃度的平方。熱平衡統(tǒng)計分布方程半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布規(guī)律載流子的統(tǒng)計70半導(dǎo)體中的平衡載流子——溫度一定、無外界能量激發(fā)摻雜半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體中的電中性條件：整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。N型半導(dǎo)體中有nN=pN+ND,pN(pN+ND)=ni2

P型半導(dǎo)體中有pP=nP+NA,nP(nP+NA)=ni2

重?fù)诫s半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體中有nN=ND,P型半導(dǎo)體中有pP=NA本征半導(dǎo)體：n0p0=ni2,本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級位于禁帶中心EF0附近N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近導(dǎo)帶底P型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近價帶頂N型半導(dǎo)體中有P型半導(dǎo)體中有半導(dǎo)體中的平衡載流子——溫度一定、無外界能量激發(fā)摻雜半導(dǎo)體：71非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光——有外界能量作用平衡載流子的躍遷是一種熱躍遷，由平衡載流子復(fù)合時放出的能量激發(fā)出新的平衡載流子，復(fù)合和激發(fā)處于動態(tài)平衡的過程。平衡載流子復(fù)合不會產(chǎn)生光輻射。半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)非平衡載流子的壽命：從非平衡分布恢復(fù)到平衡態(tài)分布的時間。壽命越短，復(fù)合機(jī)率越大。當(dāng)有外界能量注入時，半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生率超過復(fù)合率，形成相對平衡分布過剩的非平衡載流子。只有非平衡載流子的復(fù)合才會產(chǎn)生光輻射。非平衡態(tài)載流子的壽命與平衡載流子的濃度成反比，摻雜可提高復(fù)合機(jī)率。非平衡態(tài)載流子的壽命與注入載流子的濃度成反比，強(qiáng)注入可提高復(fù)合機(jī)率。

非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光——有外界能量作用平衡載流子的躍遷是一72帶間復(fù)合發(fā)光——直接躍遷與間接躍遷價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷。直接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體。例：GaAs，GaN，ZnO。價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動量也要改變，稱為間接躍遷。間接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體。例：Si，Ge半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)化合物半導(dǎo)體材料一般都是直接躍遷，光電轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)光性能好。直接復(fù)合—高效率（僅有光子參與的電子躍遷）間接復(fù)合—低效率（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）帶間復(fù)合發(fā)光——直接躍遷與間接躍遷價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時，只73非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光非平衡載流子的輻射復(fù)合的形式分為：

半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)非平衡載流子的無輻射復(fù)合帶間復(fù)合能帶－局域能級的復(fù)合施主－受主對的復(fù)合激子復(fù)合等電子中心復(fù)合溫度淬滅——溫度越高，深能級對發(fā)光的淬滅越強(qiáng)，最終導(dǎo)致發(fā)光淬滅濃度淬滅——多數(shù)載流子濃度越高，俄歇效應(yīng)越強(qiáng)，最終抑制輻射躍遷。多聲子過程——載流子通過深能級復(fù)合時，輻射能量會轉(zhuǎn)化為聲子形式俄歇效應(yīng)——載流子復(fù)合時把放出的能量轉(zhuǎn)移給其他的載流子非平衡載流子的無輻射復(fù)合會降低發(fā)光效率非平衡載流子的復(fù)合發(fā)光非平衡載流子的輻射復(fù)合的形式分為：半導(dǎo)74半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)的形成半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)的形成75半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)少子注入：由于PN結(jié)勢壘降低，N區(qū)電子可以進(jìn)一步擴(kuò)散到P區(qū)，從而破壞了P區(qū)少子的平衡，產(chǎn)生了非平衡少子，同樣P區(qū)的空穴進(jìn)入N區(qū)，在N區(qū)也產(chǎn)生了非平衡少子。PN結(jié)少子注入復(fù)合發(fā)光PN結(jié)正向偏置——P區(qū)接正電極，N區(qū)接負(fù)電極

少子注入破壞了結(jié)區(qū)平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶和價帶內(nèi)的載流子各自迅速建立起自己的平衡狀態(tài)PN結(jié)正向偏置g內(nèi)電場削弱，勢壘降低g阻擋層變窄g擴(kuò)散電流增加半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PN結(jié)PN結(jié)少子注入：由于PN結(jié)勢壘76半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——heterojunction半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heterojunction）異質(zhì)結(jié)：由不同的半導(dǎo)體材料組成的結(jié)，導(dǎo)電類型即可相同（PPorNN）,也可相反（pn

）。電子從N區(qū)向P區(qū)的注入比空穴從P區(qū)向N區(qū)的注入大得多，大大提高了注入效率，從而提高了發(fā)光效率。同質(zhì)結(jié)：由同一種半導(dǎo)體材料組成的導(dǎo)電類型相反的結(jié)（PN結(jié)）異質(zhì)PN結(jié)：半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——heterojunction半導(dǎo)體異77半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PP結(jié)耗盡層在寬禁帶材料一側(cè)。電子或是空穴均是從寬禁帶材料一側(cè)向窄禁帶材料一側(cè)擴(kuò)散。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heterojunction）異質(zhì)PP結(jié)：半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——PP結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（heteroju78半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——ＤＨ結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DoubleHeterostructures）外加正向偏壓后，異質(zhì)PN結(jié)在提高電子從Ｎ區(qū)向Ｐ區(qū)注入的同時，限制了空穴從P區(qū)向N區(qū)的擴(kuò)散，利于中間復(fù)合發(fā)光區(qū)載流子濃度的提高。在PP結(jié)區(qū)，異質(zhì)結(jié)提高了空穴從寬禁帶材料一側(cè)向窄禁帶材料注入的效率，同時限制了電子從中間區(qū)向?qū)拵^(qū)的擴(kuò)散，利于中間復(fù)合發(fā)光區(qū)載流子濃度的提高。在整個雙異質(zhì)PPN結(jié)內(nèi)，電子的復(fù)合區(qū)域被限制在中間層，有效提高了復(fù)合區(qū)的發(fā)光密度。同時輻射出的光子不會被兩邊寬禁帶材料吸收。形成了波導(dǎo)，起到限制光場的作用。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——ＤＨ結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DoubleHet79半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)ManufacturingofSemiconductorOptoelectronicDevices

晶格失配導(dǎo)致界面缺陷存在，影響復(fù)合發(fā)光。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)ManufacturingofSem80半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——量子阱量子阱結(jié)構(gòu)（QuantumWells）一般的半導(dǎo)體光電子元件都采用如前所述的三明治結(jié)構(gòu)。發(fā)光區(qū)都在中間層的窄禁帶材料內(nèi)。如果減小中間層厚度，可以有效地提高中間層的載流子濃度，提高發(fā)光效率。當(dāng)中間層厚度減小至與電子或空穴的德布羅意波長可比時（<10nm），量子效應(yīng)出現(xiàn)，原來準(zhǔn)連續(xù)分布的能帶成為量子化的分立子能帶。子能帶基態(tài)離開了導(dǎo)帶底和價帶頂，使有效禁帶寬度變大。同時電子只能集中到量子化能態(tài)上，提高了允許態(tài)上的電子密度。發(fā)光層很薄，減少了內(nèi)部吸收。載流子濃度很大，有高的復(fù)合效率。薄層降低了異質(zhì)結(jié)表面的晶格失配。有效提高了輻射光子的能量。發(fā)光波長對溫度不敏感。半導(dǎo)體光電子器件基礎(chǔ)——量子阱量子阱結(jié)構(gòu)（QuantumW81半導(dǎo)體光電子器件LaserDiodes

半導(dǎo)體光電子器件LaserDiodes82半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode半導(dǎo)體激光器激光器件的三要素：產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的材料；激光器共振腔；功率源。半導(dǎo)體激光器又叫激光二極管，是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件。半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為：PN結(jié)激光器、異質(zhì)結(jié)激光器、量子阱激光器、分布反饋激光器。PN結(jié)激光器：材料是高摻雜的簡并半導(dǎo)體，組成PN結(jié)后，在外加正向偏壓作用下形成有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活區(qū)域。光束將被限制在由激活區(qū)構(gòu)成的波導(dǎo)層內(nèi)。波導(dǎo)層有兩個端面是由半導(dǎo)體的解理面自然形成的，有很好的平行度和較高的反射率，可以形成激光器的共振腔。半導(dǎo)體激光器的功率源有直流電源和脈沖電源兩種。由于PN結(jié)面積很小，所以需要的注入電流很小，一般只有幾十毫安。功率源產(chǎn)生的功率為幾百毫瓦就可使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光。半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode半導(dǎo)體激光器激光器83半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode載流子反轉(zhuǎn)分布條件EE-hnhn受激輻射速率：受激吸收速率：光放大的基本條件是受激輻射速率大于吸收速率：必須是重?fù)诫s材料所加正向偏壓足夠大半導(dǎo)體光電子器件——LaserDiode載流子反轉(zhuǎn)分布條件84半導(dǎo)體光電子器件——LD重?fù)诫s半導(dǎo)體PN結(jié)中aEFn>Ec,EFp<EvLD中載流子反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)條件正向偏壓eV>Ega結(jié)區(qū)粒子數(shù)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)

受激輻射大于受激吸收a光放大

半導(dǎo)體光電子器件——LD重?fù)诫s半導(dǎo)體PN結(jié)中aEFn>Ec85半導(dǎo)體光電子器件——LDLD中的諧振腔

解離面形成反射面(~30%反射率)腔縱模條件:半導(dǎo)體光電子器件——LDLD中的諧振腔解離面形成反射面(86半導(dǎo)體光電子器件——LD閾值電流

泵浦機(jī)制:正向偏壓

閾值電流Ith:Gth=dla光增益閾值aIth半導(dǎo)體光電子器件——LD閾值電流泵浦機(jī)制:正向偏壓閾87半導(dǎo)體光電子器件——LD降低閾值電流Ith的方法：(1)限制載流子(2)限制光子降低閾值電流的結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié)

doubleheterostructure半導(dǎo)體光電子器件——LD降低閾值電流Ith的方法：(1)88半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的激光模式與光束發(fā)散角激光模式依賴于介質(zhì)的增益曲線和諧振腔的特性諧振腔長度L決定縱模分布，橫截面W&H決定橫模分布減小橫截面W&Ha基橫模TEM00輸出光束發(fā)散角：半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的激光模式與光束發(fā)散角激光模式依89半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的光譜特性

光譜主頻率由介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)決定LD的光譜特點(diǎn)：低注入電流a多模輸出高注入電流a單模輸出

P0↑a

Tj

↑aEg↓aλ0↑半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的光譜特性光譜主頻率由介質(zhì)能級90半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反射型--DistributedBraggReflectorLaserDiode單模輸出:Dl

<0.1nm

選模原理a反射光柵半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反射型--Distribu91半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反饋型--DistributedFeedbackLaserDiode選模原理：利用周期結(jié)構(gòu)的布拉格反射建立腔內(nèi)光反饋輸出頻率由波紋結(jié)構(gòu)的周期決定反向傳輸?shù)男胁ㄏ嗷ヱ詈铣神v波，實現(xiàn)了無反射面的光反饋半導(dǎo)體光電子器件——LD分布布拉格反饋型--Distribu92半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的復(fù)合腔選模

復(fù)合腔增大了縱模間隔，實現(xiàn)單模輸出半導(dǎo)體光電子器件——LDLD的復(fù)合腔選模復(fù)合腔增大了縱模間93半導(dǎo)體光電子器件——LD垂直腔面發(fā)射型-VerticalCavitySurfaceEmittingLaser諧振腔方向沿電流方向

腔選模條件

l

:半導(dǎo)體光電子器件——LD垂直腔面發(fā)射型-VerticalC94半導(dǎo)體光電子器件——LD量子阱結(jié)構(gòu)----SingleQuantumWellStructure

雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的中間層非常薄(<10nm)a電子運(yùn)動被限制在二維薄層內(nèi)電子態(tài)密度變化呈階梯狀分布

半導(dǎo)體光電子器件——LD量子阱結(jié)構(gòu)----Single95半導(dǎo)體光電子器件——LD多量子阱結(jié)構(gòu)

QWlasers優(yōu)點(diǎn):1.閾值電流更低2.單色性更好MQW更易實現(xiàn)單模輸出半導(dǎo)體光電子器件——LD多量子阱結(jié)構(gòu)QWlasers優(yōu)96半導(dǎo)體光電子器件LightEmittingDiodes

半導(dǎo)體光電子器件LightEmittingDiodes97半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的研發(fā)史LED的研發(fā)主要取決于發(fā)光材料的研發(fā)進(jìn)展

半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的研發(fā)史LED的研發(fā)主要取決98半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的發(fā)光材料選取發(fā)光材料的選取依據(jù):(2)appropriatesubstrate(1)Egofthematerial(3)availabilityofheterostructures半導(dǎo)體光電子器件——LEDLED的發(fā)光材料選取發(fā)光材料的選取99半導(dǎo)體光電子器件——LED典型LED發(fā)光材料的特性參數(shù)1.GaAs-----Ga1-xAlxAs:Eg=1.424+1.247x(0<x<0.35)