11.半导体发光的基本原理

自发辐射
电子从高能级自发的发射到低能级
直接跃迁：
间接跃迁：
泵浦
1.光束泵浦
结合的典型时间
10-11s
0.25s
2.P-N结加偏压泵浦（电致发光）
发光二极管
优点 1在很高的频率进行 调制 2耦合到微米量级的光 波导中
应用：平板指示灯和显示器件
发光效率
提高发光效率： 1.减小PN结的相应结区 2.选择吸收系数低的材料
波尔兹Hale Waihona Puke Baidu分布方程：
稳态情况下，
对入射光子能量的要求
11.3激光的生成
激光的阈值：
光在谐振腔中的工作物质里传播 时，会存在各种损耗，只有当光在腔 内来回一次所得到的增益大于或等于 各种损耗之和时，才能形成激光输出。
激光的工作原理
• 在介质中存在粒子数反转的情况下， 当增益一旦超过损耗时，光强将以指 数形式增加，随着光在两反射面之间 的来回反射，放大过程不断重复，就 可得到激光。
产生激光的条件
• 稳定的光学谐振腔； • 在谐振腔内传播时满足阈值条件； • 外部能量泵浦使粒子数反转
• v
LD和LED的发光效率
一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激 光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点：
1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值
3.更高的内部量子效率
光学谐振腔
11.半导体发光的基本原理
组员：许婷婷 郭平 吴科星 刘文强
• 11.1晶体中光产生和吸收微观模型 • 11.2半导体发光原理
• 11.3激光生成
11.1 晶体中光产生和吸收微观模型
集成电路常用的光源： 1 半导体激光器 2 发光二极管 优点： 1 尺寸小 3高频调制
2 混合集成度高 4 高效耦合
作用：对入射光的频率、方向选择，产生极 好的方向性和单色性、高亮度的激光束 光学谐振腔是产生激光的必要装置之一 结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两 个反射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜
稳定腔：近轴光纤在谐振腔内部来回反射时， 光线离轴的高度不会无限大，称此为稳定 腔
稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率 半径为R1，R2，光学谐振腔的稳定条件为 1>(1-L/R1)(1-L/R2)>0 不满足上条件的腔称非稳定腔。费稳定腔光线 逸出的多，又称高损耗谐振腔。 R1=R2的稳定腔称对称腔
谢谢
N型半导体
P型半导体
受激辐射
在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低 能级跃迁，同时发射一个与外来光子有相 同的频率，方向，相位和偏振光子
外部辐射可以是其他自发辐射也可以是 样品中的受激辐射，并不一定是外部辐射 场。
受激和自发辐射对比
• 自发辐射：随机的，发出一串串光波的相 位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐 射的光波为非相干光； • 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状 态、传播方向均与外来的光波相同，辐射 的光波是相干光。
跃迁概率
间接跃迁 VS 直接跃迁
其他跃迁
带内的吸收可以是电子在导带的也可以是 空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和 受主能态到价态的空穴跃迁
11.2 半导体发光
半导体中的电子可以吸收一定能量的光子 而被激发。处于激发态的电子也可以向较 低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量 1.自发辐射 电子和空穴随机结合 2.受激辐射 由光激发使电子和空穴的结合
E h
C 0
E
2
hc
E mc
0
mc
2
h m c0
p m cu
h p u
0 h 2 2 k u 0
p k
直接跃迁
直接带隙材料 间接带隙材料。
间接跃迁
跃迁的过程如图所示：
电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个 声子，这种跃迁叫做间接跃迁。
三种激光器的典型结构
1、固体激光器
红宝石激光器 在工作物质红宝石中 掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成 为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部 分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源，上 下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶 体中部分Al离子的位置，氙灯发出激励光时， 被处于基态的络离子吸收跃迁到高能级，向低 能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。
2.染料激光器
平面光栅的作用： 改变光栅的倾斜角 度，用来调节光栅 衍射角，使某一波长的光能在谐振腔纵轴 向产生衍射极大而形成光振荡，发射单一 的激光
3.气体激光器
以氦氖激光器为例。 工作物质为8:1混合 气体密封在放电管A 内，激励源是3KV以上的直流电源经C,C’接 入采用反射峰在λ0的反射面，可抑制其他 波长光波的谐振，得到单色输出激光。