半导体光电子学 §4.5 可见光LD
半导体发光器件-LD和LED
7）寿命 LED的寿命一般很长，j＝1A/cm2,寿命为106h，与j有关， 近似表示为 B(t ) B exp(tj / )
0
B0：起始亮度； j：工作电流密度； t：工作时间； : 老化时间常数， 一般为 106 mA / cm2
影响LED寿命的因素有： • 表面漏电流的增加 • 沾污物(Cu)的内扩散 • 在p-n结附近形成非辐射复合中心。 解决方法：对于前面两个因素，可采用合适的钝化、封 装以及清洗技术予以消除，对于后一个原因可以在制作 LED时尽量保证晶格的完整性，降低其缺陷密度，来达到 缓解非辐射复合中心产生的速度，但不能完全消除。
反向击穿电压 一般在十几伏~几十伏 非线性、整流特性 单向导电性：正向低接触电阻，反向高接触电阻
2） B～V特性和B～I特性（发光强度与正向电流特性） • LED的发光亮度B与电压V的关系，用下式表示：
B＝B0 exp(ev / KT )
B0为起始亮度（开启点的 亮度）
• LED的B～I特性用下式表示：
: GaP:N
GaN
4.2Βιβλιοθήκη 0.7100.015~0.15
GaN+YAG
小芯片1.6， 大芯片18
例：
四、LED的驱动电路
1.为什么LED需要驱动电路？ LED不像普通的白炽灯，可以直接连接220V交流市电使用。 LED是2~3V的低电压驱动，且是特性敏感的半导体器件（I-V 特性，负的电阻温度特性），因此必须设计合适的驱动电路 ，使其处于工作状态。 2.选择和设计LED驱动电路需要考虑的问题 1）高可靠性（特别对于室外照明显示） 2）高效率（符合LED节能环保的特点） 3）浪涌保护（提升LED抗反向电压能力） 4）保护功能（增加LED温度负反馈，仿真LED温度过高） 5）防护方面（防水、防潮、外壳耐晒） 6）驱动方式：恒压驱动、恒流驱动 7）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配 8）考虑电磁兼容
半导体光电子学第五章第九章-PPT
大家好 15
J th
4.5 103
i
d
20
i
d
[
(1
)
out
1 ln L
1 R
fc ]
GaAlAs/GaAs特征温度120-180℃ InGaAsP/InP T0=65K
大家好 16
四、阈值特性关系小结
1、低维量子材料 2、增益介质 3、侧向折射率波导
大家好 17
作业: 教材181页第1、2题
大家好 13
Ith e(WdL)Nth / s
大家好 14
三、温度对阈值电流的影响
J th
(T
)
J
th
(Tr
)
T exp(
Tr T0
)
T0为一个表征半导体激 光器温度稳定性的重要
参数称为特征温度，T0
与材料和结构相关，由 式看出T0越高LD的温度 稳定性越高，T0趋于无 穷则Jth不随温度而变化
1、名词解释：
功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率
2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提 高半导体激光器的微分量子效率。
大家好 27
5.3 半导体激光器的远场特性
大家好 28
LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解
理面上或解理面一个光波长范围内的分布（与横模，
侧模有关）。远场是指距输出这常常与光束的发散
12分钟→数十万小时
对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然 失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。 LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料， 有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种 因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果。
半导体激光器LD
应用场合：短距离传输
同质pn结
同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的参杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 存在的问题： 1. 增益区太厚(1~10 m)，很难把载流子约束在相对小的区域， 无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束
多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的 乘积总等于一个常数：
pn n 2 i
pn结
n型 电势
U
n型
耗尽层
p型
p型
n 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子浓度 分布 电子态数量
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量
辐射性复合速率 辐射性复合速率 hint 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
辐射性复合时间 辐射性复合时间 非辐射性复合时间
1 1
1
r1 1 1 r nr
那么LED的内部发光功率为：
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 内量子效率 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q
半导体光电子学
1.半导体中与光有关的3种量子现象 : 自发发射(半导体发光二极管LED的工作原理),受激吸收(光电导,光探测器的工作原理),受激发射(半导体激光器LD,半导体光放大器SOA的工作原理). 填空2.半导体在光电子学中独有的特点: ①半导体能带中存在高的电子态密度,因而在半导体中有可能具有很高的量子跃迁速率②在半导体同一能带内,处在不同激励状态的电子态之间存在相当大的互作用(或大的公有化运动),这种互作用碰撞过程的时间常数与辐射过程的时间常数相比是很短的,因而能维持每个激励态之间的准平衡.③半导体中的电子态可以通过扩散或传导在材料中传播,可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中,因而有很高的能量转换效率.④在两能级的激光系统中,每一处于激发态的电子有它唯一返回的基态(即某一特定的原子态) 理解3.爱因斯坦关系说明什么问题: 爱因斯坦关系B12=B21;A21=8πn3ℎv3c3B21爱因斯坦关系表示了热平衡条件下自发发射,受激发射与受激吸收三种跃迁几率之间的关系4.粒子数反转条件(伯纳德-杜拉福格条件)f c>f v(导带电子占据几率大于价带电子占据几率); F c−F v>ℎv (准费米能级之差大于作用在该系统的光子能量);ΔF≥E g (准费米能级之差大于等于禁带宽度)5.异质结能带图:Pn能带图6. 弗伽定律:7. 异质结对载流子和光子的限制:NpP 结构异质结中①由N 型限制层注入p 型有源层的电子将受到pP 同型异质结的势垒的限制,阻挡它们向P 型限制层内扩散.②pN 型异质结的空穴势垒限制着有源层中的多数载流子空穴向N 型限制层的运动. ③由于能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。
n 1 < n 2 > n 38. 激光器的构成:①激光工作介质②激励源③光学谐振腔9. 光子和费米子的差别:光子属于玻色子,服从玻色爱因斯坦分布.电子属于费米子服10.K选择定则的定义:不管是竖直跃迁还是非竖直跃迁,也不论是吸收光子还是发射光子,量子系统总的动量和能量必须守恒,这就是跃迁的k选择定则11.同质结和异质结或同型异质结和异型异质结空间电荷区的差别:①同质结:当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
半导体的光学性质
半导体的光学性质如果用适当波长的光照射半导体,那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。
半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。
光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：()01x x I I r e α-=-式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关.1 本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收.要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律,也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度g E ,即g h E ν≥，从而有：00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥⇒≤=⋅其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。
几种重要半导体材料的波长阈值电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。
隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带,同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。
光发射现象有许多的应用,如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的,只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。
发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP 晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1。
5μm ）激光器则是由Ga x In 1-x As 或Ga x In 1-x As y P 1—y 合金制成的。
2非本征吸收非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等.2.1杂质吸收杂质能级上的电子(或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带)，这种吸收称为杂质吸收。
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体光电子学半导体中的光吸收和光
上述允许得直接带隙跃迁
发生在价带与导带分别为
半导体得s带与p带构成得
材料中。作为对d值大小 得粗略估计,可me= mh= m0,n=4,fif1,则
d 6.7 104 h Eg 1 2 cm1
(7、19)
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
2、间接吸收得吸收系数
在图7、1-4所表示得间接带隙跃迁中,两种从初态至终态得跃迁方式 都必将伴随有声子得发射与吸收,在不考虑多声子吸收时,则有
h Eg Es h Eg Es
吸收声子 发射声子
式中Es为声子能量,尽管Es与Eg相比
h Eg Es
(7、1-24)
以横上 波只声就 学是声考子虑、了纵一波种光类学型 声得 子声 、子 横。 波深 光入 学得 声分 子析 各还 自应 得区 贡分献,纵不波同声类学型声得子声、子
能量就是不同得,因而i应该就是各种类型声子所引起得吸收系数之与。
在前面得讨论中,我们只 考虑单声子过程,所作得 i1/2~h关系曲线图如图 7、1-7所示。对应每一 温度得吸收曲线在横轴 (h轴)上得截距分别为 Eg-Es与Eg+Es,即分别对 应于吸收声子与发射声子 得情况。显然在低温下发 射声子就是主要得。
e2 B21 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j
kp kc kv
r
u2
r
jkv
u1 r
2
(1、2-25)
当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时,即满=2=1,则
半导体激光器(LD)：静态特性-蓝色(全)
■ 响应速度慢，调制带宽小；
■ LED是非相干光源。 ■ LED的输出线宽大约比LD的输出线宽大2个数量级，而其 带宽则比LD带宽小得多。无法用于高速、远距离通信，只能 用于低速、短距离传输，例如局域网、接入网（ONU无色化） 等。
LED发光特性
输出频谱宽
改进措施
自发辐射，响应 速度慢，带宽小
在静态条件下(注入电流为直流电，不随时间变化),光子面 密度与载流子面密度都不随时间变化，即:
由上述条件，可得光子面密度和注入电流面密度如下：
如果能够将光子面密度与注入电流面密度之间的函数关系 找出来，就可以明确半导体激光器的输出与输入之间的关系。 但是，虽然从其表达式来看，两者都是载流子面密度n2D和光子 能量Em的函数，但是仍然无法写出光子面密度与注入电流 面 密度之间的函数解析式。
在上述表达式中，
(3)自发辐射产生率 光子面密度的连续性方程可写为：
2. 载流子的速率方程 是分析半导体激光器工作过程的另一个工具。在不考虑非
辐射复合过程的情况下，载流子面密度的速率方程为：
式中等号右边第1项：单位时间内由于电流注入而导致的载 流子面密度增加值(只考虑辐射复合，因此此处电流是注入总 电流中被辐射复合消耗的那一部分)；第2项：单位时间内由于 自发辐射过程而导致的载流子面密度的减小值；第3项：各种 模式的受激辐射所导致的载流子面密度减小值。自发辐射和各 种模式的受激辐射，都会引起载流子密度下降，注意与光子连 续性方程的区别。
■ 除了有源区增益系数 ■外，腔体总的增益系数为
■表征了腔体对光波的总的增 益。
（2）光腔内部的主要损耗过程 ◆ 限制层及电极区对光子吸收所带来的损耗(如这些区域内的 杂质等引起的光吸收)；
半导体光电器件原理及参数简介
半导体光电器件原理及参数简介半导体光电子器件包括将电能转换成光能的发光器件和将光能转换成电能的光电探测器件。
光电器件种类很多，发光器件有发光二极管（ＬｉｇｈｔＥMｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，简称ＬＥＤ）、半导体激光器（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ，简称ＬＤ）等，光电探测器件有光电二极管或称光敏二极管（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ or ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｉｏｄｅ）、太阳电池（ｓｏｌａｒｃｅｌｌ）等。
它们与集成电路的结合出现了各种光电耦合器件，智能显示器件，专用光传感器，电荷耦合摄像器件，各种光电子模块等等。
半导体光电器件广泛地应用在光通信、激光、数字图像显示、自动控制、计算机、国防等领域，在２１世纪将获得更迅速的发展和更广泛的应用。
１．物理基础● 电子、空穴与能带半导体是由大量原子组成的晶体，由于原子之间距离很近，相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的交迭，电子不再属于某个原子而可以穿行于整个晶体，由此导致了原子能级分裂为能带。
以最常用的半导体硅为例，硅的最外层有４个价电子，每个硅原子近邻有４个硅原子，这样每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。
它们所处的能带为价带，比价带能量更高的能带是导带，它们中间隔着不允许存在的能量状态区域称为禁带。
当共价键内的束缚电子获得足够能量（例如热能，光能），可以摆脱共价键的束缚成为自由电子，我们称此时价带中的电子跃迁到了导带。
电子跃迁后，在原来的位置上留下了一个空位—“空穴”，邻键上的电子随时可以转移过来填补这个空位，共价键中这种束缚电子的移动用“空穴”的移动来表示。
自由电子和空穴都能参与导电，统称为载流子。
● 电子跃迁与吸收波长、发光波长电子的跃迁是和能量的交换分不开的。
电子必须吸收能量才能从低能级跃迁到高能级，电子从高能级跃迁到低能级则必须放出多余的能量。
电子跃迁过程中交换的能量若是热运动的能量，称为热跃迁，若是光的能量，称为光跃迁。
半导体光电器件的原理就是基于光跃迁的。
半导体光电子学考试知识点(电子科技大学)
====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====1，直接带隙材料和间接带隙材料（直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中同一位置。
电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。
）2，直接跃迁和间接跃迁3，什么是散射，原因4，光学的两个特殊角，全反射角和布鲁斯特角光由光密介质进入光疏介质时,当入射角θ增加到某种程度，会发生全反射。
折射角为90度所对应的入射角为临界角。
自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θb表示。
此规律称为布儒斯特定律。
光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。
5，在迪拜长度后面那个，具体得翻书才能知道，好像是折射率的证明（p77）6，关于散射的应用题，给一个波长函数，有两个参数待定，然后给两组数据，求出两个参数，然后再给一个数据，求解。
不难，需要求导7，一个关于光吸收能量转化的应用题，给出一堆参数，根据能量守恒，需要知道一些常量，比如h，e等8，速率方程，教材最后一节内容，知道怎么列出的9，可见光范围380nm—760nm10，光子频率能量范围本征吸收：本征吸收是指在价带和导带之间电子的跃迁产生与自由原子的线吸收谱相当的晶体吸收谱，它决定着半导体的光学性质.本征吸收最明显的特点是具有基本的吸收边（吸收系数陡峭增大的波长）这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。
辐射复合：根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合（Radiative Recombination）。
辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式。
此外辐射复合也可以通过复合中心进行。
在平衡态，载流子的产生率总与复合率相等。
《光电子材料与器件》第2章：半导体发光材料及器件-LD培训课件
范围小。
随着激光器功率的不 断提高，激光器内部 发热量的不断增加， 要求提高散热效率、 降低单位面积发热功 率，在这种情况下就 产生面发射激光器。
分布反馈激光二极管
7、激光二极管阵列： 单个激光二极管管芯尺寸很小，腔
长几百微米，厚度几十微米，宽度几 十微米。输出功率一般几十mW.
大功率的半导体激光器使用多个二 极管排列成阵列，功率可以达到几十、 几百W。
半导体激光器的工作原理 •F-P腔：平行平面腔，它由两块平 行平面反射镜组成。又称为法布里珀罗干涉仪，简记为F-P腔。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器是用PN结作激活区， 用半导体天然解里面作为反射镜组成 谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
外加正向偏压将N区的电子、P区的 空穴注入到PN结，实现了粒子数反转 分布.
LD的结构：
半导体激光器的工作原理
简并型半导体、费米 能级与PN结
简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开 始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质 的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导 体。
半导体激光器的工作原理
简并参杂半导体pn结的能带结构图
半导体激光器的工作原理
粒子数反转： 当加在PN结上的正向电压超过 某一值（eV>Eg）后，PN结的 某段区域中导带底的电子数大 于价带顶电子数，出现粒子数 反转。该区域称为增益区(有源 区) 。
导带电子优先占据能量低的能级； 价带电子优先占据能量低的能级，等同于价 带空穴优先占据能量高的能级。
半导体激光器的特点
缺点: 激光性能受温度影响大； 光束的发散角较大(一般在几度到20
半导体光电子学第二章第四章
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
EC1
F1 EV1
δ1
x1 φ1
p
VDP Eg1
ΔEC
VDP ΔEV
N VD 真空能级
x2 φ2 VDN
EC2
δ2
F2
Eg2 VDN
EV2
-Xp 0 XN
δ1=Ev1-F1，δ2=Ec2-F2 ΔEc=χ1-χ2=Δχ（2.1-1） ΔEv=Ev2-Ev1 =（Eg2+χ2）-（Eg1+χ1）=ΔEg-Δχ =ΔEg-ΔEc
界面复合速度：
s nvthNISdE
S 8vthn (a)
a02 a0
a1 a2 2
a0
aa1a2
a
晶格失配率
( )100% a0
双异质结激光器中若两个异质结之间的距离为d， 当体内复合与界面态复合并存时，则注入载流子的有 效复合寿命可表示为
1 1 2s 1
eff r d nr
内量子效率
一般认为，构成异质结的两种不同半导体之间严格的晶格 常数匹配是获取性能良好的异质结的重要条件，否则在异 质结表面就会产生所谓的悬挂键。
悬挂键：
晶格在表面
的最外层的 每个硅原子
Si Si Si Si Si
将有一个未 配对的电子
Si Si Si Si Si
即有一个未
饱和键，如 图，这个键
Si Si Si Si Si
ND2 NA1
V DV D pV DN V D(p 12 1N N D A 1 2)
《半导体光电子学课件》下集5.1ld的阈值特性
高速光通信系统
高速光通信系统是现代通信网络的重要组成部分，LD阈值特性在其中具有重要应 用价值。通过调整LD的阈值，可以实现高速光脉冲的产生和调制，从而实现高速 数据传输和低噪声信号处理。
工艺参数优化
通过调整工艺参数，如反应温度、时间、压 力等，可以优化晶格结构和缺陷态密度，从 而改善阈值特性。
05
LD阈值特性的应用前景
激光雷达（LiDAR）
激光雷达是利用激光技术进行测距和定位的系统，LD阈值特 性在其中起着关键作用。通过调整LD的阈值，可以控制激光 的发射功率和频率，从而实现更精确的距离测量和目标识别 。
LD阈值特性的优化可以提高激光雷达的探测距离、分辨率和 抗干扰能力，为无人驾驶、航空航天、地理信息系统等领域 提供重要的技术支持。
生物医疗应用
在生物医疗领域，LD阈值特性可用于开发新型的光学仪器和治疗设备。例如，通过控制LD的阈值， 可以实现微弱光信号的放大和图像的清晰化，为医学诊断提供更准确的依据。
材料因素
材料的能带结构
材料的能带结构决定了电子和空穴的 分布和行为，从而影响LD的阈值特性。
材料的掺杂浓度
掺杂浓度对LD的阈值特性有显著影响， 通过调整掺杂浓度可以优化LD的性能。
结构因素
LD的结构设计
LD的结构设计，如量子阱、量子点等，对阈值特性有重要影 响。
LD的尺寸大小
LD的尺寸大小会影响其阈值特性，较小的尺寸通常具有较低 的阈值。
降低阈值电流可以提高激光器的效率，减小功耗，同时也有助于提高激光 器的稳定性。
阈值电压
1
阈值电压：当加在激光器两端的电压达到某一特 定值时，激光器开始产生激光辐射。这个特定值 即为阈值电压。
半导体光电子
本征半导体 本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半 导体。
N型半导体 也称为电子型半导体,其自由电子浓度进大于空穴浓度 的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入五价元素 （如磷、砷、锑等），使乊取代晶格中硅原子的位 置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电 子为多数载流子，空穴为少数载流子，主要靠自由 电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由 热激发形成。掺入的杂质越多，多数载流子（自由 电子）的浓度就越高，导电性能就越强。
名词解释
状态密度 晶体中每单位体积，单位能量的电子能态（电子波函数） 的数目。
名词解释
替位式杂质和间隙式杂质 A－间隙式杂质原子：原子半径比较小 B－替位式杂质原子：原子的大小与被 取代的晶体原子大小比较相近
简答题
本征半导体的特点：
在0K时,呈绝缘体特征； 2. 在TK时，受热激发（本征激发）；产生电子空穴对； 3. 在TK时，有两种载流子可以参与导电，即自由电子 和空穴。
名词解释
受主杂质 受主能级
当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接 受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受 主杂质或p型杂质
名词解释
受主杂质 受主能级(续前)
名词解释
光电二级管的量子效率
产生和被收集的自由电子 空穴对数目 入射光子数目
I ph / e P0 /(h )
名词解释
费米分布 热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布的一 个统计分布函数
1 f (E) E Ef 1 exp( ) k BT
名词解释
同色异谱
光源的色温和相关色温
当某一光源的颜色与某一温度下黑体的颜色相同时，黑 体的温度Tc即为这种光源的颜色温度，简称色温，单位 为开尔文，符号K。 当某一种光源的颜色与在某一温度下的黑体颜色最接近 时, 黑体的温度即为这种光源的相关色温。
光电子学与光子学讲义-Chapter4-LD
dn21 1 A21 dt sp n2
dn21 1 A21 dt sp n2
（dn21）sp表示由于自发跃迁引起的由E2向E1跃迁的原子数。
A21只决定于原子本身的性质，A21就是原子在能级E2的平均 寿命的倒数A21 =1/τ2。A21也称为自发跃迁爱因斯坦系数。 特点：自发辐射时，各原子是独立进行跃迁，辐射的光子无 规律，频率、相位、方向等各不相同，能量分布在许许多多模 式上,为非相干光。
T=3000K，R21(spon)/ R21(stim)≈ 3×103 一般情况下，自发辐射远大于受激辐射，受激辐射可忽略不计。 温度上升，受激辐射增加，但仍小于自发辐射。平衡状态下很 难使受激辐射占主导地位. 当热平衡时，受激辐射率同受激吸收率的比值为：
h R21 stim n2 exp 1 R12 absorp n1 k BT
自发辐射和受激辐射还可以按经典电子论模型进行描述。原 子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任何外加光 电场来同步各个原子的自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自 发辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作 用下作强迫振荡时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位 、振动 方向显然应与外加光电场一致。
几何偏折损耗大(高损耗腔)
两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同 • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
稳定判据
0 g1g2 1 g1 g2 0
表达式
稳定腔
其中 g2
g1 1 L
R1 R2
g2 1 L
• 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) • 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器； • 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大，还有好的横 模鉴别能力
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❖ 在1450℃下用CVD技术可以生长出质量优 良的薄膜生长速度慢 ，几μm/h 只能室内 显示。目前液相外延(LPE)有可能替代CVD ， 它可以将生长速率提高到每小时150 μm/h。
2. Ⅲ族氮化物 InN,AlN,GaN 直接带隙材料
InN: Eg 2ev
AlN Eg =6.2ev 用缓冲层 GaN Eg =3.4ev InGaN 400~580nm,p~6mw,η＝10％
§4.5 可见光LD
❖ 目的：条形码扫描器，激光扫描，Laser印刷， 高密度光盘存储，水下通信。
一.红光LD
1. Ga1x Alx / GaAs
波长 780nm
670nm为理论极限
① x↑Al含量↓ 直接带隙→间接带隙
不参加振荡的载流子比例↑，内 量子↓，
J th↑
② Al含量↑ Al分凝系数大，
差便小，载流子溢出，因而：
①高掺杂P型包层能抑止载流子溢出； ②多量子阱结构对高能电子有很高反射率→ 改善高功率下温度特性，减小载流子溢出；
③采用张应变量子阱有源层；
④增加Al含量，使 Eg↑
二.兰绿光LD / LED
1. SiC － LED
Eg 2.9ev ~ 3.3ev
量子 ~ 0.05%(473 nm处)
结晶质量↓
热应力↑，
③ 要求有一定电导率，包层须掺杂，工艺难。
2. GaInP / GaAs or GaInP / GaAsP 工作波长 600～730nm
缺点：生长缺陷大，寿命短。
3. InGaAlP / GaAs
理论激射波长 580～650nm；在Ⅲ－ Ⅴ族材料中能提供最大直接带隙，并与 GaAs衬底晶格匹配。
FWHM＝2nm
①缺乏与GaN材料在晶格常数及热膨胀系数 匹配的衬底 ②缺乏获得高P型掺杂的方法 ③外延生长会形成高的缺陷Байду номын сангаас度
3. Ⅱ－Ⅳ族LD ZnSe、ZnS 直接带隙材料 480～510nm ZnSe与GaAs晶格失配仅为0.27，易在GaAs衬底上生长高质量ZnSe 薄模，以实现光电子集成。
增益导引型激光器
脊型双异质结
异质结势垒锁定激光器
条形耦合波导结构
问题： ①电流从有源区向包层“溢出” ② InGaAsP / GaAs 结构的价带不连续值大 ③在Al含量增大之时，给结晶外延层带来困难，使 解理面破坏阈值↓
④热阻率大，对器件性能影响大， J th ↑
❖ 缩短波长的方法： 在加大有源层 Eg时，有源层和包层之间的带隙