南京邮电大学光电子作业及答案(第二章)

2.5-4、条形激光器按在侧向的波导机构可以分为那两类？ 有什么区 别？
答：条形激光器按它们在侧向的波导机构分为两类，即增益波导与折
射率波导。
增益波导是半导体芯片纵向中心区域内形成一注入电流的通道，使 有源层中心部分的增益（或复介电常数的虚部）高于其两侧； 侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射率差来实现的。
可用深锌扩散的方法使所需的电流通道区相对于两侧形成低阻区，
更有效的方法是采用反向pn结阻止电流的扩展。 为防止载流子的侧向扩散，可采取以下措施： （1）限制注入电流的侧向扩展； （2）在有源区两侧侧用pn同质结势垒限制载流； （3）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。
作业: 补充1-3题
（2.4节）1、描述单异质结半导体激光器的结构。解释说明其 相对于同质结的优越性。并说明其缺点。
e 20 30 h
同质结LED为提高注入效率，应采用P区作为出光区，使电子注入电流尽 量大，空穴注入电流尽量小；
在异质结LED中，N区和P区分别向有源区注入电子和空穴，且有源区两
边异质结的势垒可限制注入该区的两种载流子；电子和空穴复合产生的光子， 无论从P区还是N区出射，都不会被吸收，因此并不局限在以P区作为出光区。
【解】 （1）总量子效率；
Qr
1 1 r nr 1 0.7143 125
Tot inj Qr opt 0.8 0.25 0.714 0.143
（2）单位时间内产生的光子数
I ph
P opt
1.5 103W 16 1 2.62 10 s 19 h 0.25 1.43 1.6 10 J
【习题2.5】GaAs材料制作的P-N+同质结LED，器件参数如下。请计算：
（1）总量子效率；
（2）单位时间内产生的光子数；
（3）注入电流。
输出光功率 注入效率 出光效率 辐射复合寿命 非辐射复合寿命
P 1.5mW
inj 0.8 opt 0.25 r 2.0 ns nr 5.0 ns
Ln Dn n (25)(10 )
8 12
2
扩：
D p p (12)(10 )
8
12
3.46 m
inj
eD n n po 25 4 104 4 Ln 5 10 eD n n po eD p p no 25 4 104 12 8 106 4 5 10 3.46 104 Ln Lp
振荡或形成稳定的驻波。
4πn r1r2 exp j L 1 o
3. 光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。
r1r2 exp( g i ) L 1
4πn exp j L 1 o
应，限制了有源区中所激发的光子从横向逸出该异质结而损失掉；单
异质结已使激光器的阈值电流密度比同质结激光器低一个数量级。 pn 同质结对注入有源层的空穴向 n 区扩散没有限制，同时对光子
也只有很弱的光波导效应。因此，为了达到粒子数反转所需的载流子
浓度，仍需在n区重掺杂（3～4×1018/cm3）
（2.4节）2、描述双异质结半导体激光器的结构。并简要说明其 优点。 答：
更高。
【习题2.1】
P-N+型同质结构成的LED，参数如下。计算其注入效率。
电子扩散系数 空穴扩散系数 N区 掺 杂 浓 度 P区 掺 杂 浓 度 电子少数载流子寿命 空穴少数载流子寿命 Dn 25cm2 / s D p 12cm2 / s N d 5 1017 cm3 N a 1016 cm3
【习题2.3】 P-N+型同质结构成的LED，参数与习题2.1相同，其
产生光功率为1mW，器件横截面积为1 mm2，辐射效率为20%。求正 向偏置电压。 （工作温度300 K）
【解】 I ph
I ph
In
V
Power 103 15 1 4.37 10 s 19 (1.43)(1.6 10 )
答： （1）同质结LD有源区的厚度主要由p区电子的扩散长度所决
定；而它是随温度的增加而增加的，室温时的Ln可达5微米。
在如此厚的有源区内实现粒子数反转，需要大的注入载流子
浓度； 在一个Ln范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展；
所以，同质结LD阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化。
同质结室温下的阈值电流密度高达 104A/cm2量级，只能在液 氮温度下才能连续工作； （2）结附近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光 波导效应，但由于电子有比空穴高的迁移率因而有大的扩散 长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向p区一侧。
（3）注入电流
e I ph 1.6 1019 2.62 1016 I 7.35mA Qr inj 0.7143 0.8
或 tot
P h I e
eP 1.6 1019 1.5 103 I 7.35mA 19 tot h 0.143 (1.43 1.6 10 )
双异质结半导体激光器的结构：有源层p-GaAs被夹在宽带隙材料 P-GaAlAs和N-GaAlAs之间。 优点：由于利用双异质结对载流子和光子的限制作用加强，阈值电流密 度比单异质结结构下降了近一个数量级； 双异质结结构上的对称性，带来了折射率和光强分布的对称性。
（2.4节） 3、目前对异质结半导体LD的研究主要集中在哪些方面？
2.2节思考题 1 :
为什么在同质结LED中，应该使电子注入电流尽量大，空穴注入电流
尽量小，或者说用P区作为出光区，而在异质结LED中，并不需要这样做？
同质结LED的注入效率：
inj
Jn Jn J n J p J GR J n J p
Jn ND J p NA
e h h e
答：单异质结半导体激光器由一个同质结和一个异质结构成，有源
层（p-GaAs）被夹在（n-GaAs）和宽带隙材料（P-GaAlAs）之间。
从 n-GaAs 注入 p-GaAs 的电子就会受到 p-GaAs/P-GaAlAs 异质结 势垒的限制，在同样的注入速率下，这将使有源层积累的非平衡少数 载流子浓度增加；同时异质结两边材料的折射率差所形成的光波导效
激光器的基本组成部分:
增益介质
谐振腔 泵浦源
优点：
结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性； 半导体激光器的驱动电源也较简单，需要的电流、电压均很小， 因此工作较方便和安全。
2. 什么是半导体激光器的阈值条件?
阈值条件： 光子在谐振腔内往返一次，不产生损耗而能维持稳定的
【习题2.6】 GaAs材料的LED，输出功率为5 mW，横截面积100um2，
器件出光效率为0.2，载流子的辐射复合寿命为5ns。器件的非辐 射复合忽略不计，注入效率为1。计算有源层厚度是多少。
（题目中取n=1018cm-3）
I ndA e r
【解】
P I ph
In Qr e
eI ph
Qr
(1.6 1019 C )(4.37 1015 s 1 ) 3.49mA 0.2
I L kT ln(1 n n ) e AeDn n p
(3.54 103 A)(5.0 104 cm) (0.026) ln[1 ] 1.02V 2 2 19 2 4 3 (10 cm )(1.6 10 C )(25cm / s)(4 10 cm )
（2.5节）3．在条形半导体激光器中测向电流扩展和侧向载 流子扩散在物理概念上有何不同？如何减少这两种影响？
答：电流与载流子的侧向扩展都是载流子运动的结果，但前 者是 pn 结间多数载流子在电场作用下侧向的漂移运动，而后者 是注入的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其
产生侧向扩散。
为减少侧向电流扩展，必须形成良好的电流通道。可用质 子轰击或氧注入的方法在所需的电流通道区两侧形成高阻区；也
思考题 2 :
与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光 纤之间的耦合效率更高？
对于普通面发射LED，由于在水平和垂直方向都没有限制， 因此其水平和垂直方向的散射角都为120°；
而对于边发射LED，虽然平行于结平面方向没有限制，水
平散射角虽仍是 120°；但在垂直于结平面方向对光有限制， 其垂直散射角是 30°，因此边辐射LED与光纤之间的耦合效率
n 10 ns p 10 ns
inj
eD n n po Ln eD n n po eD p p no Ln Lp
【解】 少子浓度为
ni (2 106 )2 4 3 np 4 10 cm Na 1016 2 ni (2 106 )2 6 3 pn 8 10 cm 17 5 10 Nd
答：（1）提高激光器工作寿命，研究激光器性能退化和失效
的机理，提高激光器长期工作的稳定性与可靠性，发展各种条形 结构的激光器，降低阈值电流。
（2）扩展半导体激光器的工作波段。
（ 3）压缩半导体激光器输出光谱宽度（线宽）和适用在高速 调制下的单纵模工作（即动态单纵模）。 （ 4）提高半导体激光器的输出功率和输出光束的相干性，使 光子从信息领域扩展到以光子为能量载体的材料加工领域。
P r (5 103W )(5 109 s) d 5.5 m 19 18 3 8 2 nA (0.2)(1.43)(1.6 10 J )(10 cm )(100 10 cm )
2.3节思考题:
1. 激光器的基本结构由哪几部分组成？
半导体激光器有什么突出特点？
o2 do o dn 2nL 1 n d o