第4章光源和光发射机电子通信专业优秀课件

4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
3. 外加正向电场的PN结
图解1: 外接电源
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: 接通电源, 内电场被削弱,耗尽层变窄
外加正向电场的PN结
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 能带发生移动, 产生激活区
激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的 “源”!
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
2. PN结 P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.
P区 N区 I1
P区 N区 I2
正向
I1>> I2
反向
外电场方向不同, 导电性大不相同.
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
PN结形成图解:
图解1: P,N半导体接触前
4.1 光源
则
ni=2.62*106cm-3
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
2. N型和P型半导体
向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb), 导带中的电子浓 度增加,电子为多数载流子. 电子-负电荷-Negative-N型
向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In), 价带中的空穴浓 度增加,空穴为多数载流子. 空穴-正电荷-Positive-P型
第4章光源和光发射机电子通信 专业
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
第四章 光源和光发射机
Ec
Eg Ev
本征
ED
Donor level
N型
T0K
acceptor level
EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
3. 费米(Fermi)能级Ef
T=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空 缺的能级的界限.
Ec
Eg
Ev 本征
ED Ef
N型
EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
4. 同质结和异质结
P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结 P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结
n-GaAs p-GaAs
n-GaAs p-GaAs p+-GaAlAs
p+-GaAs
n+-GaAs n-GaAlAs p-GaAs p+-GaAlAs
p+-GaAs
同质结
单异质结
双异质结 (DH)
(DH: Double Heterostructure/Heterojunction)
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
典型的双异质结结构:
金属接触层 n-GaAs衬底层 n-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um) n-Ga1-yAlyAs复合区(~0.3um) p-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um) p-GaAs 金属接触改善层(~1um) 金属接触层
Ec
Eg Ev
本征
ED
Ef
N型
导带
EA
价带 P型
电子空穴密 度相等
导带中电子 密度大于价 带中的空穴
密度
价带中空穴 密度大于导 带中的电子
密度
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
准费米能级：
当体系由于外界作用(如光
照)而破坏热平衡状态时，
体系不存在统一的费米能
级，但费米能级分布对导
带和价带各自仍然适用---
Ec Eg
Ev
ED
Ef EA
本征
N型
P型
T≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:
f (E)
1
1exp
EEf kBT
T0, f(E)10,,E EE Eff
T 0, f (E) 1/12/,2,EEEEff 1/2,EEf
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
T0K 导带和价带中的载流子的密度不同
在光纤通信中，将电信号转变为光信号是 由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源： LED(Light Emission Diode) LD (Laser Diode)
第四章 光源和光发射机
4.1 光源 4.2 光发射机
主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性 和主要电路！
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论 4.1.2 PN结 同质结 异质结 4.1.3 发光二极管(LED) 4.1.4 激光二极管(LD)(半导体激光器) 4.1.5 若干半导体激光器简介 4.1.6 半导体光源一般性能和应用
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
电子 空穴
Ec
Eg Ev
激发 复合
T0K
T0K
E c --导带底能级 E v --价带顶能级
Hale Waihona Puke Eg Ec Ev--禁带宽度,能隙
Valence band Conduction band band gap
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
热平衡(T)下本征半导体载流子的浓度 E c
导带费米能级，价带费米
能级，即准费米能级。
fc(E2)
1
1exp E2kBTEfc
fv(E1)
1
1exp E1kBTEfv
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
1. 半导体导电性
无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加 电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.
外电场方向不 影响导电性.
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
1. 能带
在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的 能态扩展成能级连续分布的能带。
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
价带: 与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束
缚于价带中,价带以上的能带是空的.
导带:
由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚 成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是 能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: P,N半导体接触
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 载流子扩散
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解4: 内电场建立,扩散运动和漂移运动同在,能带发生倾斜
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解5: PN结形成后
npni Kexp2(E kBgT)
K 2 (2k B T /h 2 )3 /2 (m e m h )3 /4
Eg Ev
T0K
me , mh --为电子和空穴的有效质量
例: GaAs本征半导体, T=300K, Eg=1.42eV m=9.11*10-31kg me=0.068m ;mh=0.56m