半导体激光器与发光二极管
半导体激光器的应用与分类
半导体激光器的应用与分类半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。
按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。
半导体激光器的分类有多种方法。
按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。
LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。
半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。
如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。
hymsm%ddz半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。
光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
半导体激光器 液晶显示器
N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
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 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
半导体激光器和发光器件介绍
4、相干性好
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的 杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只 有几个mm或几十cm。
激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上 有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序 的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术， HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
灯泵浦Nd:YAG激光 器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm， 直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的 最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。
半导体光电子学第6章 半导体发光二极管
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
发光二极管和半导体激光器
En exc
1
2 r
mr* m
EH n2
氢原子的基态电离能。
EH
mq4
8 02 h2
13.6(eV)
晶体的相对 电子和空穴的 介电常数 有效折合质量
1 mr*
1 mn*
1 m*p
Eg 价带顶
激子能级是分立的。
电子的有
n=1:激子的基态能级；
效质量
n=时，激子能级=0，相当于导带
底，电子和空穴完全摆脱了束缚。
• 等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产 生的束缚态。
• 用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴， 而是形成电中性中心。例如：N就是GaP中P原子的 等电子杂质。
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合
• 产生“陷阱”（束缚态）的原因？ 等电子杂质原子与被替位的基质原子之
空穴的有 效质量
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
5）激子复合
• 对于自由激子，电子和空穴复合时会把能量释放出来 产生光子。
• 对于直接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量
为：
导带底
hv
Eg
En exc
En exc
• 对于间接带隙半导体，自由激子复 合发射光子的能量为
✓ 等电子杂质的电负性>（<）晶格原子的电负性，形成 电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电 子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。
✓ 例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态， N原子为等电子受主。Bi原子取代GaP中的P原子：形 成空穴的束缚态，Bi原子为等电子施主。
发光二极管与激光器
一、
发光二极管的发光原理：
制作LED的材料是重掺杂的，热平衡状态下，N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多迁移率较低的空穴。
由于PN结阻挡层的作用，两者不能自然复合。
当给PN结加以正向电压时，PN结中的电子和空穴辐射复合发光，是自发辐射发光。
激光器的发光原理：
激光器一般由三部分组成：工作介质，激励源，谐振腔。
其发光原理是给工作介质加以某种激励源，泵浦激励过程实现工作原子在上下能级间的粒子数反转分布，再通过工作物质中原子的自发辐射诱导受激辐射实现光的放大作用，经过谐振腔对光波模式的“筛选”和光学正反馈，最后形成持续震荡的相干光辐射，发射激光。
这两种光源的主要差别：
半导体激光器是基于载流子的受激跃迁辐射，发射的是相干光-激光；而二极管是基于注入的载流子的自发跃迁辐射，发射的是非相干光-荧光，而且LED的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。
二、
光源波长与制作激光器所用的材料即工作介质密切相关。
工作介质可以是固体、气体、液体、半导体等。
激光器产生激光的条件之一是在特定的能级间实现粒子数的反转分布，从而使电子在能级之间跃迁完成发光。
不同的材料（工作介质）能级结构不同，能级差不同，电子跃迁所发射的光频也就不同，波长也就会不同，从而产生了不同颜色的光源。
所以不同材料的激光器产生激光的波长也不同。
举例说明：氩激光器产生的光波长为488nm，蓝光；氦氖激光器产生的光波长为543nm，绿光；红宝石激光器产生的光波长为694nm，红光。
关于发光二极管以及二极管激光器
发光二极管简称为LED。
由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机光二极发管LED。
激光二极管包括单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。
量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。
同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。
在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。
双异质结(DH)平面条形结构，这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。
图中标出所用材料和近似尺寸。
结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。
三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔DH激光器工作原理：由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
图3.6 DH激光器工作原理(a) 双异质结构；(b) 能带；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
LED(发光二极管)和激光器
一、LED:发光二极管一、LED及其特点Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED的特点:LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所;效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%;适用性：很小，每个单元LED小片是3-5 mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境;稳定性：10万小时，光衰为初始的50%;响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级。
二、LED的发光原理及结构介绍发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的P N结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LE D。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的L ED元件，但是无论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化。
三、LED常用照明术语1、平均寿命：指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。
单位：小时（h）。
2、经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。
室外的光源为70%，室内的光源为80%。
3、色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。
半导体器件应用半导体激光器与光电二极管的应用
半导体器件应用半导体激光器与光电二极管的应用半导体器件应用——半导体激光器与光电二极管的应用半导体器件作为电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各个领域。
其中，半导体激光器和光电二极管是常见的半导体器件，具有重要的应用价值。
本文将探讨半导体激光器和光电二极管的应用，并介绍它们在不同领域中的具体作用。
一、半导体激光器的应用半导体激光器是利用半导体材料电流注入产生的激射效应发出激光的器件。
它具有体积小、效率高、功率稳定等特点，因此在许多领域中有着广泛的应用。
1. 信息通信领域半导体激光器在信息通信领域中，被广泛应用于光纤通信、光存储等设备中。
例如，它可以作为激光器光源，用于传输高速、大容量的光信号。
此外，半导体激光器还可以用于光纤传感器，实现对光纤中的变形、温度等参数进行高精度检测。
2. 医疗领域在医疗领域中，半导体激光器可以用于激光手术、激光治疗等。
例如，它可以作为可控制的、高功率的激光器光源，用于进行精确的手术操作。
此外，半导体激光器还可以用于肿瘤治疗、皮肤美容等领域，发挥其独特的照射效果。
3. 工业制造领域在工业制造领域中，半导体激光器常被应用于激光切割、激光打标等设备中。
例如，它可以作为高功率的激光器光源，用于精确切割各种材料，如金属、塑料等。
另外，半导体激光器还可以用于激光焊接、激光清洗等工艺，提高生产效率和产品质量。
4. 生物医学领域在生物医学领域中，半导体激光器被广泛应用于细胞成像、蛋白质分析等研究中。
例如，它可以作为激发光源，用于激发荧光染料，实现对细胞、组织等生物样本的高清晰成像。
此外，半导体激光器还可以用于光谱分析、蛋白质定量等方面，为生物科学的发展提供了有力支持。
二、光电二极管的应用光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，具有高效率、快速响应等优点。
它广泛应用于光电探测、光电转换等领域。
1. 光电检测领域光电二极管在光电检测领域中起着重要的作用。
例如，在光电传感器中，光电二极管可以将光信号转换成电信号，实现对光强、光波长等参数的检测。
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）在结构上存在一些差异。
以下是其中一些主要的差异：
1. 结构设计：LED通常采用PN结构，而激光器则采用PN结构和衍射光栅或腔内反射镜等光学元件组成。
2. 激光器引入光学腔：LED并没有光学腔，而激光器在PN结构中引入光学腔以增强光的反射和准直，从而实现激光效应。
3. 相干辐射：激光器由于引入了光学腔，激发的光线在光学腔内进行多次正反射，形成相干辐射，从而产生准定向、单色和相干的激光输出。
而LED没有光学腔，输出的光线较为非相干，非准定向和非单色。
4. 电流注入区域：激光器的电流注入区域较小，一般在纳米或亚微米级别，而LED的电流注入区域相对较大，一般在微米级别。
5. 输出功率：激光器的输出功率较高，可以达到几十毫瓦到几瓦的级别，而LED的输出功率一般在几毫瓦以下。
总体而言，半导体激光器相对于半导体发光二极管具有更复杂的结构，引入了光学腔以实现激光效应，并且具有更高的输出功率和相干性。
而LED则更简单，输出功率相对较低且辐射为非相干性。
(整理)光电课程设计_光学仿真.
概述：一、光源在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。
光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。
下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。
1 发光二极管（LED ）发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。
其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。
驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。
发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。
发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。
LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。
自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为()int int /P w q η= (2.1)式中，ω 为光量子能量。
假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的发射功率为()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.2) ηext 亦称为外量子效率。
由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。
光纤通信原理第二章2 半导体激光器和发光二极管
+ B = m/n,
n ( 1 + sin n)= m
布喇格反射条件
2n = m
是波纹光栅的周期，也称为栅距；m为 整数；n为材料等效折射率；为波长
3.DFB激光器的优点
•单纵模 •光谱线宽窄 •动态单纵模 •线性好
DFB和DBR激光器
MQW-DFB-LD
§2.5半导体激光器的基本特性
垂直腔面发射激光器
垂直腔激光器的优点
• 发光效率高 ， 850nm，10mA电流，1.5mW 功率
• 发射圆形光束，耦合效率高 • 阈值电流极低，工作电流也不高 • 可通过短腔（5~10µm）实现单纵模工作 • 高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可
不需要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频
寿命长 可靠性高 调制电路简单 成本低
LD和LED的光谱比较
• 存在光学谐振机制,并在有源区建立 稳定的振荡 ---激光产生条件
在半导体激光器中光振荡主要采用 两种形式:
• F-P（法布里－珀罗）谐振腔:用半 导体晶体天然的解理面构成。
• DBR（分布布拉格反射器）—周期 性波纹结构
2.制作半导体激光器的材料
直接带隙的半导体材料：导带的最低点 和价带的最高点对应着相同的波数K。
降低器件的阈值电流密度 实现室温下连续工作
(2)按平行于PN结激光器
台面条形 激光器
平面条形 激光器
隐埋条形 激光器
宽面激光器
只有PN结中部与解 理面垂直的条形面积上 (10~30 m)有电流通过 的结构是条形结构。
条形激光器主要优 点是阈值电流低，发热 少，利于散热，可以改 善光谱特性。但受条宽 限制不宜作大功率输出 。
半导体激光器工作原理及基本结构
受激光辐射（半导体激光器）
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严 格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫 做受激光辐射。
法布里-珀罗谐振腔
(形成相干光)
垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗 谐振腔 ，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端 面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激射效率. 一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
折射率波导条形激光器（掩埋条形）
特点：不仅对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧 向扩散有限制作用，而且对光波侧向渗透也有限制作 用。 InP衬底的1310nm 、1480nm激光器属于这种结构， 需要三次外延生长。此结构的优点：条形有源区的侧 向对载流子和光场都有限制，辐射光丝稳定，能够单 膜工作，远场单峰、光斑均匀，光谱窄、阈值低、可 靠性高。
增益和阈值电流
增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增 强。 损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。 包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。 阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
半导体激光器的分类（材料和波长）
可见光： GaAs衬底 InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光 InGaAlP/GaAs 630~680nm AlGaAs/GaAs 720~760nm 近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm 远红外长波长： InP衬底 InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
自发光辐射和受激光辐射自发光辐射发光二极管当给器件加正向偏压时n区向p区注入电子p区向n区注入空穴在激活区电子和空穴自发地复合形成电子空穴对将多余的能量以光子的形式释放出来所发射的光子相位和方向各不相同这种辐射叫做自发辐射
半导体二极管和发光二极管_概述及解释说明
半导体二极管和发光二极管概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体二极管和发光二极管是两种常见的电子元件，它们在现代电子技术领域发挥着重要的作用。
半导体二极管是一种基本的电子器件，具有良好的整流特性，可以将电流只在一个方向上进行传导，被广泛应用于电源、通信和计算机等领域。
而发光二极管则是在半导体二极管基础上进一步演化而来的元件，在通常情况下能够将电能转化为光能，并在光学显示、照明和通信等领域有广泛应用。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分对半导体二极管和发光二极管进行概述和解释说明。
首先，在引言部分对这两种元件做总体概述，并介绍文章的结构安排。
接下来，第二部分将详细阐述半导体二极管的基本原理、结构和工作方式，并探讨其广泛应用的领域。
第三部分将解释发光二极管的工作原理，介绍其不同的结构和分类，并探讨它在不同应用范围内的使用情况和未来发展趋势。
第四部分将比较分析半导体二极管和发光二极管的特点和区别，包括理论性能差异、应用场景选择比较以及技术发展前景对比评估。
最后，结论与展望部分将总结概括文章要点，并提出对未来发展的展望和建议。
1.3 目的本文旨在全面了解和阐述半导体二极管和发光二极管这两种重要电子元件的概念、原理、结构以及广泛应用领域。
通过对它们进行详细解释说明和比较分析，可以帮助读者更好地理解它们在现代电子技术中扮演的角色，并为相关领域中的技术研究和应用提供参考依据。
此外，还将对未来这两种元件的发展进行展望，并提出相关建议，旨在促进电子技术领域的进一步创新与发展。
2. 半导体二极管:2.1 基本原理:半导体二极管是一种基于半导体材料制造的电子器件。
它由两个不同掺杂的半导体材料构成，通常是P 型(正负载) 和N 型(负载) 的硅或锗晶体。
当二极管处于正向偏置状态时，即正压施加在P 区域上，而负压施加在N 区域上，电子会从N 区流向P 区，同时空穴从P 区流向N 区。
这种电荷移动形成了一个电流，在此过程中，在PN 结处生成一个电势垒。
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第三章 半导体激光器与发光二极管
半导体激光器（LD）图例
图 3.1*
红光点状光斑激光器
工作参数
输出波长：
635nm 650nm 670nm 出光功率：
0～75mw 光斑直径：
工作电压：3V 4.5V 5V 6V
第三章 半导体激光器与发光二极管
在不同的能级间跃迁，即对于某一电子而言，它所具 有的能量时大时小，不断变化，而电子按能量大小的 分布却有一定规律。
第三章 半导体激光器与发光二极管
在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占
据的概率为：f (E)
1
1
1 e[(EE f ) / K0T ]
1
E exp(
Ef
)
KT
式中：f (E（) 概率） ：为电子的费米分布函数
光子概念的提出，使人们认识到，光不仅具有波 动性，而且还具有粒子性，而且两者不可分割（两重 性）。
第三章 半导体激光器与发光二极管
二、费米能级
1、 原子能级的概念 物质是由原子组成，而原子又是由原子核和核外
电子构成，当物质中原子的内部能量变化时，即可能产 生光波。因此要研究激光的产生过程，就应了解原子能 级分布。
第三章 半导体激光器与发光二极管
（2）受激吸收 物质在外来光子的的激发下，低能级上的
电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级 上，这个过程叫受激吸收。 受激吸收的特点： 1°这个过程必须在外来光子的激发下才能产生， 因此是受激跃迁。 2°外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差， 如E=E2-E1=hf 3°受激跃迁的过程中，不是放出能量，而是消 耗外来光能。
第三章 半导体激光器与发光二极管
（3）受激辐射 这是另一种发光过程，处于高能级E2的电
子当受到外来光子的激发而跃 迁到低能级E1， 同时放出一个能量为2hf的光子，由于这个过程 是在外来光子的激发下产生的，因此叫受激辐 射。
第三章 半导体激光器与发光二极管
第三章 半导体激光器与发光二极管
构成光纤通信系统三大部分之一的光发射部 分的核心是产生激光或荧光的光源，它包括半导 体激光器LD（Laser Diode） 和半导体发光二极 管LED（Light Emitting Diode），它们的共同 特点是：体积小，重量轻，耗电量小。
一、光子 1950年，爱因斯坦提出光量子学说。他认为光
是由能量为hf的光量子组成的，其中，h=6.626×10-34 J·S，称为普朗克常数，f是光波频率，人们称这些光量 子叫做光子。
不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的 光波它具有的能量只能是hf的整数倍，当光与物质相 互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或反射。
被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。 故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
第三章 半导体激光器与发光二极管
三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了 三种不同的基本过程如图3.2所示（下面简述E1、E2二能级系统 为例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃 迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一 个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：
即 hf E2 E1 ，则发射光子的频率： f E2 E1
h
第三章 半导体激光器与发光二极管
自发辐射的特点如下： 1）这个过程是在没有外界作用的条件下， 而自发产生的，是自发跃迁。 2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的 能级，而发生自发辐射的高能级不是一个， 而可以是一系列的高能级，因此辐射光子 的频率亦不同，频率范围很宽。 3）即使有些电子是在相同的能级差间进行 跃迁，也就是辐射出的光子的频率相同时， 但由于它们是独立的，自发的辐射，因此， 它的发射方向和相位也是各不相同的，是 非相干的。
Ko：玻耳兹曼常数 T：绝对温度
， K 0 1.38 10 34 J / K
E f ：费米能级，它只反映电子在各能级中分布 情况的一个参数。
根据上式，我们可以得到图3.1所示的费米分布函数 曲线：
第三章 半导体激光器与发光二极管
由图3.1可见：在T>0K时 若E=Ef：则f(E)=1/2，则说明该能级
发光二极管图例
图 3.2*
圆形发光二极管工作参 数 波长：470nm 发光强度： 1000－4000mcd 正向电压；3.4v
第三章 半导体激光器与发光二极管
光电检测器图例
图 3.3* 插拔式光电二极管 图3.4* APD雪崩光电二极管
第三章 半导体激光器与发光二极管
§3-1 与激光器有关的概念
电子在原子核外按一定的轨道运动，就具有了一定 的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的 数值，这些允许的数值，因轨道不同，而一个个分开的， 即不连续的，我们把这些分立的能量值，称为原子的不 同能级。(*04)
第三章 半导体激光器与发光二极管
2、费米能级 物质中的电子不停地做无规则的运动，他们可以
激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。
第三章 半导体激光器与发光二极管
引言
一、 光纤通信系统对光源的基本要求： （1）稳定性好，可在室温下连续工作； （2）尺寸和结构要小； （3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段； （4）信号调制容量大。
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引言
第三章 半导体激光器与发光二极管半导体激光二极管或称激光器(LD),发出的是激光. a. 极窄的光谱带宽；b. 极大的调制容量； c 有定向输出特性；d. 辐射具有光相干特性。 适用于长距离，大容量，高码速系统
优点：输出特性曲线线性好；使用寿命长；成本低. （2）LED：发光二极管或称发光管(LED),发出的是荧光。 a. 非相干的自发辐射； b.结构及工作方式简单； 适用于短距离，低速，模拟系统