光源和光发送机

半导体的能带理论
❖ 1、晶体的能带 ❖ 晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的
不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近， 组成有一定宽度的带，称为能带。内层电子态之间 的交叠小，原子间影响弱，分成的能带比较窄，外 层电子态之间的交叠大，分成的能带比较宽。
2 在半导体中的能带： 价带（valence band）:形成共价键的价电子所占据 的能带称为价带。较低的能量 满带：价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。 导带（conduction band）:价带上面邻近的空带
❖ 费米能级不是一个可以被电子占据的实在的 能级，它是反映电子在各能级中分布情况的
参量，具有能级的量纲。
4、各种半导体中电子的统计分布
❖ 根据费米分布规律，可以画出各种半导 体中电子的统计分布。如图所示
光辐射与能带
本征材料和非本征材料
❖ 本征材料：不含杂质的理想材料，因为晶体中原 子的热运动，价带中的某些电子可以获得足够的 能量而激励到导带，同时在价带中留下一个空穴。
3.0 激光基础知识
❖ 光与物质相互作用的三种基本方式 ❖ 粒子数反转分布 ❖ 能带 ❖ PN结
光与物质相互作用的三种基本方式
❖ 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发 跃迁到低能级，同时释放出光子。
❖ 受激辐射——高能级电子受到外来光作用， 被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产 生的新光子与外来激励光子同频同方向，为 相干光。
半导体激光器输出激光的必要条件和 模式
3.1 半导体光源 光源材料与发射波长
❖ 从激射波长出发来选择半导体材料
❖ 有源区材料应该是直接带隙的，从量子力 学来看具有较高的跃迁几率。不需要粒子参 与来满足动量守恒。
❖ 虽没有单元素半导体是直接带隙的，但有许 多二元化合物都是直接带隙的,如Al,Ga,In,和 一种V族元素如P,As,Sb化合而成。
❖ 非本征材料：向晶体中掺微量的V族或 III族元素， （如P,As,Sb）可使晶体的导电性能大为增加， 掺杂后的半导体称为非本征半导体材料。
N型材料和P型半导体
❖ N型半导体：如果掺入的是V族元素，在核外 电子有 5个，其中四个与Si形成共价键，余 下一个电子可以用来传导电流，由于这种材 料是由电子来导电的称为N型材料。
❖ P型半导体：如果掺入的是III族பைடு நூலகம்素，在核外 电子有 3个，其中三个与Si形成共价键，余 下一个空穴用来传导电流，由于这种材料是 由空穴流动来导电的称为P型材料
多数载流子与少数载流子
❖ 多数载流子：浓度高的载流子，N型材料中 的电子或P型材料中的空穴。
❖ 少数载流子：浓度低的低流子，N型材料中 的空穴或P型材料中的电子。
光源和光发送机
本章重点
❖ （1）掌握光与物质的相互作用的三种基本过程；构成激光
器的必须具备的条件；半导体激光器的工作特性； ❖ （2）掌握发光二极管LED的工作特性 ❖ （3）光发射机的基本组成及功能 ❖ (4)光源的调制方式、调制特性、调制电路 ❖ （5）光纤线路码型的种类
本章内容提要
❖ 3.0 激光基础知识 ❖ 3.1 半导体光源 ❖ 3.2 光源调制 ❖ 3.3 光发送机
❖ 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸 收光能量而跃迁到高能级。
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)受激吸收
(b)自发辐射
hf12
hf12
(c)受激辐射
能级与电子跃迁示意图
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电 子 受 N光 受2数强激激且分会吸吸比别衰收收例为减与小系N，受于数1物和激受相质N辐激等2为射辐物，吸的质射此收速在，时物正率光光质常分通通。状别过过若态比该该下N例物物2N于＞质质1＞NN时时11N和，，，2， 光 的强分会布放与大正，常该状物态质相成反为，激故活称物为质粒。子N数2＞反N转1 分布。
1、PN结具有单向导电性
❖ 当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱 了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子 也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的 电子都很多，所以这股正向电流是大电流。
❖ 当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同， 多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷 区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成 高阻层，因而反向电流非常小。
（自由电子占据的能带）称为导带。
导带和价带通过禁带（energy gap）来分开，电子可 以在价带或者导带所对应的轨道上活动，但决不能在 它们之间－－禁带上活动。
一旦有外加能量，它们中的某些将获得足够的能量来 跃过禁带，占据导带的能级。我们称这些电子是“受 激的”。
3 费米－狄拉克统计
❖ 电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合泡里 不相容原理。电子在各能级中的分布，服从 费米－狄拉克统计。
p-n结的形成
当P型半导体和N型半导体形成PN结时， 载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空 穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主， 从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负 电的区域。同样，N区的电子向P区扩散， 剩下带正电的电离施主，从而造成一个带 正电的区域。载流子扩散运动的结果形成 了一个空间电荷区，称为PN结。
2 PN结的能带
3 增益区的形成
❖ 对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成 的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一 值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁带 宽度， PN结里出现一个增益区(也叫有源区)。
❖ 实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足
Eg＜hν＜e0V 的光子有光放大作用。半导体激 光器的辐射就发生在这个区域。
❖ 材料带隙的大小决定着LED发射光波的波长
E g h
hc
( m ) 1 .2 4 0
E (eV ) g
对于Ga1-xAlxAs ,0≤ x ≥0.37 Eg=1.414+1.266x+0.266x2
确定Eg后就可以得到峰值发 光波长。
3.1.1 半导体激光器
❖ 1 半导体激光器输出激光的必要条件和模式 ❖ 2 外量子效率 ❖ 3 频率特性 ❖ 4 温度特性 ❖ 5 半导体激光器的结构 ❖ 6 单纵模激光器