半导体激光器LD
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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
Leabharlann Baidu
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
反向偏压使耗尽区加宽
扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动
n型
耗尽层
p型
U
n
p
正向偏压使耗尽区变窄
扩散 > 漂移
n型
耗尽层
p型
U n p
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光
n
hv
p
外加电场 à 注入载流子 à 粒子数反转 à 载流子复合发光
E2 - E1 = hv hv
E2 E1
E2 E1
hv
(a) 受激跃迁
E2 hv E1
(b) 自发辐射：非相干光
hv hv
(c) 受激辐射：相干光 半导体成为发光体需要光辐射 > 光吸收
半导体粒子分布状态
N1：处于低能级的电子数量 N2：处于高能级的电子数量 (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。
非本征半导体材料：n型
As+ As
施主杂质
第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。
施主能级
电子能量
电子浓度分布 施主杂质电离使导带 电子浓度增加
受主能级
电子能量 电子浓度分布
受主能级电离使导带 空穴浓度增加 空穴浓度分布
被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 EA。当空穴 获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为 导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。
浓度作用定律
本征材料：电子和空穴总是成对出现
非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.2 发光二极管 (LED)
原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米
第四章 光
源
主要内容
半导体物理简介
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.1 光源的物理基础
半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料
孤立原子的能级
围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定 的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。
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
直接带隙材料和间接带隙材料
直接带隙：导带的最低位臵位于价带最 高位臵的正上方；电子空隙复合伴随光 子的发射。III-V族元素的合金，典型的 如GaAs等。
间接带隙：导带的最低位臵不位于价带 最高位臵的正上方；电子空隙复合需要 声子的参与，声子振动导致热能，降低 了发光量子效率。
主要内容
半导体物理简介
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
施主能级
空穴浓度分布
被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于 施主能级上的电子吸收少量的能量 DED后可以跃迁到导带，因 此施主能级位于离导带很近的禁带。
非本征半导体材料：p型
B¯ B 受主杂质
第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。
空穴
价带 EV
空穴浓度分 布
电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁
本征载流子浓度
电子或空隙的浓度为:
n p ni exp(
Eg 2k BT
)
其中 2(2kBT / h2 )3/ 2 (me mh )3/ 4 为材料的特征常数
kB 为玻耳兹曼常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3
原子核
低能级 高能级 电子优先抢占低能级
电子
N个原子构成晶体时的能级分裂
N=4
电子能量 电子能量
N=9
原子间距
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带
Nà∞
原子间距
能带的分类
满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 (一般被占满) 空带：所有能级都没有电子填充的能带
双异质结构
E 空带 禁带 价带 禁带 满带 导带
未被电子占满的价带称为导带
禁带的宽度称为带隙
导体、绝缘体和半导体
导体： (导)价带电子
3 ~ 6 eV
绝缘体： 无价带电子 禁带太宽
0.1 ~ 2 eV
半导体： 价带充满电子 禁带较窄
满带电子激励 成为导带电子
0.1 ~ 2 eV
外界能量激励
光作用下的跃迁和辐射
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
Leabharlann Baidu
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
反向偏压使耗尽区加宽
扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动
n型
耗尽层
p型
U
n
p
正向偏压使耗尽区变窄
扩散 > 漂移
n型
耗尽层
p型
U n p
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光
n
hv
p
外加电场 à 注入载流子 à 粒子数反转 à 载流子复合发光
E2 - E1 = hv hv
E2 E1
E2 E1
hv
(a) 受激跃迁
E2 hv E1
(b) 自发辐射：非相干光
hv hv
(c) 受激辐射：相干光 半导体成为发光体需要光辐射 > 光吸收
半导体粒子分布状态
N1：处于低能级的电子数量 N2：处于高能级的电子数量 (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。
非本征半导体材料：n型
As+ As
施主杂质
第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。
施主能级
电子能量
电子浓度分布 施主杂质电离使导带 电子浓度增加
受主能级
电子能量 电子浓度分布
受主能级电离使导带 空穴浓度增加 空穴浓度分布
被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 EA。当空穴 获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为 导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。
浓度作用定律
本征材料：电子和空穴总是成对出现
非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.2 发光二极管 (LED)
原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米
第四章 光
源
主要内容
半导体物理简介
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.1 光源的物理基础
半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料
孤立原子的能级
围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定 的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。
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
直接带隙材料和间接带隙材料
直接带隙：导带的最低位臵位于价带最 高位臵的正上方；电子空隙复合伴随光 子的发射。III-V族元素的合金，典型的 如GaAs等。
间接带隙：导带的最低位臵不位于价带 最高位臵的正上方；电子空隙复合需要 声子的参与，声子振动导致热能，降低 了发光量子效率。
主要内容
半导体物理简介
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
施主能级
空穴浓度分布
被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于 施主能级上的电子吸收少量的能量 DED后可以跃迁到导带，因 此施主能级位于离导带很近的禁带。
非本征半导体材料：p型
B¯ B 受主杂质
第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。
空穴
价带 EV
空穴浓度分 布
电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁
本征载流子浓度
电子或空隙的浓度为:
n p ni exp(
Eg 2k BT
)
其中 2(2kBT / h2 )3/ 2 (me mh )3/ 4 为材料的特征常数
kB 为玻耳兹曼常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3
原子核
低能级 高能级 电子优先抢占低能级
电子
N个原子构成晶体时的能级分裂
N=4
电子能量 电子能量
N=9
原子间距
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带
Nà∞
原子间距
能带的分类
满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 (一般被占满) 空带：所有能级都没有电子填充的能带
双异质结构
E 空带 禁带 价带 禁带 满带 导带
未被电子占满的价带称为导带
禁带的宽度称为带隙
导体、绝缘体和半导体
导体： (导)价带电子
3 ~ 6 eV
绝缘体： 无价带电子 禁带太宽
0.1 ~ 2 eV
半导体： 价带充满电子 禁带较窄
满带电子激励 成为导带电子
0.1 ~ 2 eV
外界能量激励
光作用下的跃迁和辐射