异质结半导体激光器

LED fiber coupling
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-9
2012-3-5
Copyright Wang Yan
3.n区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。 不变。 3.n区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。 E f 不变。 区电子使多数载流子 c 4.由于耗尽层极窄 由于耗尽层极窄， 可认为与n区相同。 4.由于耗尽层极窄，结区的准 可认为与n区相同。 Ef 5.p区电子是少数非平衡载流子 影响显著， 区电子是少数非平衡载流子， 5.p区电子是少数非平衡载流子，影响显著，由于非平衡载流子随 着深入p区而减少， 随深入p区而减少， 着深入p区而减少，故导带的准 E f 随深入p区而减少，直到非平 衡载流子的0处与p 重合为止。 衡载流子的0处与p区 E p 重合为止。
E f > Ec E f < Ev 出现了双简并or形成粒 出现了双简并or or形成粒 在结区及其两侧 子数反转分布，变成激活区叫做作用区or有源区。 or有源区 子数反转分布，变成激活区叫做作用区or有源区。 当光子通过时可放大 增益条件 c v
c
v
E f − E f ≥ hf ′ ≥ E g
正向偏压
3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。 3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。 导带的势垒与价带不同 4.当 区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。 4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。 区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。 当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。 5.势垒的减低和增高与 有关， 5.势垒的减低和增高与 ∆ E c . ∆ E v 有关，即与两材料的禁带 之差有关。 宽度 E g 1 E g 2 之差有关。
Optical fiber communications 1-6
2012-3-5
Copyright Wang Yan
由于内建场的存在， 由于内建场的存在，p2中的能级与 由于内建场的存在， 由于内建场的存在，p1中的能级与 同型异质结的能带。 平衡时 p − p 同型异质结的能带。
E f 同时上升。 同时上升。 E f 同时下降。 同时下降。
f
相似。 价带的 E f 相似。 区不受非平衡载流子的影响。 p区不受非平衡载流子的影响。 结区与P区相同，在n区随非平衡载流子的减少而减少。 结区与P区相同， 区随非平衡载流子的减少而减少。
v
Optical fiber communications 1-10 2012-3-5
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-4
1.在导带底， 1.在导带底，能量突变 在导带底 2.在价带底 在价带底， 2.在价带底，能量突变
2012-3-5
∆ E c ，在这里形成“光路”。 在这里形成“光路” ∆ E v , 在这里形成“凹口”。 在这里形成“凹口”
Copyright Wang Yan
(a)p、n型 (a)p、 不是简并型 构成异质结之前热平衡状态 下 E >E
c2 c1
Ev 2 > Ev1 ∆Ec = Ec 2 − Ec1 ∆Ev = Ev1 − Ev 2 ∆Ec + ∆Ev = Eg 2 − Eg
Optical fiber communications 1-3
2012-3-5
Double Heterojunctiptical fiber communications 1-13 2012-3-5
LED Spectrum
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-14 2012-3-5
Optical fiber communications 1-2
2012-3-5
Copyright Wang Yan
B.反型异质结与同型异质结（从导电类型） B.反型异质结与同型异质结（从导电类型） 反型异质结与同型异质结 反型： GaAs与 p-GaAs与 反型：如n-GaAs与p-GaAlAs or p-GaAs与n-GaAlAs 同型： GaAs与 n-GaAs与 同型：如p-GaAs与p-GaAlAs or n-GaAs与n-GaAlAs 二异质结的能带图（刘恩科chapter9) 二异质结的能带图（刘恩科chapter9) A.反型异质 A.反型异质
Optical fiber communications 1-7
2012-3-5
Copyright Wang Yan
同型与反型对比 1.反型 两方的载流子分别向对方扩散， 反型： 1.反型：两方的载流子分别向对方扩散，在两种材料中都形 成阻挡层。 成阻挡层。 2.同型 只有一种材料的载流子向对方扩散， 同型： 2.同型：只有一种材料的载流子向对方扩散，同时在这种材 料中形成阻挡层。 料中形成阻挡层。
E f − E f = eV
c v
V=
Ef − Ef
c
v
e
≥
Eg e
Optical fiber communications 1-11 2012-3-5
Copyright Wang Yan
Forward Biased PN Junction (LED)
Optical fiber communications 1-12 2012-3-5
Optical fiber communications 1-5
2012-3-5
Copyright Wang Yan
B.同质结 B.同质结 1.
E f 2 < E f1
因为 由于禁带宽度大的p型半导体比禁带宽度小的p 由于禁带宽度大的p型半导体比禁带宽度小的p型半导体的 p 2 → p1低， 流动， 形成空穴积累，而在p 形成耗尽层。 所以空穴将由 E g 流动，在p1形成空穴积累，而在p2形成耗尽层。 由于p型半导体中电子是少数载流子，故电子的扩散不计。 由于p型半导体中电子是少数载流子，故电子的扩散不计。由于空 穴的扩散，p2中的 E f 2不断上升， p1中的 E f 1 穴的扩散， 不断上升， 下降，直到 E f 1 = E f 2 下降， 二者平衡。 二者平衡。
Optical fiber communications 1-1
2012-3-5
第三节 异质结半导体激光器的工作原理
Copyright Wang Yan
异质结激光器的“ 异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异 是用不同的半导体材料制成的， 质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流， 质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流， 提高效率。 提高效率。 一.异质结激光器的结构 A.单异质结激光器与双异质结激光器 从材料） 单异质结激光器与双异质结激光器（ A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料） GaAs材料与GaAl材料 材料与GaAl GaAs材料与GaAl材料 As是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成 叫作砷镓铝晶体， 是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成， Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体， x,x是指AlAs与GaAs的比例 是指AlAs 的比例。 1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。
2012-3-5
Copyright Wang Yan
1.正向偏压V 1.正向偏压V使n区的能带及Fermi都相对于P区降低eV。 正向偏压 区的能带及Fermi都相对于P区降低eV。 Fermi都相对于 eV v 2.非平衡态载流子的存在使Fermi能级分离成 非平衡态载流子的存在使Fermi 2.非平衡态载流子的存在使Fermi能级分离成 E f E G 导带和价 带的准Fermi能级。 Fermi能级偏离Fermi能级的情况由非平衡载 Fermi能级 能级偏离Fermi 带的准Fermi能级。准Fermi能级偏离Fermi能级的情况由非平衡载 流子的浓度来决定。 流子的浓度来决定。
Ef
p
Optical fiber communications 1-8
经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕， 经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫 做扩散区。 做扩散区。 同理在n区得边界处也有向n内部扩散得空穴流。 同理在n区得边界处也有向n内部扩散得空穴流。 非平衡状态下P 非平衡状态下P－N结的能带。 结的能带。
Copyright Wang Yan
当形成异质结时，电子 当形成异质结时，电子n 空穴p 空穴
p n
异质结即处于平衡状态。 直到两半导体有相等的 E f ，异质结即处于平衡状态。 结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。 与p-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。 型半导体一边为正电荷， N型半导体一边为正电荷， 型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。 P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。 由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能， 由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区 的能带发生了弯曲（基本与p 结的形成相同的）。 的能带发生了弯曲（基本与p-n结的形成相同的）。 区别： 不同， 区别：由于禁带 E g 不同，因而在两材料的上界面附近其能带 出现与p 结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。 出现与p-n结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。