第5章_典型激光器(半导体激光器)

FEN、EFP称为准费米能级
3. LED内的复合种类
1.带间复合：导带中电子和介带中空穴的复合，产生的光子能量接近禁 带宽度,即
hc 1.24( m) Eg Eg (ev)
2.D-A对复合：在轻掺杂的半导体中，施主俘获的电子和受主俘获 的空穴之间的复合。 3. 等电子陷阱的激子复合：等电子杂质是指掺杂在半导体中的同一 族原子，它的介电子数相等。由这些原子构成俘获电子和空穴的陷 阱。形成高效率的发光
i r
r
( I I th )
i h
ln R e L ln R
微分外量子效率：输出光子的 增长率/注入载流子对增长率
ex
d ( P0 / h ) dP e 0 d [(I I t ) / e] h d ( I I t )
Po代入
ex i
Dn、Dp---电子和空穴的扩散系数 Ln、Lp电子和空穴的扩散长度 nn0和Pp0---n区的电子浓度和p区的空穴浓度
为提高注入效率，一般nn0>>pp0，此时n标为n+
辐射效率：
1
nr Rr r q 1 1 r nr Rr Rnr r nr
即辐射复合和非辐射复合数之比。其中Rr，Rnr为辐射复 合和非辐射复合几率，r ，nr为辐射复合和非辐射复合 载流子寿命
2K 2 Ec U 0 2mC 2K 2 EV U 0 2mV
2 m 其中： K L
m 0,1,2,
L为晶体长度
能带图
导带 禁带 介带
Eg>2eV, 绝缘体 Eg≈ 0, 导体 0<Eg< 2eV, 半导体
直接带隙半导体和间接带隙半导体

直接带隙半导体：高发光效率 Ga As, InP, AlAs, GaAlAs, InGaAsP 间接带隙半导体：低发光效率 Ge, Si
(hv) 2.5 ~ 3kT
一个红光LED的发光光谱
不同的材料其带宽不同
2.LED的电光特性
LED的电流发光特性
LED的电压、电流曲线
LED的发光强度和电流成较线形关系。而LED的伏安特 性和二极管类似，有一个较明显的阈值电压。
6.2.4 LED的结构
如何提高外量子效率
1．P层在最外，n层在内部， 以减少半导体对光子的吸收 2. 采用球形的光学材料封装， 增大光从半导体到外部的全 反射临界角 GaSe的折射率为3.66
ln R L ln R
半导体激光器的功率效率
P0 P IV
P i
( I I th ) h ln R I eV L ln R
LD的模式特性
横模：LD有源层的厚度<0.15um， LD有源层宽度<10um，单侧向 模，单横向模 横向 目前的LD均为单模方式
纵模：有单纵模LD和多纵模LD
fe (E)
E EF
1 fe (E) 2
；
E EF
p型、n型和I型半导体
施主杂质：掺杂到半导体中提供多余电子的元 素，如P、S、As等 受主杂质：掺杂到半导体中提供多余空穴的元 素，如B、Be、Zn、In等 n型半导体：掺杂施主杂质，形成电子导电型 半导体 P型半导体：掺杂受主杂质，形成空穴导电型 半导体 I型半导体（本征型半导体）：没有杂质的半导 体
侧向
LD的远场特性
由于LD内光学腔为矩形，导 致出射光在垂直厚度方向发散 角大，而水平方向发散较小。 有源层厚度d较大时(>2um)
1 2

d
水平方向发散角
2

W
W为横向宽度。典型的LD发散角：水平5度，垂直30度
LD的热稳定性
1. LD的阈值电流随温度的升高而上升
T Troom J th (T ) J th (Troom ) exp( ) T0
分布反馈式半导体激光器
DFB原理：根据布拉格衍射原理，入射平面波在界面B、C点 反射后，光程差是波长的整数倍时，发射波加强。这种光栅 式的结构完全可以起到一个谐振腔反射镜的作用。它所发射 的激光频率完全由光栅的周期T决定。
LD与其它激光器相比优缺点


优点： 1.灵活调整波长 2. 激励功率较小，效率高（20%） 3. 调制性能好（直接调制，调制深度可控，调制速度快， ps水平） 4.体积小 缺点： 1.单色性差 ~1A 2.远场特性差 3. 输出功率小 4.热稳定性差
1.3 费米-狄拉克分布
电子处于能量为E的能级几率为：
fe ( E )
1 1 e
E EF KT
费米-狄拉克分布
空穴处于能量为E的能级的几率为： 公式中EF称为费米能级
1 2
fn ( E) 1 fe ( E)
E EF
1 fe (E) 2
空穴是指介电子激发跃迁以后在介带留下的空位。
3.4 LD的输出特性
1、输出功率特性
pn结内部的量子效率为i，每秒钟产生的光子数
n i I / e
在阈值电流下，损耗的光子数和产生的光子数相等，因此损耗的 光子数为
i I th / e
因此实际产生的光子功率为
LD输出功率为
P i i ( I I th )h / e
PO Pe
i I
e
2i 2 G( , 0 ) g ( , 0 ) g ( , 0 ) J 2 2 LWde 8 8 ed
iI
如果激光频率和中心频率重合，则
1/ g ( 0 ) ( / 2)
2i 2 2i G( 0 ) J 2 2 J 2 8 ed 4 ed
粒子数反转条件： 电子在导带的占有几率大于 在介带的占有几率
f ( EC ) f ( EV )
根据费米能级公式
fe ( E ) 1 1 e
E EF KT
3.1 粒子数反转
得到粒子数反转满足：
1 1 E EFN E EFP 1 exp( C ) 1 exp( V ) kT kT
EFN EFP Eg
即电子和空穴的准费米能级分别进 入导带和介带 进一步可以得到：
V Eg / e
即外加电压要足够大

3.2谐振腔
晶体的端面采用110 面，抛光成光学平面， 形成反射镜。构成谐 振腔 m 2nL LD的增益系数
N 2 G( , 0 ) g ( , 0 ) 2 LWt 8
2.2 LED的内量子效率
LED的内部量子效率
Internal q
其中为电荷注入效率, q为辐射效率，一般pn结是电子注入到p区复 合发光，因此
Dn nn 0 Dn nn 0 L p jn Ln D P jn j p Dn nn 0 Dn nn 0 L p D p Pp 0 Ln p p0 Ln Lp
pn结
P型半导体和n型半导体之间的接触界面，由于载 流子的扩散，在界面附近形成空间电荷区。
耗尽层
eVD ( EF )n ( EF ) P
VD称为势垒高度
2. pn结的能带图
当pn结加正向电压时，导致p、n处费米能级不一致，在pn结附近 产生了粒子数反转。电子和空穴的复合几率增加，产生光子发射。
O X
a
b
Y
O X
a
b
Y
O X
a
b
Y
[110]
Z c
[111]
Z c
[120]
Z c
O X
a
O
b
Y
b
X
a
Y
O X
a
b
Y
[100]
[010]
[001]
1.2半导体的能带
介电子：受原子团束缚的电子，无法参与导电 导电电子：介电子脱离原子团的束缚，可自由传递 参与导电 根据量子力学理论导电电子和介电子的能量为
异质结半导体激光器 双异质结激光器（ＤＨ）
DH基本结构是将有源层夹在同 时具有带宽隙和低折射率的两 种半导体材料之间，以便在垂 直于结平面的方向（横向）上 有效地限制载流子与光子。
条形激光器
针对有源区的载流子 和光子在结平面方向 （测向）的限制而采 用条形结构，使激光 器的阈值电流大幅度 降低，改善了近场与 远场、纵模与横模特 性，提高了材料的可 靠性等。
也可采用侧面出光的方法
异质结发光二极管
宽禁带半导体和窄禁带半导体的结合。由于势垒较低，电 子注入效率高。宽禁带阻止了电子和空穴的复合，复合在 窄禁带半导体内进行。由于光子能量和宽禁带能量不相同， 光不被宽禁带材料吸收。因此异质结发光二级管有较高的 发光效率。
3、 LD的原理

3.1 粒子数反转条件
第五章 典型激光器
——半导体激光器
1、半导体基础知识
1.1 晶体 晶体：原子的周期性规则排列所造成的由外平面包围的
多面体固体 晶胞：周期性结构中的最小重复单元 晶面：晶体中的任一平面 晶向：晶面的法向方向
硼酸（H3BO3)晶体中层状结构 的结构单元为两个硼酸分子

晶面的定义
Z c c Z c Z
N为导带底和介带底的电子数之差
t
w
3.3 阈值电流密度
当光波模式的限制距离d>t时，激光器的平均增益为
N 2 G( , 0 ) g ( , 0 ) 2 LWd 8
定义内量子效率（光子数除注入的电子空穴对数）：
i
令
N2 / I/ e
N1 N2
1
N N 2
激光振荡时，G=，因此阈值电流密度为
Jt
4 2 2ed
2i
(
1 ln R) L
影响阈值电流的因素： 阈值电流密度和激光器的材料、结构、制作工艺有关 阈值电流密度和模的限制距离成正比，与pn结长度成反比。 阈值电流密度和工作温度有关。随着温度的上升而上升。 阈值电流密度和反射率有关，提高反射率可以降低阈值电流 一般同质半导体激光器阈值电流密度较大
EF
EF
EF
P型
I型
n型
EC EF 3kT EF EV 3kT
简并n型半导体 简并p型半导体
当掺杂浓度增加时，费米能级有可能进入导带或介带
图5.44
2、 LED原理特性介绍
2.1 LED发光机理
1. 载流子的复合
电子从介带跃迁到导 带而产生电子空穴对时， 需要吸收能量。当电子和 空穴复合时会放出能量， 能量以辐射或非辐射形式 释放。 从电子来看，我们可 以把受激产生电子空穴对 以及电子空穴对的复合看 成是电子的能级跃迁。
Troom为室温，T0称为特征温度, 一般用 T0表示LD的热稳定性 2. 阈值电流的增大会导致输出功率的降低， 影响效率 3. 温度的变化会引起输出模频的漂移。主 要是由于有源层的折射率变化和禁带宽度 的变化造成的。
右图：输出功率和温度关 系
下图：输出波长随温度的 变化
4、半导体激光器的基本结构
2
n1 sin n 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一些半导体材料的外部量子效率
2.3 LED的性能
1. LED的带宽
由于电子和空穴在导带和介带内具有 既定的能级分布。其中电子在离导带 1/2kT处具有最大的几率。 同样情况出现在空穴在介带中的分布。 因此当电子从导带跃迁到介带时，产 生一定的辐射带宽。典型的带宽
LED的外部量子效率

LED的外部量子效率定义为总的光输出功率和总的电功率 输入之比
external
P(optical ) IU
影响LED外部量子效率的三个因素为：
1. 半导体对光子的吸收 2. 半导体介质的界面反射 3. 光折射中的临界角
1
n2 n1 R n n 2 1
其他激光器
一、自由电子激光器
自由电子激光器的特点： 发光介质：自由电子 可以高的输出功率 能量转换效率高 工作物质不会衰变 自由电子激光器的构成： 1、加速器 2、摆动器 图6.4 图6.5
量子阱半导体激光器 量子阱是指窄 带隙超薄层被 夹在两个宽带 隙势垒薄层之 间的状态
单量子阱
多量子阱
垂直腔表面发射激光器（VCSEL）
垂直腔是指激光腔的方向 （光子振荡方向）垂直于 半导体芯片的衬底，有源 层的厚度即为谐振腔长度。
大功率激光二极管阵列 阻碍激光二极管大功率化的一个原因是端面激光区 的高光功率密度引起的突发性光学损伤。解决的方 法是扩大器件的发光区面积，另一个就是采用阵列 技术。
掺杂对费米能级的影响
EF
Ei
EF
EF
Ei
P型
施主 受主
I型
EF Ei 2.3kT lg( N D / Ni ) Ei EF 2.3kT lg( N A / Ni )
n型
ND,NA,Ni 施主、受主、本 征载流子浓度
Ni CT 3 exp( Eg / kT )
2
掺杂对费米能级的影响