第四章光有源器件

正向偏压V情况下，电子从n区的 导带被注入向p区，空穴从p区的 价带被注入向n区。
在结区电子位能比空穴位能高， 形成粒子数反转的区域
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集成光电子器件及设计第四章
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4.1.2 法布里-珀罗双异质结激光器
有源层半导体：窄带隙
包覆层半导体：宽带隙
有源层与包覆层之间的 带隙差形成势垒，注入
第四章 光有源器件
4.0 半导体的电子跃迁与光辐射 4.1 半导体激光器和集成光源 4.2 半导体光放大器 4.3 集成光探测器
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世界上第一支 混合型Si-InP 激光器， 2006年
intel&UCLA
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4.0半导体的电子跃迁与光辐射
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Γ：k=0的点，即布里渊区中心， L：<111>轴与布里渊区边界的交点 X：<100>轴与布里渊区边界的交点 k0：<110>轴与布里渊区边界的交点
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2.载流子与掺杂
导带 EC ED
EA
价带
EV
*载流子：可以自由运动的导带中的电子与价带中的空穴
*平衡载流子：本征半导体与掺杂半导体中热平衡状态下的载流子。
几率——Fermi-Dirac分布
EF:费米能级
本征半导体：费米能级位于禁带中心，此时导带中的电子 几乎是空的，价带几乎全部被占满。
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3.电子跃迁和光辐射
电子和空穴相遇，会放出能量并与空穴复合成中性粒子，此过程为复 合，复合时放出的能量以光的形式辐射出来，复合发光
值在k空间位于不同的k值，跃迁需要改 变动量，声子参与，所以跃迁几率很小 Ge,Si BP,AlP,GaP,Bas,AlAs,AlSb
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Material C (diamond) SiC Si Ge AlAs GaN GaP GaAs GaSb InP InAs InSb ZnO ZnS ZnSe CdS CdSe
*非平衡载流子：对于平衡态下的半导体施加外界某种能量，可以进一
步将价带中的电子激发到导带中，出现非平衡载流子。外界能量包括： 光激发，高能电子束激发，高场激发，PN结载流子注入等。
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1 f (E)
exp( E EF ) 1 KT
半导体电子占据能量为E的能级的
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P-N结的形成 能量分布 载流子分布
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直接带隙材料：导带极小值与价带最大
值在k空间位于相同的k值 GaN,InN,InP,GaAs,InAs,GaSb,InSb 所有II-VI族半导体
间接带隙材料：导带极小值与价带最大
非平衡载流子的光辐射可以有多种复合形式：
带间复合——电子从导带底跃迁到价带顶，发生于本征半导体。 能带-局域能级的复合——导带电子与离化的受主；价带空穴与施主上的电子；导
带电子与价带空穴通过深能级的复合 施主-受主对的复合——施主与受主的波函数发生重叠形成偶极势场 激子复合——电子空穴对，激子形成（激发），激子消亡（复合），低温下存在 通过等电子中心复合——价电子相同的杂质
的载流子在该势垒中被 俘获。
受激光发射：粒子数反转、谐振腔、强泵浦能量
半导体中利用p-n结的单向导电性实现粒子数反转
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p-n结注入式激光器的能带结果 非平衡载流子
势垒高度
准费密能级
零偏压的情况下，半导体处于平 衡态，电子与空穴浓度保持动态 平衡。pn结费密能级相等。
双异质结半导体激光器 (DH)
量子阱半导体激光器 (QW)
分布反馈式半导体激光器 (DFB)和分布布拉格反射器式 半导体激光器 (DBR)
垂直腔面发射半导体激光器 (VCSEL)
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半导体激光器的基本原理
半导体中光子与电子相互作用的三种形式：
自发发射：LED（存在激励的情况下） 受激吸收：光探测器 受激发射：光放大器与激光器
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单电子近似：假定晶体为理想晶体，电子在晶体中受到的周 围原子核及其他电子的作用归为一个平均势场，该势场为与 晶格排列有相同周期。每个电子的运动是孤立的。
电子运动的薛定谔方程：
h2 2 V(r) =E
2m
V(r) V(r+Rn )
Rn n1a1 n2a2 n3a3, 其中a1, a2，a3, 分别为原胞基矢
1.半导体的能带理论
半导体晶体：电子共有化，电子运动非局域化 同一能级上的电子的共有化运动使得产生许多共有化量子能级，能
级间分布密集而至准连续分布，成为能带。 能量最高被电子填满的能带为价带，价带以上未被填满的能带为导
带，导带与价带之间的间隙为禁带。
金属材料导带中部分能级被电子占据，半导体和绝缘体的差别在于 禁带宽度的不同。
(r R n ) (r)eikRn
此为布洛赫函数
(r) eikru(r)
u(r Rn ) u(r)
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能 带 结 构
r k
2
P hk
wk.baidu.comh2K2 E
2m
波矢，方向为平面波运动的方向 电子动量 电子能量
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2.42
0.70
1.74
0.67 集成光电子器件及设计第1四.4章5
Melting Point (K) 4300 3070 1685 1231 2013 1920 1750 1510 980 1330 1215 798 2250 1920 1790 2020 1530 1370
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4.1 半导体激光器和集成光源
浙江大学C光d电Te信息系
Ionic fraction of bond Energy Gap (eV)
0
5.4
0.18
2.3
0
1.11
0
0.67
2.1
3.37
0.36
2.25
0.31
2.25
0.26
0.70
0.42
1.35
0.36
0.35
0.32
0.17
0.62
3.2
0.62
3.6
0.63
2.58
0.69