4第三章半导体激光器件(精)

发生辐射跃迁的始态之间，始态上必须存在电子 , 同时相 应的末态上必须存在空穴。这一条件对受激吸收基本上没 有影响，而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的。
3.2.1
半导体激光器的工作原理
2. 与普通二能级系统的区别： 导带和价带内很高的电子和空穴态密度使得半导体能带 中可以容纳很高浓度的电子和空穴，从而获得很大的自 发辐射和受激辐射几率，并提供较强的光增益作用。 处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时 维持其能带内的局部平衡状态。 半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移。 半导体材料的这种特性使得可以通过简单的直接电流注 入对半导体激光器进行泵浦，产生非平衡载流子，并使 材料处于粒子数反转分布状态。 半导体内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽 了电子发生带间辐射跃迁的选择定则。使得辐射跃迁可 以发生在导带内的大量电子和价带内的大量空穴之间。
2(2me * kT )3 / 2 Nc 3 h
2. P型半导体
在本征半导体中掺入的 三价元素如B
+4
+4 +3
+4
因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也 称为受主杂质。 导带
+4
+4
+4
+4
+4 +3
+4
-
-
-
-
-
-
受主 - 能级
杂质原子提供
价带
空穴是多子
由热激发形成 自由电子是少子
E fc E fv h Eg
PN结的形成
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场
我们一起作个总结
因浓度差
h h
受激辐射
( ) |sti B21 ( ) f ( E2 )[1 f ( E1 )] t
半导体内光与电子相互作用
导带
导带
导带
价带 自发辐射
价带 受激吸收
价带 受激辐射
非平衡载流子与准费米能级
★ 非平衡载流子的产生： 电流注入， 外场激发
后果：半导体的总平衡被打破。但导带和价带会很快形成 局部平衡而形成自身的费米能级。
纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
常用的本征半导体
Si
+14
2 8 4
Байду номын сангаасGe
+32
2 8 18 4
+4
本征半导体
本征半导体的原子结构和共价键
共价键内的电子 称为束缚电子 挣脱原子核束缚的电子 价带中留下的空位 称为自由电子 +4 +4 +4 称为空穴 导带
+4 +4
施主
受主 Ef
价带
价带
价带 电子 空穴
能带中的载流子
★ 导带底的电子态密度：
由量子力学 理论而来
e ( E) ( E Ec )
★ 价带顶的空穴态密度：
1 2
p ( E) ( Ev E)
1 2
能带中的载流子
★ 导带中电子浓度：
n
P

Ec
f ( E) e ( E)dE exp(
----用于可见光和远红外光电子器件
半导体内光与电子相互作用
导带E2
h =E2-E1 >Eg 自发辐射
价带E1 光子密度()随时间的变化率:
爱因斯坦系数，A 1 / 为能态电子的平均寿命
( ) |spon Af ( E2 )[1 f ( E1 )] t
半导体内光与电子相互作用
Ec E f kT
)
★ 价带中的空穴浓度：
Ev


[1 f ( E)] p ( E)dE exp(
E f Ev kT
)
直接带隙与间接带隙半导体
跃迁选择定 则: 跃迁的始 末态应具有 相同的波矢
直接带隙
能带---波矢图
间接带隙
直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！ 具有更高的跃迁几率（近100%）！ 间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！
同质结与异质结
同质结： 组成P-N结的P型半导体和N型半导体的基质材料相同 异质结： 组成P-N结的P型半导体和N型半导体的基质材料不同 同型异质结： 由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成 异型异质结： 由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成 同型异质结 异型异质结
+4
+4
+4
+4
+4 +5
+4
杂质原子提供
价带
由热激发形成
自由电子是多子
空穴是少子
N型半导体
+4
+5 +4
+4
+ + + +
+ +
+4
+4
+4
+
+
+4
+4 +5
+4
N型半导体
N型半导体
Ef Ef
导带 施主 + + + + + + + 能级
Ef
价带
Ef
N
Ec ED kT ND ln( ) 2 2 Nc
N
P
发光二极管和激光器
第二节


半导体激光器件
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的特性 几种典型的半导体激光器
3.2.1
半导体激光器的工作原理
一、半导体注入型激光器的工作原理 1、半导体内电子辐射跃迁的主要特点 电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件: 电子在能带间的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条 件。辐射跃迁的动量选择定则使得在间接带隙材料中导带 底和价带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能进行， 这一要求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率．
导带E2
受激吸收
h
价带E1
c3 B12 B21 B 光子密度()随时间的变化率: 8hn3 3 ( ) |abs B12 ( ) f ( E1 )[1 f ( E2 )] t
半导体内光与电子相互作用
导带E2
h
价带E1 光子密度()随时间的变化率:
★ 准费米能级 导带：E fc
非平衡载流子
Ef
Efc Ef
价带：E fv
Ef
Efc Ef Efv
非平衡载流子 I型（本征）半导体 N型半导体
Efc
Efv
Ef Efv
P型半导体
半导体中的光增益
★ 产生光增益的条件 受激辐射速率>受激吸收速率
粒子数反转： f c ( E2 )
f v ( E1 )
PN结光电效应
PN结电致发光
在PN结两端外加正向偏压
结势垒降低为VD-V
打破原来建立的平衡 使得P区和N区的费米能 级重发生分离，形成准 费米能级
E f E f eV
外电场—耗尽区内注入电子、空穴—辐射复合—发光
N
P
PN结电致发光
当外加电压满足
eV E f E f Eg
注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速 率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生 光增益。
同质结中P区和N区 具有大致相等的禁带 宽度
双异质结
半导体双异质结 (Double Hetero Structure) 由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙 层材料组成 通常包含一个同型异质结和异型异质结
36
双异质结
同质结与双异质结的能带特性比较
辐射复合主要发生在 窄带隙层，有源层。
本征半导体 电子
Ef
空穴
本征半导体-能带结构
温度对费米能级的影响
Ec Ev 3kT m p * Ef ln( ) 2 4 me *
Ec、E—导带低和价带顶的能级 mp、me—导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量 当T=0K时，本征半导体的费米能级在禁带的中央； 温度升高，费米能级略偏向导带一方。
动态平衡 PN 结
也称耗尽层。
PN结的接触电位
内电场的建立，形成接触电势 差VD，称为接触势垒

VD
Ef Ef e
N
P
VD 接触电位VD决定于材料及掺杂浓度 硅： VD=0.7 锗： VD=0.2
如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料的
分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩散 运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新的 热平衡态，达到平衡时，形成新的统一的费米能级。
本征半导体
能带结构
导带 自由电子
禁带EG
费米能级Ef
价带
价电子与空穴
本征半导体-能带结构
费米能级Ef
当T=0K时，电子占据E>Ef的状态的几率为零。
1 f (E) 1 exp[(E E f ) / KT ]
当T>0K时，电子占据Ef的状态的 几率为1/2。 导带中的电子绝大多数 位于导带的底部； 价带中的空穴绝大部分 位于价带的顶部。
P型半导体
+4
+3 +4
+4
-
-
+4
+4
+4
-
+4
+4 +3
+4
P型半导体
P型半导体
导带
杂质半导体
Ef Ef Ef
价带 -
受主 - 能级
Nv
2(2m p * kT )3 / 2 h
3
Ef
P
Ev E A kT NA ln( ) 2 2 Nv
半导体的能带结构
★ 本征半导体
★ N型半导体
具有更高的载流子注入 效率和光场限制作用， 因此具有更高的出光效 率，被广泛采用！
平衡状态下的能带图
同质结 加正向偏置时能带图 双异质结
37
PN结的偏置
通过在P-N结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！ 正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部 分在耗尽区复合，复合速率>产生速率，可形成光增益！——电 致发光 反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但 在外加光场作用下可形成较强光电流！——光电效应
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge ★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
一、本征半导体
本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。
二、杂质半导体
掺入的三价元素如B、Al、In等，
形成P型半导体，也称空穴型半导体 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
杂质半导体
1. N型半导体
在本征半导体中掺入的 五价元素如P
+4
+4 +5
+4
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子 导带 施主 + + + + + + + 能级
Ec Ev 3kT mp * Ef ln( ) 2 4 me *
N
Ef
★ P型半导体
Ec ED kT ND ln( ) 2 2 Nc
Ef
P
Ev E A kT NA ln( ) 2 2 Nv
半导体的能带结构
本征半导体 导带 Ef Ef N型半导体 导带 P型半导体 导带
自由电子定向移动 形成电子流 外电场E
+4
禁带EG 价带
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
+4
+4
+4
本征半导体
由此我们可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
间接带隙
----用于集成电路、光电检测
★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
---用于集成电路、发光器件、光电检测
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
多子的扩散运动
由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
PN结形成
基本概念
扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散， 扩散运动产生扩散电流。 漂移运动 少子向对方漂移， 漂移运动产生漂移电流。 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。 稳定的空间电荷区，
又称高阻区，
-22 -14 -1 绝缘体 — 导电率为10 -10 s.cm 量级， 如：橡胶、云母、塑料等。
半导体特性
掺杂特性 温度特性 光照特性
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。 如：硅、锗、砷化镓等。
掺入杂质则导电率增加几百倍
温度增加使导电率大为增加
半导体器件 光敏器件 光电器件 热敏器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
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处于反转状态，受激辐射 可大于受激吸收！
PN结光电效应
Light
PN结光电效应
当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在 PN结的耗尽 区、P区和N区都将产生光生的电子-空穴对。 在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅 速移向 N区，空穴迅速移向 P区，从而在回路中产生光 电流。 在P区和N区产生的光生载流子由于没有内电场的作用， 只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的 贡献很小。 为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的 半导体的PN结上加有适当的反向偏压。
第三章
半导体激光器件
第一节 半导体能带论基础 第二节 半导体激光器件
第一节
半导体能带论基础
半导体概念与分类 各类半导体的能带结构 半导体中光与电子相互作用机理 半导体光电器件基础—PN结
3.1.1 半导体概念与分类
何谓半导体
物体分类 导体 — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属