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第三章 半导体激光器件

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.  何谓半导体. 光敏器件 光电器件. 3.1.1 半导体概念与分类. — 导电率为 10 5 s.cm -1 ， 量级，如金属. 导体. 物体分类. — 导电率为 10 -22 -10 -14 s.cm -1 量级，如：橡胶、云母、塑料等。. 绝缘体. — 导电能力介于导体和绝缘体之间。 如：硅、锗、砷化镓等。. 半导体.

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第三章 半导体激光器件

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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.  何谓半导体 光敏器件 光电器件 3.1.1 半导体概念与分类 —导电率为105s.cm-1，量级，如金属 导体 物体分类 —导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。 绝缘体 —导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。 半导体 半导体特性 掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 半导体器件 热敏器件 温度特性 温度增加使导电率大为增加 光照特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势

  4. 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

  5. 18 2 8 4 2 8 4 一、本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 本征半导体 常用的本征半导体 Si Ge +14 +32 +4

  6. +4 +4 +4 导带 +4 +4 +4 禁带EG 价带 +4 +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 自由电子定向移动 形成电子流 挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子 价带中留下的空位 称为空穴 外电场E 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流

  7. 由此我们可以看出： 本征半导体 — 自由电子和空穴 1. 本征半导体中有两种载流子 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 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 电子流 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 空穴流

  8. 导带 禁带EG 价带 本征半导体  能带结构 自由电子 费米能级Ef 价电子与空穴

  9. 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。 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。

  10. 本征半导体-能带结构 • 温度对费米能级的影响 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。

  11. 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 杂质半导体 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

  12. 在本征半导体中掺入的五价元素如P +4 +4 +4 导带 +4 +4 +4 施主能级 价带 + + + + + + + +4 +4 +4 1. N型半导体 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 +5 +5 由热激发形成 杂质原子提供 空穴是少子 自由电子是多子

  13. + + +4 +4 + +4 + + +4 +4 +4 + + +4 N型半导体 +4 +4 N型半导体 + +5 +5

  14. Ef Ef Ef 导带 施主能级 价带 + + + + + + + N型半导体

  15. 在本征半导体中掺入的三价元素如B +4 +4 +4 导带 +4 +4 +4 受主能级 - - - - - - - 价带 +4 +4 +4 2. P型半导体 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。 +3 +3 杂质原子提供 由热激发形成 空穴是多子 自由电子是少子

  16. - - +4 +4 - +4 - - +4 +4 +4 - - +4 P型半导体 +4 +4 P型半导体 - +3 +3

  17. Ef 导带 Ef 受主能级 Ef - - - - - - - 价带 杂质半导体 P型半导体

  18. 半导体的能带结构 ★ 本征半导体 ★ N型半导体 ★ P型半导体

  19. Ef Ef Ef 电子 空穴 半导体的能带结构 本征半导体 N型半导体 P型半导体 导带 导带 导带 施主 受主 价带 价带 价带

  20. 能带中的载流子 由量子力学理论而来 ★ 导带底的电子态密度： ★ 价带顶的空穴态密度：

  21. 能带中的载流子 ★ 导带中电子浓度： ★ 价带中的空穴浓度：

  22. E k 直接带隙材料，效率高 E k 间接带隙材料，效率低 直接带隙与间接带隙半导体 能带---波矢图 跃迁选择定则: 跃迁的始末态应具有相同的波矢

  23. 主要半导体材料 间接带隙 ★ 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 ----用于集成电路、光电检测 ---用于集成电路、发光器件、光电检测 ----用于可见光和远红外光电子器件

  24. h 半导体内光与电子相互作用 导带E2 =E2-E1 >Eg 自发辐射 价带E1 光子密度()随时间的变化率:

  25. h 半导体内光与电子相互作用 导带E2 受激吸收 价带E1 光子密度()随时间的变化率:

  26. h h h 半导体内光与电子相互作用 导带E2 受激辐射 价带E1 光子密度()随时间的变化率:

  27. 半导体内光与电子相互作用 导带 导带 导带 价带 价带 价带 自发辐射 受激吸收 受激辐射

  28. 半导体内光与电子相互作用 爱因斯坦系数 为能态电子的平均寿命

  29. 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。 ★ 准费米能级 导带： 价带：

  30. 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：

  31. 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 扩散运动 N区 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 内电场 扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡

  32. 我们一起作个总结 因浓度差 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 内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移 PN结形成

  33. 基本概念 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。 扩散运动 少子向对方漂移， 漂移运动产生漂移电流。 漂移运动 动态平衡 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。 稳定的空间电荷区， PN 结 又称高阻区， 也称耗尽层。

  34. V 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   接触电位VD决定于材料及掺杂浓度 硅： V=0.7 锗： V=0.2

  35. 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。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。 组成P-N结的P型半导体和N型半导体的基质材料是相同，该P-N结称为同质结。 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是不同，该P-N结称为异质结。 异质结 同质结中P区和N区具有大致相等的禁带宽度

  36. Ef Ef Ef 电子 空穴 半导体的能带结构 本征半导体 N型半导体 P型半导体 导带 导带 导带 施主 受主 价带 价带 价带

  37. P区 N区 耗尽区 PN结的能带结构

  38. PN结的能带结构 PN结的势垒高度

  39. Light PN结光电效应

  40. 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。

  41. PN结光电效应

  42. PN结电致发光 结势垒降低为VD-V 在PN结两端外加正向偏压 使得P区和N区的费米能级重发生分离，形成准费米能级 打破原来建立的平衡

  43. + + + + － － － － Light PN结电致发光 P N _ + 外电场——耗尽区内注入电子、空穴——辐射复合 ——发光

  44. PN结电致发光 当外加电压满足 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。 发光二极管和激光器

  45. 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

  46. 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，这一求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率． • 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·

  47. 3.2.1 半导体激光器的工作原理 2. 与普通的二能级系统的区别： • 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。

  48. 3.2.1 半导体激光器的工作原理 二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件 • 产生激光的条件： • 粒子数反转，使得受激辐射为主； • 谐振腔，提供正反馈； • 泵浦源－－电注入 阈值条件： 光增益大于光损耗

  49. 3.2.1 半导体激光器的工作原理 产生激光的机理 半导体激光器的核心是PN结，它与一般的半导体PN结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即p型半导体中的空穴极多，n型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器p-n结中的自建场很强，结两边产生的电位差VD（势垒）很大。 无外加电场时： p区的能级比n区高eVD，并且导带底能级比价带顶能级还要低，电子占据的可能性越大

  50. 二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件 有外加电场 无外加电场 激活区或有源层 当外加正向电压时，p-n结势垒降低。在电压较高、电流足够大时，p区空穴和n区电子大量扩散并向结区注入，并在p-n结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成粒子束反转。

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