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第四章 光 源

第四章 光 源. 主要内容. 半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD). 4.1 光源的物理基础. 半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料. 孤立原子的能级. 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值 ( 离散轨道 ) ，这种现象称为电子能量的量子化。. 原子核. 低能级. 高能级. 电子. 电子优先抢占低能级. N 个原子构成晶体时的能级分裂. N = 4. N = 9. 当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带. 能带的分类.

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第四章 光 源

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Presentation Transcript

  1. 第四章 光 源

  2. 主要内容 半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD)

  3. 4.1 光源的物理基础 半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料

  4. 孤立原子的能级 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。 原子核 低能级 高能级 电子 电子优先抢占低能级

  5. N个原子构成晶体时的能级分裂 N = 4 N = 9 当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带

  6. 能带的分类 满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 空带：所有能级都没有电子填充的能带 未被电子占满的价带称为导带 禁带的宽度称为带隙

  7. 导体、绝缘体和半导体 导体： (导)价带电子 绝缘体： 无价带电子 禁带太宽 半导体： 价带充满电子 禁带较窄 满带电子激励成为导带电子 满带留下空穴 外界能量激励

  8. 光作用下的跃迁和辐射 E2 - E1 = hv E2 hv E1 (a) 受激跃迁 E2 E2 hv hv hv hv E1 E1 (b) 自发辐射：非相干光 (c) 受激辐射：相干光

  9. 半导体粒子分布状态 N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数) N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。 问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?

  10. 本征半导体材料 Si 硅的晶格结构 (平面图) E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的 Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电

  11. 本征半导体的能带图 电子浓度分布 导带 EC 电子 电子态数量 带隙 Eg= 1.1 eV 电子跃迁 空穴态数量 空穴浓度分布 空穴 价带 EV 电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁

  12. 本征载流子浓度 电子或空隙的浓度为: 其中 为材料的特征常数 kB为玻耳兹曼常数 me电子的有效质量 mh空穴的有效质量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3

  13. 非本征半导体材料：n型 As+4 As+5 施主杂质 掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。

  14. 施主能级 电子能量 电子浓度分布 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 施主能级 空穴浓度分布 被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级 施主能级位于离导带很近的禁带 施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带

  15. 非本征半导体材料：p型 B 受主杂质 掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 DEA < Eg就可以产生自由空穴

  16. 受主能级 电子能量 电子浓度分布 受主能级电离使导带 空穴浓度增加 空穴浓度分布 被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 受主能级位于靠近价带EV的禁带中 空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴

  17. 浓度作用定律 本征材料：电子和空穴总是成对出现 非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少 多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的乘积等于一个常数：

  18. 电势 U pn结 耗尽层 n型 p型 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动

  19. 反向偏压使耗尽区加宽 扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动 耗尽层 n型 p型 U 耗尽层

  20. 正向偏压使耗尽区变窄 扩散 > 漂移 耗尽层 n型 p型 U 耗尽层

  21. 电致发光 正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光 hv n p 外加正偏压  注入载流子  粒子数反转  载流子复合发光

  22. 发光材料的选择 直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。 间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。

  23. 例子：光源硅集成还在探索中 Luxtera4×10-Gb/s光收发器照片

  24. 主要内容 半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD)

  25. 4.2 发光二极管 (LED) 原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米 应用场合：短距离传输

  26. 同质pn结 同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 • 存在的问题： • 增益区太厚(1~10 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度 • 无法对产生的光进行有效约束 n p

  27. 双异质结构 异质结 0.3 mm 不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚 不连续分布的折射率 加强对产生光子的约束

  28. 面发光二极管 载流子注入 25 mm 5 mm P(q) = P0cosq 优点：LED到光纤的耦合效率高

  29. 边发光二极管 载流子注入 30º 120º 50~70 mm 100~150 mm 优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低

  30. LED光源的材料和工作波长 单质半导体材料 -> 间接带隙材料 -> 不适合做光源 化合半导体材料 -> 直接带隙材料 -> 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：1000~1700 nm长波长光源 x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长

  31. 合金比率与发光波长的关系

  32. LED的输出光谱 特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm

  33. LED的内部量子效率和内部功率 内量子效率 hint 那么LED的内部发光功率为：

  34. 例 一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310 nm，辐射 性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns，驱动电 流为40 mA。可以得到： 可以得到LED的内部发光功率为：

  35. LED的外部量子效率和外部功率 其中T(f) 为菲涅尔透射系 数。 假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为： 例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即 光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。 和

  36. LED的P-I特性 • 驱动电流较小 -> LED P-I特性线性度好 • 驱动电流较大 -> pn结发热产生饱和现象 -> 曲线斜率减小 • 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦

  37. LED的调制特性 LED的频率响应可以用下式求解 式中w为调制频率，P(w)为输出光功率，e为注入载流子寿命。 当wc = 1/e时，P(wc) = 0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率。光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.7072 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此wc定义为截止频率。

  38. 不同载流子寿命下的LED调制曲线 一般地： f面 = 20~30 MHz f边= 100~150 MHz 适当增加工作电流 调制带宽增加 载流子寿命缩短

  39. 光调制系统的电和光3-dB带宽的区别 光电检测器平方检波机制导致了所谓的光调制系统电和光3-dB带宽定义的区别： 前面所提及的wc应为电3-dB带宽

  40. 光调制系统的电3-dB带宽 从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即电3-dB带宽

  41. 光调制系统的光3-dB带宽 从光的角度看，LED输出光功率变为原来的一半时所对应的频率定义为光3-dB带宽，此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1/2

  42. 关于LED的小结 输出光功率线性范围宽 (P-I特性) 性能稳定 寿命长 制造工艺简单、价格低廉 输出光功率较小 谱线宽度较宽 调制频率较低 这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用

  43. 主要内容 半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD)

  44. 4.3 半导体激光器 (LD) 半导体激光器的原理和结构 半导体激光器的种类 激光器的外量子效率* 半导体激光器的调制 温度特性

  45. LD的原理和结构 • 激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission • of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条 • 件是： • 粒子数反转[LED也具备] 产生大量的受激辐射 • 光反馈  光放大 (增益 > 损耗) • 相位条件  波长选择

  46. 光反馈：光学谐振腔 1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔) 2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子 3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出 100% 90% 法布里－珀罗 (F-P) 谐振腔

  47. 法布里-珀罗 (F-P) 激光器立体图 同质结和 (双) 异质结 双异质结优点：限制载流子和光子，降低对阈值电流的要求

  48. 阈值条件 • 光在谐振腔内传播，包括： • 1. 增益介质的光放大 • 2. 损耗： • A) 工作物质的吸收 • B) 介质不均匀引起的散射 • C) 端面反射镜的透射及散射 幅度条件：增益能克服损耗 相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致

  49. 谐振腔的光传播 在空间中传播的光电场分布可以表示为： 能量为hn的光子的辐射强度E(·)在腔内随传播距离z变化： g(·)为增益系数， 为材料损耗系数。当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为： 要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系： (b·2L=2mp) 和 光幅度放大 光相长放大

  50. e-jb·2L ≠ 1 或 b·2L ≠ 2kp 假设相位变化b·2L= p/3，对于空间某点： 初始时刻的相位 0 初始时刻的相位 0 传播一周的相位p/3 传播一周的相位p/3 传播两周的相位 2p/3 传播两周的相位 2p/3 传播三周的相位p 传播三周的相位p 传播四周的相位 4p/3 传播四周的相位 4p/3 传播五周的相位 5p/3 传播五周的相位 5p/3

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