半导体LED原理

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原子核电子高能级低能级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。电子优先抢占低能级N个原子构成晶体时的能级分裂原子间距电子能量原子间距电子能量原子间距电子能量Nà∞N=4N=9当N很大时能级分裂成近似连续的能带满带：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能带的分类空带：所有能级都没有电子填充的能带E满带价带空带导带禁带禁带价带：由最外层价电子能级分裂后形成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导体、绝缘体和半导体3~6eV0.1~2eV0.1~2eV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外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴光作用下的跃迁和辐射E2-E1=hvE1E2(a)受激跃迁hvE1E2(b)自发辐射：非相干光hvE1E2(c)受激辐射：相干光hvhvhvN1：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)N1N2，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)N2N1，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。半导体粒子分布状态问题:如何得到粒子数反转分布的状态?硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si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E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁)2exp(TkEnpnBgi4/32/32)()/2(2heBmmhTk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空穴的有效质量本征载流子浓度例：在300K时，GaAs的电子静止质量为m=9.11×10-31kg，me=0.068m=6.19×10-32kgmh=0.56m=5.1×10-31kgEg=1.42eV可根据上式得到本征载流子浓度为2.62×1012m-3As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第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。施主杂质施主能级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后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带电子浓度增加非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEAEg就可以产生自由空穴B受主杂质受主能级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电子浓度分布空穴浓度分布受主能级电离使导带空穴浓度增加电子能量2inpn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：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pn结U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动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Un型p型耗尽层耗尽层正向偏压使耗尽区变窄扩散漂移Un型p型耗尽层耗尽层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pn外加正偏压à注入载流子à粒子数反转à载流子复合发光hv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。发光材料的选择例子：光源硅集成还在探索中Luxtera4×10-Gb/s光收发器照片主要内容半导体物理简介发光二极管(LED)半导体激光器(LD)4.2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：短距离传输同质pn结存在的问题：1.增益区太厚(1~10mm)，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2.无法对产生的光进行有效约束同质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pn双异质结构异质结0.3mm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面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q)=P0cosq载流子注入25mm5mm边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70mm100~150mm30º120º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LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化镓掺铝)：800~850nm短波长光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化铟掺砷化镓)：1000~1700nm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合金比率与发光波长的关系0.00.10.20.30.40.51.41.61.82.02.20.90.80.70.6带隙能量Eg(eV)Al摩尔比例x波长(mm)直接带隙间接带隙AlxGa1-xAs(T=300K)=hc/EgLED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30~50nm-长波长InGaAsP/InP谱宽60~120nmLED的内部量子效率和内部功率内量子效率hint111111intnrrrh非辐射性复合时间辐射性复合时间辐射性复合时间非辐射性复合速率辐射性复合速率辐射性复合速率总复合速率辐射性复合速率hhqIhchqIhhPintintintLED电子电量的电流强度注入内量子效率合数量每秒钟内总的载流子复内量子效率那么LED的内部发光功率为：例一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30ns和100ns，驱动电流为40mA。可以得到：mW92.21031.110602.1/103106256.604.077.0619834intintsmsJqIhcPh可以得到LED的内部发光功率为：77.0100/130/130/1111intnrrrhcdTextqh0sin241内部产生的光子总数发射出的光子数目其中T()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。2)1(1nnexth和2intint)1(nnPPPextouthLED的外部量子效率和外部功率0100200300400500051015正面发光侧面发光电流I/mA发射功率P(mW)LED的P-I特性1.驱动电流较小-LEDP-I特性线性度好2.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2)(11)0()()(ePPHLED的频率响应可以用下式求解式中为调制频率，P()为输出光功率，e为注入载流子寿命。当c=1/e时，P(c)=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3dB。因此c定义为截止频率。LED的调制特性适当增加工作电流载流子寿命缩短调制带宽增加一般地：f面=20~30MHzf边=100~150MHz不同载流子寿命下的LED调制曲线e=1.1nse=2.1nse=6.4ns1001000100.110调制频率f(MHz)频率响应H(f)2)(11)0()()(ePPH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：光调制系统的电和光3-dB带宽的区别inpPI前面所提及的c应为电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带宽光调制系统的电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光调制系统的光3-dB带宽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关于LED的小结主要内容半导体物理简介发光二极管(LED)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4.3半导体激光器(LD)LD的原理和结构激光，英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是：1.粒子数反转[LED也具备]à产生大量的受激辐射2.光反馈à光放大(增益损耗)3.相位条件à波长选择光反馈：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，并被输出法布里－珀罗(F-P)谐振腔100%90%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zhvhvgeEzE0g(·)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：能量为h的光子的辐射强度E(·)在腔内随传播距离z变化：)(hvhvgLeRRELE22102谐振腔的光传播要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：在空间中传播的光电场分布可以表示为：)(,ztjOezEtzE02ELE和12Lje(·2L=2m)光幅度放大光相长放大传播五周的相位5/3传播五周的相位5/3传播四周的相位4/3传