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1、半导体光电子学,第14讲,1 半导体的能带和产生受激辐射的条件,1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图1)。,图1固体的能带,2.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图2)。,图(2）本征半导体的能带,3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为,1 半导体的能带和产生受激辐射的条件,1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图
2、(3)给出了温度极低时的情况。,图3 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系,2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足,2 PN结和粒子数反转,1.P-N结的双简并能带结构,把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？,未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(4)。,图4 PN能带,2.粒子数反转,2 PN结和粒子数反转,产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。,激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为,价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算,价带顶电子占据几率则为,在结区
3、导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是,1.半导体激光器的基本结构和工作原理,图6 GaAs激光器的结构,3 半导体激光器的工作原理和阈值条件,图(6)示出了GaAs激光器的结构。,3.半导体激光器的阈值电流,3 半导体激光器的工作原理和阈值条件,在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡,4 同质结和异质结半导体激光器,1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,图7GaAs激光器的伏安特性,伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图7)所示。,阈值电流密度:影响阈值的因素很多,方向性:图(8)给出了半导体激光束的空间分布示意图。,图8
4、激光束的空间分布示意图,4 同质结和异质结半导体激光器,1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,光谱特性:图(9)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。,图9 GaAs激光器的发射光谱,4 同质结和异质结半导体激光器,1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,外微分量子效率:,功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比,2.异质结半导体激光器,单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(10)(b)所示,双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(10)(c)所示。,
5、图 同质结、异质结结构示意图,光纤之父,高锟Charles Kao,波导,干涉增强,(AC)=k1(AB+BC)2=m(2),m=0,1,2,波导的条件,波导中场分布,单模,多模,波导中的光传输,单模和多模波导,sinm sinc(i.e.m c),m 必须满足,-m(2V)/,TE TM 模,波导模数,Ex.A planar dielectric guide,2a=20 m,n1=1.455,n2=1.440,=900 nm find mfor all the modes substitute waveguide condition,波导模数,Ex.A planar dielectric guide,2a=100 m,n1=1.490,n2=1.470,=1 m estimate the number of modes,模内色散,光纤放大器,
