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1、第十一章 半导体光电子器件,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,半导体的能带,在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。,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,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
2、带的分类,空带：所有能级都没有电子填充的能带,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,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,半导体的能带结构,在图中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。,直接带隙与间接带隙,Ef：Fermi能级。它与物质特性有关，它并不是物质的实体能级，而是描
3、述电子能量分布所用的假想能级。,费米能级,A.电子占据能量为E的状态的几率,对一个电子而言，它具有的能量时大时小，处在经常变化中。但是对于大量电子群体，在热平衡状态下，电子能量大小服从Fermi-Dirac统计分布规律。,费米分布函数变化曲线,B.热平衡状态下的系统导带和价带具有统一的Fermi能级。C.准热平衡状态 在非热平衡时，导带和价带之间不存在统一的Fermi能级。然而，如果向能带注入的载流子速率不太大时，则每个能带中的载流子仍处在准平衡状态，可以用各自的Fermi能级来描述导带和价带的载流子分布，亦称准Fermi能级。,：导带中的Fermi能级。导带中能级被电子占据的几率。：价带中的
4、Fermi能级。导带中能级被电子占据的几率。,本征半导体 N型半导体 P型半导体 半导体的能带和电子分布,PN结的能带和电子分布,根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。,一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图(c)。,硅的晶格结构,硅的晶格结构(平面图),本征半导
5、体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，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。,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg=1.1 eV,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,电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁,Ef,电子或空隙的浓度为:,其中 为材料的特征常数,T为绝对温度kB 为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量Eg 带隙能量,本征载流子浓度,例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m=9.1110-31 kg，me=0.068m=6.191
6、0-32 kg mh=0.56m=5.110-31 kg Eg=1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3,非本征半导体材料：n型,第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。,As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子,导带 EC,价带 EV,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主能级,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,N型材料，施主能级,第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级
7、称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。,非本征半导体材料：p型,由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴,第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA Eg 就可以让多余孔穴自由导电。,导带 EC,价带 EV,受主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,受主能级,受主能级电离使导带 空穴浓度增加,P型材料，受主能级,第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的
8、空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。,PN结,耗尽层,（a）P-N结内载流子运动；,在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图(a)。,(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图；,内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4.5(b)。,PN结:,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,P-N结施加反向电压,当PN
9、结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。,(a)反向偏压使耗尽区加宽,少数载流子漂移,U,扩散运动被抑制只存在少数载流子的漂移运动,P-N结施加正向电压,当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。,(b)正向偏压使耗尽区变窄,耗尽区变窄,U,扩散 漂移,(c)正向偏压下P-N结能带图,在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结
10、形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图4.5(c)。,外加电场 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光,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,外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光,hv,光电效应,半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，又称光生载流子。,当光照射在某
11、种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。,存在的问题：增益区太厚(110 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,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,同质pn结,异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不连续分布,+,+,典型的GaAlAs双异质结,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
12、的约束,三种跃迁：自发发射、受激吸收和受激发射,受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向,自发辐射,发射光子的频率自发辐射的特点如下：这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。,受激吸收,物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。,受激辐射,处于高能级E2的电子，当受到
13、外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。外来光子的能量等于跃迁的能级之差。受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。这个过程可以使光得到放大。,受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。物体成为发光体需要光辐射 光吸收,激光器的工作原理,激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产
14、生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。,粒子数反转分布与光放大之间的关系,在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。,粒子数反转分布状态,1.粒子数正常分布状态,设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的
15、分布,式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。,2.粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和
16、/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。,激光器的基本组成,激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的泵浦源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,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,受激发射和受激吸收,受
17、激发射-能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收-当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。,当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射
18、和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。,LD发射激光的首要条件-粒子数反转,另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。,LD 发射激光的第二个条件-光学谐振腔,法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器,镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回
19、反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。,光在法布里珀罗(F-P)谐振腔中的干涉,激光器起振的相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发
20、生干涉,多纵模(多频)激光器-谐振腔长度 L 比波长大很多,激光器起振的阈值条件,受激发射使腔体得到的增益=腔体损耗,F-P光腔谐振器,衰减倍数与放大倍数必须相等,半导体激光器的增益频谱 g()相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。,激光器增益谱和损耗曲线阈值增益为两曲线相交时的增益值,激光器起振阈值条件的简化描述,例题 激光器光腔越长，模式越多,小 结-
21、光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。,LD的工作原理,同质结构只有一个简单P-N结，且 P 区和 N 区都是同一物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质结的半导体
22、激光器。,同 质 结 构 LD,异质结半导体激光器,为了提高 LD 的功率和效率，降低同质结 LD 的阈值电流，人们研究出了异质结 LD所谓“异质结”，就是由两种不同材料（例如 GaAs 和 GaAlAs）构成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常使有源区尺寸尽量减小，通常w=10 m，d=0.2m,L=100 400 m,同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比
23、较,分布反馈激光器(DFB),DFB激光器是单纵模(SLM)LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的 LD。SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。由这种激光器的增益和损耗曲线图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。,SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的
24、损耗,单纵模 DFB 半导体激光器增益和损耗曲线,DFB LD的分类,分布反馈激光器DFB:Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器DBR:Distributed Bragg Reflector,DFB LD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。,DFB LD结构及其原理,DBR LD 结构及其原理,DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。
25、只有当波长等于两倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。,可调谐DBR激光器,二段式,三段式,Bragg Section:大范围调节Phase Section:精细调节,调谐范围：10nm,取样光栅可调谐DBR激光器,工作原理：,结构：,调谐范围：100nm,外腔DBR激光器：线宽几十KHz,光纤式外腔激光器：线宽50KHz,垂直腔表面发射激光器,垂直腔表面发射激光器（VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser）顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，
26、与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。,VCSEL 激光器示意图,量子阱器件很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中，所以它是一种异质结器件。在这种激光器中，有源层的厚度 d 很薄，导带中的禁带势能把电子封闭在 x 方向上的一维势能阱内，但是在 y 和 z 方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质结器件的1/10，所以注入电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。,量子阱(QW)LD,量子阱 LD 示意图,自发辐射-LED工作原理,当电子
27、返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相干光。,面发光二极管,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,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,30,120,面发光二极管与光纤的透镜耦合,半导体光放大器,对于半导体光放大器(SOA,Semiconductor Optical Ampli
28、fiers)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了。然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。,半导体光放大器的机理,半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。,行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。,行波半导体光放大器,半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。这种放大器就称为 F-P 放大器。,F-P SOA的结构和原理,角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于 0.1%）,减小反射率的方法,有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。,减小反射率的方法,
