4第三章 半导体激光器件.ppt

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,3.1.1半导体概念与分类,物体分类,导体,导电率为105s.cm-1，量级，如金属,绝缘体,导电率为10-22-10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。,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,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,主要半导体材料,IV族半导体材料-硅Si，锗GeIII-V族化合物半导体材料-GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsPII-VI族化合物半导体材料-GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe,一、本征半导体,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。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,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,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,自由电子定向移动形成电子流,束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流,本征半导体,1.本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,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,电子流,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,空穴流,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,本征半导体,能带结构,自由电子,价电子与空穴,费米能级Ef,本征半导体,费米能级Ef,当T=0K时，电子占据EEf的状态的几率为零。,当T0K时，电子占据Ef的状态的几率为1/2。,本征半导体-能带结构,Ef,本征半导体,空穴,电子,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。,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。,温度对费米能级的影响,本征半导体-能带结构,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,二、杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高,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,掺入的五价元素如P、Se等，形成N型半导体，也称电子型半导体,1.N型半导体,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,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,在本征半导体中掺入的五价元素如P,+,N型半导体,N型半导体,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,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。,2.P型半导体,在本征半导体中掺入的三价元素如B,-,P型半导体,杂质半导体,P型半导体,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,价带,导带,价带,价带,施主,受主,本征半导体,P型半导体,N型半导体,半导体的能带结构,能带中的载流子,导带底的电子态密度：,价带顶的空穴态密度：,由量子力学理论而来,能带中的载流子,导带中电子浓度：,价带中的空穴浓度：,直接带隙与间接带隙半导体,能带-波矢图,直接带隙,间接带隙,直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！具有更高的跃迁几率（近100%）！间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！,跃迁选择定则:跃迁的始末态应具有相同的波矢,主要半导体材料,IV族半导体材料-硅Si，锗GeIII-V族化合物半导体材料-GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsPII-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,间接带隙,导带E2,价带E1,半导体内光与电子相互作用,自发辐射,=E2-E1,Eg,光子密度()随时间的变化率:,爱因斯坦系数，为能态电子的平均寿命,半导体内光与电子相互作用,导带E2,价带E1,光子密度()随时间的变化率:,受激吸收,导带E2,价带E1,半导体内光与电子相互作用,受激辐射,光子密度()随时间的变化率:,半导体内光与电子相互作用,导带,价带,导带,价带,导带,价带,自发辐射,受激吸收,受激辐射,非平衡载流子与准费米能级,电流注入，,非平衡载流子的产生：,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：,Ef,Ef,Efv,Efc,Efc,Efc,Efv,Efv,Ef,非平衡载流子,非平衡载流子,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,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：,PN结的形成,P区,N区,扩散运动,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,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,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,内电场阻止多子扩散,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,内电场促使少子漂移,我们一起作个总结,PN结形成,基本概念,扩散运动,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。,漂移运动,少子向对方漂移，漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN结,稳定的空间电荷区，,又称高阻区，,也称耗尽层。,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：VD=0.7锗：VD=0.2,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。,35,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相同异质结：组成P-N结的P型半导体和N型半导体的基质材料不同同型异质结：由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成异型异质结：由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成,同型异质结,异型异质结,同质结与异质结,同质结中P区和N区具有大致相等的禁带宽度,36,半导体双异质结(DoubleHeteroStructure)由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙层材料组成通常包含一个同型异质结和异型异质结,双异质结,37,同质结与双异质结的能带特性比较,平衡状态下的能带图,加正向偏置时能带图,辐射复合主要发生在窄带隙层，有源层。,同质结,双异质结,具有更高的载流子注入效率和光场限制作用，因此具有更高的出光效率，被广泛采用！,双异质结,38,处于反转状态，受激辐射可大于受激吸收！,通过在P-N结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部分在耗尽区复合，复合速率产生速率，可形成光增益！电致发光反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但在外加光场作用下可形成较强光电流！光电效应,PN结的偏置,PN结光电效应,Light,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。,PN结光电效应,PN结电致发光,在PN结两端外加正向偏压,结势垒降低为VD-V,打破原来建立的平衡,使得P区和N区的费米能级重发生分离，形成准费米能级,外电场耗尽区内注入电子、空穴辐射复合发光,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,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,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:,电子在能带间的辐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接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，这一要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。,3.2.1半导体激光器的工作原理,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。,2.与普通二能级系统的区别：,二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件,3.2.1半导体激光器的工作原理,最简单的半导体激光器的结构一个薄有源层（厚度约0.1m）+P型N型限制层属于宽面激光器注入型激光器，InjectionLaser,48,LD产生激光输出的三个基本条件：泵浦源：电流注入实现光反馈：解理面构成谐振腔谐振腔是在垂直于P-N结的两个端面上，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的解理：晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂,并且能裂出光滑平面的性质称为解理,这些平面称为解理面增益介质：P-N结区阈值条件：光增益大于光损耗,3.2.1半导体激光器的工作原理,产生激光的机理,3.2.1半导体激光器的工作原理,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,无外加电场,有外加电场,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数反转。,激活区或有源层,二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件,51,LD的工作原理向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，P-N结即为激活区电子空穴对复合发光，初始的光场来源于自发辐射自发辐射光子进而引起受激辐射受激辐射光子通过反射镜往返反射，使受激辐射过程加剧，光得到放大在反射系数小于1的反射镜中输出而产生激光,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,只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光：否则，只能产生荧光。,曲线的转折点对应于阈值电流，是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。一旦激光开始，曲线斜率就变陡。,发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级；激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。,3.2.2半导体激光器的特性,一、伏安特性,激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。,3.2.2半导体激光器的特性,二、阈值电流,使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度。,影响阈值的因素有：晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；谐振腔的损耗越小，阈值越小。在一定范围内，腔长越长，阈值越低；温度对阈值电流的影响很大，因此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。,3.2.2半导体激光器的特性,三、方向性,由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达200300，在结的水平面内，发散角约为几度。,l-结水平方向的尺寸,d-有源区的厚度,3.2.2半导体激光器的特性,四、光谱特性,荧光谱,激光谱,几十nm,几nm,3.2.2半导体激光器的特性,五、转换效率,注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。,1.量子效率,通常PPth,实际上量子效率对应于输出功率于正向电流关系曲线中阈值以上线性范围内的斜率。,3.2.2半导体激光器的特性,五、转换效率,2.功率效率,V是PN结上的电压降，Rs是激光器串联电阻（包括材料电阻和接触电阻）。,由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。,第三节典型的半导体激光器,同质结激光器异质结激光器分布反馈（DFB）激光器垂直腔面发射半导体激光器,3.3.1同貭结半导体激光器,p型半导体和n型半导体材料都是GaAs,所形成的p-n结为同质结(HOS),加上正向偏压时，电子向p-n结注入，并在偏向p区一侧的激活区内复合辐射;当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽。激活区的折射率略高于p区和n区，“光波导效应”不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。,同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x1045104A/cm2，这样高的电流密度，将使器件发热。,3.3.1同貭结半导体激光器,同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率（几kHz几十kHz)脉冲工作。,同质结激光器几乎无法实用化，结构需改进！,3.3.2异质结半导体激光器,一、单异质结半导体激光器(SHL）,单异质结是由p-GaAs与p-GaAlAs形成的。,施加正向偏压时，电子由n区注入p-GaAS,由于异质结高势垒的限制，激活区厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。阈值电流密度降低了12个数量级，约8000A/cm2。,窄带隙有源材料被夹在宽带隙的材料之间形成,3.3.2异质结半导体激光器,一、双异质结半导体激光器(DHL）,施加正向偏压时,激活区内注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，d=0.5m。由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应作非常显著，使光波传输损耗大大减小。阈值