半导体LED原理[77页]

1、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,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,能带的分类,空带：所有能级都没有电子填充的能带,

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

3、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。,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,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 空穴向价带反向跃迁,电子或空隙的浓度为:,其中 为材料的特征常数,kB

4、 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300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg， me = 0.068m = 6.1910-32 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,As+4,As+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 (0.040.05eV)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

5、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 DEA Eg 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,在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两

6、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,2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,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,正向偏压使耗尽区变窄,扩散 漂移,n型,p型,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

7、 注入载流子 粒子数反转 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,Luxtera 410-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

8、. 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： 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,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,面发光二极管,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流

9、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,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)：800850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：10001700 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,合金比率与发光波长的关系,LED的输出光

10、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3050 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nm,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：,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：,其中T(f) 为菲涅尔透射系 数。,假定外界介质为空气 (n2 = 1)，

11、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,LED的外部量子效率和外部功率,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50100mA，输出光功率为几毫瓦,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 =

12、0.5倍，即下降了3 dB。因此wc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 = 2030 MHz f边 = 100150 MHz,不同载流子寿命下的LED调制曲线,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,前面所提及的wc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

13、-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Light Amplification by Stimulated Emissio

14、n 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,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,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

15、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,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：,能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：,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：,和,(b2L=2mp),光幅度放大,光相长放大,传播五周的相位5p/3,传播五周的相位

16、5p/3,传播四周的相位4p/3,传播四周的相位4p/3,传播三周的相位p,传播三周的相位p,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,e-jb2L 1 或 b2L 2kp,假设相位变化 b2L = p/3，对于空间某点：,初始时刻的相位0,初始时刻的相位0,因此有幅度条件,和相位条件,幅度条件和相位条件,上式表明，激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激 光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：,增益与波长的关系：,其中l0为中心波长,输出光谱：多纵模,如果需要激光器工作在单纵 模状态就需要模式选择技术,LED与LD的光谱比

17、较,LED,横模,每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小 1) 与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件 2) 工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等 抑制横模的数量 - 增加输出光的亮度、减小发散角,(N)InGaAsP：发光的作用区，其上下两层称为限制层 根据对横模限制机制的不同进一步可分为： 增益引导型 和 折射率引导型,铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长13001600 nm,常用激光器的基本结构,横向约束的双异质结构：增益引导型,机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改 变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能 有效抑制横模

18、特点：1) 辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定,I,n(I),15 mm,机制：1) 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制 2) 在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60% 的注 入电流用于发光 特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模,横向约束的双异质结构：折射率引导型,光强,-10,0,10,单纵模激光器,式子和光谱图表明： 实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间 的波长间隔，使Dl大于增益线宽 (即增加滤波器自由谱宽),垂直腔表面发射激光器 (VCSEL),1990年：阈值电流低(100 mA) ，输出功率大，激光纯度高； 发光面大、易于耦合； 体积小

19、、易于集成，可应用于WDM多波长系统中,分布反馈式 (DFB) 激光器,内置布拉格光栅FBG： 只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程,输出的波长为：,m是纵模的阶数,DFB激光器微观结构,- L相当于F-P激光器的腔长L，每一个L形成一个微型谐振腔 - 很小使得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多 - 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益,DFB激光器照片,分布布拉格反射 (DFR) 激光器,- DBR激光器是将光栅刻在有源区两端 - DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似，但其阈值 电流要比DFB激光器的阈值电流高,内量子效率一般很难准确确定

20、，长期的测试经验表明，在室温条件下，内量子效率一般为hint 0.60.7。 于是外量子效率可以通过下面的式子来定义： 在实际的实验中，外量子效率一般通过P-I曲线的直线部分来估算，即： 标准的半导体激光器，外量子效率典型值为15%20%。,激光器的量子效率*,内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流 ( 40GHz),调制,外调制：使用调制器(如MZM)对输出的光信号进行调制,激光器的调制技术,内调制速率限制：自发/受激辐射载流子寿命 信号啁啾,内调制基本依据：P-I曲线,例：OTIP的超短脉冲光源U2T TMLL 1550 阈值电流在40 mA左右,LD的调制是通过改变其 驱动电流的办法实现的,若在每次脉冲调制之后都完全停止发光，会产生码型效应。因 为在电脉冲开始作用时，激光器需要一个时延来获得足以克服 光损耗的增益。这个时延由自发载流子寿命决定。,内调制速率限制：电光时延,解决办法是在LD上持续加一个IBias = Ith，但会降低消光比,激光场的张弛振荡频率为：,直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则，数字调制要产生张