(整理)光电半导体讲义.

1、精品文档光电器件基础讲义中研传输业务部 汪微1 概述 光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件， 在光纤通信中占有重要的地位。 性能好、 寿命长、 使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作 的关键。 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面： 首先， 光源发光的峰值波长应在光纤 的低损耗窗口之内， 要求材料色散较小。 其次，光源输出功率必须足够大， 入纤功率一般应 在 10 微瓦到数毫瓦之间。 第三， 光源庆具有高度可靠性， 工作寿命至少在 10 万小时以上才 能满足光纤通信工程的需要。第四， 光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。 第五，光 源应便于调制， 调制速

2、率应能适应系统的要求。第六，电光转换效率不应太低， 否则会导 致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需 要满足以下要求：首先， 其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配， 第二， 具有很高 的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。2 光电器件原理2.1 半导体中光的发射和激射原理2.1- 1 半导体价带、导带、带隙与发光半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。 在各个原子之间保持一定的距离， 是 由于在各原子之间存在着互相作用力的结构， 这些结合力就是共价

3、键。 固体物理学告诉我们， 单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的， 这样就使分立的能级变成了能带。 与原子的最 多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。 价带上面的能带称为导带。 在温度低至绝对零度 的情况下， 晶体中的电子均在价带之中， 而导带是完全空着的。 如果价带中的电子受热或光 的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。 把导带底的能量记作 EC，把价带顶的能量记作 EVO 在 EC和 EV 之间是不可能有电子的，故 称为禁带。把 EC与 EV 之差记作 Eg，称为禁带宽度或带隙。如果 Eg较大，则需要较大的激 励能量把价带中的电子激发到导带中去。

4、对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg 很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导体材料的Eg=0 ，因此它表现出良好的导电性能。 半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间， 因而它的导电能力也介 于两者之间。当价带中一个电子被激发到导带中， 在价带中就留下了一个电子的空位。 在电场的作用 下，价带中邻近的电子就会填补这个空位， 而把它自己的位置空出来， 这就好象空位本身在 电场的作用下产生移动一样。 空位的作用好象一个带正电的粒子， 在半导体物理学上把它叫 作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。 反之， 导带中的一个电子也可以跃迁到

5、价带中去， 在价带中填补一个空穴， 把这一过程叫做 复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度 Eg 的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释 放出一个频率为：Egh。的光子，其中 h是普朗克常数（ 6.625×10-34 焦耳·秒）。不同的半导体单晶材料的 Eg值不 同，光发波长也不同， 因为电子和空穴都是处于能带之中， 不同的电子和空穴的能级有所差 别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于精品文档2.1- 2 半导体掺杂、 P 型半导体和 N 型半导体上面说到的都是纯净、 完整的理想半导体单晶的情况。 在实际的半导体单晶材料中， 往 往存在着与组成晶体的基质原子不同的其它元

6、素的原子杂质原子， 以及在晶体形成过程 中出现的各种缺陷。 进行材料提纯， 就是为了去除有害杂质。 进行各种处理，就是为了消除 或减少某些缺陷。 但是，在实际应用中， 我们还要有意识地在晶体中掺入一定量的有用杂质， 这些杂质原子对半导体起着极为重要的作用。 我们知道， 按照掺杂的不同， 可以得到电子型 半导体和空穴型半导体材料。所谓本征半导体， 是指含杂质和缺陷极少的纯净、 完整的半导体。其特点是，在半导体 材料中，导带电子和数目和价带空穴的数目相等。通常把本征半导体叫做 I 型半导体。所谓 电子型半导体就是通过故意掺杂使用导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。 例 如，在纯净的 II

7、IV 族化合物 GaAs 中掺入不量的 VI 族元素 Te，Te原子取代晶体中的 As 原子，这样就得到了电子型半导体。 Te 原子的外层有六个价电子， As 原子的外导有五个价 电子，在形成共价键时每个 Te 原子向晶体提供一个电子，因而导带内就有许多电子，这种 电子型半导体亦称为 N 型半导体。所谓空穴型半导体，就是通过故意掺杂使价带空穴的数 目比导带电子数目大得多的半导体。例如，在纯净的III V 族化合物 GaAs 中掺入少量的II 族元素 Zn 。Zn 原子取代晶体中的 Ga 原子，这样就得到了空穴型半导体。 Zn 原子的外层 有两个价电子， Ga原子的外层有三个价电子， 在形成共价

8、键时每个 Zn 原子向晶体索取一个 电子，即向晶体提供一个空穴，因而价带内就有许多空穴，这种空穴型半导体也叫做 P 型 半导体。理论分析和实验结果表明， 半导体的物理性质在很大程度上取决于所含杂质的种类和数 量。更重要的是，把不同类型的半导体结合起来， 就可以制作成各种各样的半导体器件，当 然也包括这里要讲的激光二极管和发光二极管。请注意，这里所说的“结合” ，并不是简单 的机械的接触，而是在同一块半导体单晶内形成不同类型的两个或两个以上的区域。2.1- 3 半导体 p-n 结和 p-n 结光源P 型半导体与 N 型半导体结合的界面称为 p-n 结，许多半导体器件 （包括半导体激光器） 的核心

9、就是这个 p-n 结。前面提到，在 P 型半导体内有多余空穴，在 N 型半导体内有多余 电子，当这两种半导体结合在一起时， P 区内的空穴向 N 区扩散， 在靠近界面的地方剩下了 带负电的离子， N 区内的电子向 P 区扩散， 在靠近界面的地方剩下了带正电的离子。 这样一 来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域， 叫做空间电荷区。 由这些相反电荷形成一个自 建电场，其方向是由 N 区指向 P 区。由于自建电场的存在，在界面的两侧产生了一个电势 差 V D，这个电势差阻碍空穴和电子的进一步扩建，使之最后达到平衡状态。因此，我们把 VD叫做阻碍空穴和电子扩散的势垒。如图2.1所示的 p-n 结及能

10、带，显然， P区的能量比 N区的提高了 eVD，其中 e是电子的电荷量。如图中所示：对于轻掺杂的p-n 结， eVD<Eg ，对于重掺杂的 p-n 结， eVD>Eg 。理论分析表明，可以利用一个能级 EF（称为费米能级）来 描述电子和空穴分布的规律。 对于 EF 以下的能级， 电子占据的可能性大于 1/2，空穴占据的 可能性大于 1/2。在平衡状态下， P区和 N 区有统一的费米能级。对于 P区，因为晶体内有 许多空穴，所以价带顶在费米能级附近。对于 N 区，因为晶体内有许多电子，所以导带底 在费米能级附近。这样一来就画出了图2.1（a）所示的能带图。半导体 p-n 结光源包括半

11、导体发光二极管与半导发光二极管与半导体激光器，它们都是正向工作器件。当把正向电压 V 加在 p-n 结上时，抵销了一部分势垒，势垒高度只剩下了（VD V）的数值，如图 2.1（b）所示。外加的正向电压破坏了原来的平衡状态， P区和 N 区的费米能级分离开来。 这时，可以 用两个所谓的准费米能级来描述电子和空穴分布的规律。 把 N 区的准费米能级记作 （ EF）N，对于（ EF）N以下的能极，电子占据的可能性大于1/2。把 P 区的准费米能级记作（ EF）P，对于（ EF）P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。当把足够大的正向电压加在 p-n 结上时，P 区内的空穴大量地注入 N 区，N 区

12、内的电子大量地注入 P区。这样一来， 在 P 区和 N 区靠近界面的地方就产生了复合发光。 在激光物理学中， 材料的光子吸收、 自发发射和受激 发射可以由图 2.2 的两能级图来表示。图中 E1 是P- - + + - - + + - - + +- - + +NP- +N自建电场EF(轻掺)(Ec)P（重掺）(Ev)PeVDEg电子多（轻掺）EF(EC)空穴多(EV)N(b)(a)图 2.1 p-n 结能带图基态能量， E2 是激发态能量。按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉及到发射或吸收 一个能量为 h12E2E1的光子。一般情况下系统处于基态。当能量为的h 12光子射入，能态 E1中的某

13、个电子能够吸收光子能量，并激发到能态E2，如图 7.2 所示。由于 E2能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到E2E2E2h 12h12h 12h12(相同 )E1E1E1（a） 吸收（b） 自发发射（c） 受激发射图 2.2 光子吸收的三种形式基态，从而发射出一个能量为的 h12 光子。这个过程是在无外部激励的情况下发生的，因 此称为自发发射。这种发射是各向同性的，并且其相位是随机的， 表现为非相干光输出。另 外一种情况是，暂时停留在 E2 上的电子，由于外部了激励向下跃迁到基态，如图2.2(c )所示。当有一个能量为 h 12 的光入射到系统时，电子会立即受到激励向往下跃迁到基态，同 时

14、释放出一个能量为 h 12 的光子。发射出来的这个光子与入射光子是同相位的，这种情况 称为受激发射。 在热平衡状态下， 受到激发的电子的密度非常小， 入射于系统的大多数光子 都会被吸收， 受激发射可以忽略， 材料对光能量来说是消耗性的。 仅当激发态中的电子数大 于基态中的电子数时，受激发射才会超过吸收。这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。 粒子数反转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来使材料达到这种状态。 对于图 2.1所示的 p-n 结，正向通电注入电子填满那些较低能态，即能实现粒子数反转，该 材料原来对光是吸收的进而变为对光具有放大作用了。 半导体激光器中， 在电泵浦使用下

15、能 够对光有放大作用的区域称为有源区，其实就在图2.1 所示的 p-n 结附近。我们知道，高频电子 LC 振荡器就是利用电子放大器和正反馈结合而产生的。 半导体激光器的激光振荡也是 由光放大与正反馈结合而产生。招图 2.3 所示，处于粒子反转状态的有源区对某波长光有放 大作用。 设有微弱的光由左向右传输， 在光放大作用下逐渐增强， 到达右镜面立刻反射到左 传输又再逐渐增强， 到达左镜面反射而形成正反馈过程。 显然， 只有在传播方向与镜面垂直 的一部分光才能够在镜面的帮助下实现放大反馈， 当这个放大反馈环路的光增益足以抵 消一切光损耗时， 就在谐振腔内建立了等相面与反射镜面平等的驻波， 这就是说

16、产生了激光 振荡了。如图 2.1 所示的 p-n 结，当未注入电流时，其材料对光呈现吸收性，当注入电流较 小时， p-n 结开始发光， 电流继续增加， 光放大增强， 放大反馈环路的增益一旦超过损耗， 就产生振荡，半导体激光器就由自发发射状态转入激射状态，此时的注入电流称阀值电流。图 2.3 平面谐振腔2.2 光电探测器原理2.2- 1 p-n 结的光电效应当 P 型半导体和 N 型半导体结合时 （不是机械结合， 而是分子间结合） ，能构成一个 p-n 结。在 P、N 型半导体的交界面将发生载流子相互扩散的运动：P型中的空穴远比 N 型材料多，空穴将从 P区扩散到 N 区；同样 N 型材料中的电

17、子远比 P型材料的多，也要扩散到 P 区。达到平衡时，这些向对方扩的载流子将积聚在P区、N 区交界面的附近， 形成空间电荷区，称为结区，如图 2.4所示。空间电荷区内，因多数载流子（指 P区中的空穴， N 区中的 电子）几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场 Ei, 以入接触电势或 势垒 Vd。 Ei 或 Vd 的存在阻止多数载流子继续对方扩散，达到平衡状态。如果 p-n 结接收 相当能量的光波照射， 进入耗尽区的光子就会产生电子空穴对， 并且受内电场 Ei 的加速， 空穴顺 Ei 方向漂向 P 区，电子则逆 Ei 方向漂向 N 区。光照的结果打破了原有结区的平衡 状态。光生

18、载流子的运动，同样要在结区形成电场 Ep和电压 Vp,而Ep和Vp 的方向或极性 正好与 Ei和Vd 相反，起到削弱 Ei和Vd 的作用。电压 Vp 称为光生伏特。 当外界光照是稳 定的，将 p-n 结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip 。图8.1 平衡状态下的 p-n 结2.2- 2 反向偏置的 p-n 结p-n 结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。当以适当能量的光照射 p-n 结，且光 强很大，能使光生电场 Ep=Ei ，合成电场 E=Ei-Ep=0 ，即Ei 已被削减为零，耗尽区也不存在 了。这时发生载流子虽仍可在 p-n 区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，

19、大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失， 不能形成外部电流。 这是不加偏置的 p-n 结可 能出现的问题。零偏置有两大弊病：（1）器件的响应率很差，且很易饱和； （2） 依靠扩散运动IpIp形成的光电流响应速度很慢。若在 p-n 结上加反向偏置电压 （见图 8.3），则势垒高度增加到 Vd+V ；耗尽区 W 加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。光PNW+ V+图图8.32 .6反反偏偏下下光光照照射的 p-pn-结n3 光电器件类型3.1 半导体发光器件 半导体发光器件有三大类：发光管、 FP激光器、 DBF 激光器，下面分别介绍三类器 件的特点：发光管（ LED ） 未经谐振输出，发非相

20、干光的半导体发光器件称为发光管。发光管的特点：输出 光功率低、发散角大、光谱宽、调制速率低、价格低廉，适合于短距离通信。FP激光器FP激光器是以 FP 腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点； 输出光功率大、 发散角较小、 光谱较窄、 调制速率高， 适合于较长距离通信。DFB 激光器DFB 激光器是在 FP 激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输 出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于 长距离通信。3.2 光电检测器件 光电检测器是将光信号转变为电信号的器件， 光纤通信系统中使用 2 类光电检测 器，即光电二极（ PIN ）

21、管和雪崩光电二极管（ APD ）。PIN 探测器PIN 探测器是在普通光电二极管的基础上加入一层耗尽层的器件，它具有量子效 率高、暗电流低、响应速度高、工作偏压低、不具有倍增效应的特点。APD 探测器雪崩光电二极管是一种利用较高的偏压加速光子激发出的电子空穴对， 碰撞出二 次电子空穴对， 形成光电流倍增的器件。 它具有较高的量子效率、 较高的响应、有倍增 效应。4. 光电器件的参数指标4.1 半导体发光器件4.1- 1 发光管（ LED ） 发光管有以下性能参数：工作波长、 3dB 光谱宽度、输出光功率、最高调制速 率。工作波长是指 LED 发出光谱的中心波长； -3dB 光谱宽度是 LED

22、发射光谱的最高 点降低 3dB 时所对应的光谱宽度； 输出光功率是器件输出端口输出的光功率； 最高调 制速率为 LED 所能调制的最高速率。表 4.1 是某公司 LED 器件的性能参数，其典型光谱如图 4.1 所示 表 4.1 LED 性能参数性能参数参数符号单位测试条件最小典型最大工作波长pnmI=80mA128013101330152015501570 3dB 光谱宽度nmI=80mA60尾纤输出光功率P0WI 80mA,1310nm10100I=80mA,1550nm1050正向电压VfVI 80mA2.0图 4.14.1- 2 FP 激光器FP激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出

23、光谱的中心波长。 光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。典型参数见表 4.2，其典型光谱图为图 4.2表 4.2 FP 激光器性能参数性能指标参数符号单位测试条件最小典型最大工作波长pnmIW= I th+20mA129013101330153015501570光谱宽度nmIW= I th+20mA35阈值电流I thmA520输出光功率P0mWIW, 1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向电压VfVIW= I th+20mA1.11.5图 4.24.1- 3 D

24、FB 激光器DFB 激光器有以下性能参数： 工作波长：激光器发出光谱的中心波长。 边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。-20dB 光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低 20dB 处光谱宽度。 阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。典型参数见表 4.3，其典型光谱图为图 4.3 表 4.3 DFB 激光器典型参数性能指标参数符号单位测试条件最小典型最大工作波长pnmIW= I th+20mA13101550-20dB 光谱 宽度nmIW= I th+20mA0.30.5阈值电流I thmA1520输出光功率P0m

25、WIW, 1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向电压VfVIW= I th+20mA图 4.34.2 光电检测器件4.2- 1 PIN 光电二极管PIN 光电二极管性能参数如下： 响应光谱范围：光电二极管能检测到的光谱范围。暗电流： 光电二极管在没有光输入时产生的漏电流。 响应度： 即光电转换的效率，是光电流与输入的光功率之比。表 4.4 PIN 光电二极管的典型参数性能指标参数符号单位测试条件最小典型最大光谱响应nm110013101600暗电流IdnAVr=-5V-0.15响应度 1310nmRA/WVr=-5V0.80.85-饱和光功率PmVVr=-5V1.5响应时

26、间tr/tfns-0.1-电容CpfVr=-5V0.75光敏面直径m754.2- 2 APD 光电探测器APD 探测器性能主要参数 :工作波长： APD 探测器能检测的波长范围。 量子效率：激发出的一次电子数与输入的光子数之比。 暗电流： APD 探测器在没有输入光功率时的漏电流。 倍增因子：光电子的倍增倍数。过剩噪声指数：反映噪声的大小。表 4.5 APD 光电探测器参数种类G-APD工作波长1000 1600nm量子效率50%过剩噪声指数0.8暗电流200 A倍增因子15结电容2pF上升时间150ps光敏面积>200 m击穿电压>60V5 各种光电器件的应用场合5.1 FP 激

27、光器的应用由于受 1310nm 通信窗口的光缆衰耗和 1550nm 通信窗口的光缆色散限制，此类激光器用于传输距离小于 50km 的场合。主要是 1310nm 的工作波长。5.2 DBF 激光器的应用这类激光器具有光谱窄特性， 在 1550nm 低衰耗特性窗口受色散限制的距离为 70120km ，由于目前激光器制造工艺正在不断发展，此类激光器的受色散限制的距离有 可能达到 170 200km。此类激光器与光放大器配合使用目前能实现120km 以内的无中继传输。5.3 EA DFB 激光器应用EA DFB 激光器不直接对激光器进行调制， 使激光器的啁秋效应大大降低， 此 类激光器受色散限制的距离

28、为3001000km 。此类激光器与光放大器结合使用，能实现 200km 无中继传输， 300 1000km 无电中继传输。5.4 PIN 探测器PIN 探测器由于没有倍增效应，其响应度较小，主要用于 155/622Mb/s 系统。5.5 APD 探测器APD 探测器具有倍增效应和较高的效应速度，用于 2.5Gb/s 设备上。6. 使用中需要注意的问题6.1 防静电 目前光纤通信设备中的光电器件均为异质结器件， 其反向击穿电压都很低， 极易被 人体静电击穿或击伤， 造成器件立即损耗或寿命减少。 因此在使用过程一定要十分注意 防静电。6.2 注意避免折断尾纤 设备中使用的光电器件多数是带尾纤输出

29、的类型，器件尾纤是采用 0.9mm 直径的 套塑光纤， 十分脆弱。 在使用过程中如果不小心很容易将尾纤折断， 造成器件完全无法 使用。6.3 注意清洁光纤连接器光电器件的光纤连接器是器件与外界的光接口。 如果光纤连接器被污染， 则会明显 增加连接衰耗， 造成发光器件的输出光功率明显低于器件额定值， 接收器件灵敏度明显 降低，使设备的光口指标变坏，严重影响设备的整体性能。7. 掺铒光纤放大器介绍7.1 掺铒光纤放大器介绍 掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件， 具有增益高、 输出功率大、 工作光 学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关。它是大 容量波分复

30、用系统、 2.5Gb/s和 10Gb/s以上高速系统中必不可少的关键部件， 也是大型 CATV 网不可缺少的器件。它的出现给光纤通信与传输技术带来了一场革命。 EDFA 在光缆线路中 可以有以下几种应用：(1) 、装在光发射机后面作功率放大器，它可以将光发射机的发送功率由 0dBm 左右提高至 +13+18dBm 。(2) 、在光发送机和光接收机之间装若干个EDFA ，代替传统的中继设备。(3) 、装在光接收机前面作预放大器可以将接收机灵敏度提高至-45 -35dBm光缆通信线路中使用 EDFA 作功率放大器和预放大器可以大幅度提高通信设备的 动态范围，使线路的无中继距离达到150 250km ，这将使通信系统的中继站的数量大大减少，线路的建设成本、维护成本大为降低，同时也提高了线路的可靠性。在沿 途不上下话路的长途干线中应用 EDFA ，代替传统的 光 电、电 光 的中继方式， 可以节省设备投资，同时有利于线路的升级。因为 EDFA 具有放大特性与系统比特率 和数据格式无关的特点，因此，在线路升级时，只需更换线路两端的设备，而不需要更换作中继的 EDFA 。(4) 在广电网中使用可以使壹台光发射机带更多的光接收机。在国外，掺铒光纤放大器 已经开始大规模地用于各种工程中。7.1 掺铒光纤放大器原理在石英光纤中掺入稀土元素铒，形成Er3+离子。激发态驰豫亚稳态1550nm 信号光子