半导体光电子器件复习总结

1、半导体光电子器件课程梳理Chap 1 绪论1. 半导体激光器的发展 第一发展阶段同质结构注入型激光器（二十世纪60年代初）特点：对注入的载流子和光场没有限制，阈值电流密度高，只能在液氮和脉冲状态下工作 第二发展阶段单异质结注入型激光器（二十世纪60年代末）特点：利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAS P-n结的结区内，降低阈值电流密度 第三发展阶段双异质结注入型激光器（二十世纪70年代初） 特点：1）窄带隙的有源区两侧的宽带隙材料对注入的载流子有限制作用；2）有源区为高折射率材料，两侧包层是低折射率材料，形成的光波导能够将光场的大部分限制在有源区内，从而减小阈值电流密度。 第四发展阶段量

2、子阱激光器（二十世纪80年代初）半导体物理研究的深入及晶体外延生长技术的发展（包括分子外延MBE，金属有机化学气相沉积MOCVD和化学束外延CBE），使得量子阱半导体激光器研制成功。2. 半导体激光器的特点 小而轻、转换效率高、省电、寿命长； 制造工艺与电子器件和集成电路工艺兼容，便于实现单片光电集成； 半导体激光器的激射功率和频率可直接调制； 激射波长范围宽。 3. 半导体激光器的应用光通讯、光存储、固体激光器的泵浦源、激光器武器、3D显示4. LEDs 的应用交通指示、照明、背光源、屏幕显示、投影仪光源、汽车、医疗、闪光灯、栽培、防伪。Chap 2 异质结半导体异质结的定义：由两种基本物理

3、参数不同的半导体单晶材料形成的晶体界面（过渡层）。1.异质结的能带图（1）pN异质结的能带图-功函数，-电子亲和势尖峰的位置与pN结两边的掺杂浓度有关：p区掺杂比N区多时，尖峰位于势垒的顶端，称为高势垒尖峰；p区掺杂比N区少时，尖峰位于势垒的根部，称为低势垒尖峰（2）nN同型异质结的能带图2. 异质结的参数平衡态下内建电场强度耗尽区内电中性条件内建电势差内建电势差分配比故(由于带边的不连续，内建电势差不再代表势垒的总高度了。)空间电荷区宽度3. 异质pN结的伏安特性（1）扩散模型电流电压方程对于pN型异质结， 型异质结，Ec和Ev都是正值，而且一般远大于k0T，故JnJp，表明通过异质结的电流

4、主要由电子电流组成，空穴电流占很小的比例。（2）热电子发射模型忽略由p向N的电子，则电流密度可表示为： （）（3）尖峰隧穿模型总电流= 热电子发射电流+电子隧穿电流4. 异质结的特性（1）高注入比：pn结在正向偏压时，n区向p区注入的电子流和p区向n区注入的空穴流之比。式中，E=Ec+Ev=Eg2-Eg1，Eg2和Eg1分别表示宽带N区和窄带p区的禁带宽度。Dnp、DpN、Lnp、LpN相差不大，都在同一数量级，而exp(E/k0T)1，说明注入比很大，即使NDN NAp，注入比仍然很大。（2）超注入现象因为Ecp代入和得到含跃迁几率的光子密度表达式与黑体辐射理论中的表达式比较，得到爱因斯坦系

5、数关系：（8）粒子数反转分布条件（伯纳德杜拉福格关系）推导过程：净受激发射速率受激发射产生条件：净受激发射速率大于零0 将f2 和f1 代入，并整理得粒子数反转分布条件：。注：物理意义：导带能级上被电子占据的几率必须大于与辐射跃迁相联系的价带能级上被电子占据的几率，只有这时在紧靠导带底和价带顶的与辐射跃迁相联系的能量范围内才能实现粒子数的反转。异质结和利用高注入比和超注入实现，同质结可用重掺杂实现。（9）光增益 推导过程：（3）（4）（5）由（3）、（4）和（5）式得光增益系数与导带和价带的态密度成正比；与材料的能带、温度及注入水平有关，关系反应在（f2f1）项中。 引入光限制因子，反应光场的

6、泄漏，它相当于受激发射的有效面积减小。则光增益系数变为吸收系数 增益谱增益峰值随注入载流子浓度的增加而增加，并向高能量方向移动 并向高能量方向移动增益为负值，即为吸收原因：由于带填充效应（band filling effect)，载流子被填充到高能态，而高能态的态密度比低能态的态密度大，所以，增益峰向高能量方向移动且增益变大。（10）光子在谐振腔内的振荡 激光器的阈值增益推导1：设光子以如下的平面电磁波在谐振腔内传播其中。阈值条件要求光子在谐振腔内往返一次后r1、r2为场光场在两个谐振腔面上的场反射系数由由（1）式可以得到阈值增益为。功率反射系数R1r1r1*，R2r2r2*。第一项为内部损耗

7、，包括介质对光子的吸收、散射等；右边第二项为腔面损耗，即激光器的输出。当R1R2R时，上式简化为推导2：光强为I(z)的光沿着z方向传播dz距离后，光强的总变化量dI(z)为:设谐振腔内A处的光强为IA，要使在谐振腔内实现激射，光强为IA的光经过两次镜面反射后回到A处时的光强应等于或大于IA:物理意义：当光子从单位长度介质所获得的增益等于或大于介质的内部损耗及腔面损耗时，开始形成激射。 谐振腔内稳定振荡条件方程（2）物理意义：若形成稳定振荡的驻波，光子在谐振腔内来回一周所经历的光程必须是波长的整数倍，或者说谐振腔的长度为半波长的整数倍。每一个q值对应光子的一个振荡频率或波长，或者说对应一个纵模

8、模式。 纵模间距（11）增益系数与电流密度的关系透明电流密度J0：增益曲线在电流密度坐标上的截距，对应刚好满足粒子数反转条件(Fc-Fv=h),增益由负值转为正值的电流密度。透明载流子浓度n0:对应刚好满足粒子数反转条件增益由负值转为正值的载流子密度。（12）速率方程速率方程是描述半导体激光器在外界作用下（电注入，光注入），电子与空穴复合产生光子时,载流子浓度与光子密度随时间的变化，它包括载流子浓度和光子密度随时间变化两个方程，建立了光子和载流子之间的相互作用关系。载流子速率方程： 第一项：电流的注入而引起的载流子的产生；第二项：受激辐射复合；第三项：自发辐射复合和非辐射复合。受激发射光子速率

9、方程： 第一项g(n)S是由于受激辐射引起的光子增加，第二项（-S/ph)是由于腔内吸收和激光器腔外发射引起光子的减少，第三项sp(n/r)是部分自发辐射耦合到激射模式中而引起光子的增加。（13）速率方程的推论 阈值电流密度由载流子速率方程，当JJth时时，受激发射的光子密度很少，可以忽略，即S=0；在稳态状态下dn/dt=0nth为阈值载流子浓度。物理意义：激光器在受激发射之前，所注入的载流子全部用于自发辐射和非辐射复合。 阈值载流子浓度由受激发射光子的速率方程，当JJth时，对于一般半导体激光器,自发辐射耦合因子很小，sp10-5，先暂时忽略；在稳态状态下，dS/dt=0在激光器阈值电流之

10、前，载流子浓度随电流密度的增加而增加；到达阈值电流后，载流子浓度被钳制在阈值载流子浓度处，不再增加（此时增益稳定下来）。阈值载流子浓度以上的那部分注入载流子全部用于激光器输出。 载流子浓度及光子密度与电流密度的关系忽略自发辐射耦合的影响（sp=0），稳态时考虑自发辐射耦合的影响（sp0），稳态时2. F-P腔半导体激光器的结构及特性（1）半导体激光器的分类 无导引激光器结构：在平行于结平面的方向上没有对光场的限制结构。 增益导引激光器结构：在平行于结平面的方向上没有对光场的限制结构，唯一的侧向变化是由注入电流和载流子的侧向扩展来决定的载流子浓度在有源区内的分布，即在电极接触条下方的有源层中心区

11、域有较高的载流子浓度，向两侧则逐渐减小，受激辐射率和增益也有类似的变化。因此，把这一物理事实描述为“增益导引”。 折射率导引激光器结构：在平行于结平面的方向上设有对光场的限制结构，这种限制结构是通过有源区两侧材料的折射率差来实现的，因此，称为 “折射率导引”。（2）半导体激光器的特性 电流电压特性（I-V） 功率电流特性（P-I） 半导体激光器的效率功率效率P表征由所加于激光器上的电能（即电功率）转换为输出的光能（即光功率）的效率Po为激光器输出的光功率，Vf为激光器pp-n n结正向压降，Rs为串联电阻。内量子效率iPi为有源区内发射的光功率出射效率o外量子效率ex外微分量子效率D或外量子效

12、率（ex）与内量子效率（i）的关系：斜率效率SE 激光器的温度特性特征温度T0：是表征激光器温度特性的重要参数，反应激光器的阈值电流对温度的敏感性，即激光器的稳定性，特征温度越高，激光器的热稳定性越好。特征温度可以通过测量不同温度下的阈值电流来求得。 激光器的寿命半导体激光器的阈值电流增加一倍时所经历的时间定义为激光器的寿命。 小信号调制特性令调制电流 ,代入速率方程得调制响应求分母的最小值可以得到峰值频率p可以看出，若要提高调制响应速率：（1）必须要增加微分增益系数g0（制冷，采用量子阱结构）（2）降低光子的寿命ph（缩短激光器腔长，有源区掺杂）（3）提高激光器的功率，使它尽可能地工作在光子

13、密度高的状态。3. 量子阱激光器（1）基本概念超晶格（superlattic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层材料交替生长形成的人工周期性结构。相邻势阱内电子波函数会发生交迭，有很强的耦合，在各量子阱中分立的能级扩展成能带（微带）。多量子阱（multiple quantum wells，MQWs）：势垒较厚以致于相邻势阱内电子波函数不发生交迭的周期性结构。单量子阱（singlequantum well，SQW）：只有一个势阱，两边是势垒的结构。（2）量子阱结构在无限深势阱中运动的电子的总能量在量子阱中电子和空穴的运动是准二维的，在x,y方向上可以自由运动，能量在z方向上是量子化

14、的，量子阱内形成一组分立的能级。能级的取值与有效质量、阱宽、阱深（Ec和和Ev）有关，能量和量子数n的平方成正比。两个相邻能级之间的能量间隔为：（3）量子阱中的态密度在k平面内kk+dk范围内的状态数为（考虑自旋）：单位能量，单位面积内的状态密度D(E)为：在量子数n1时，将D(k)代入得单位能量，单位体积内的状态密度单位体积内的状态密度(E)为只有总能量大于E1c的态才存在的态才存在。因此，对应能量大于E1c的态密度为：对于其他量子态也有相应的公式。如果量子阱中有n=1,2,3,l 个量子态，则总的态密度为所有允许的子带态密度之和式中mn,c是第n个子带电子的有效质量以上结果也适用于价带的重

15、空穴和轻空穴。对比体材料态密度和量子阱材料态密度：三维、二维、一维、零维态密度与能量的关系：（4）量子阱激光器的特点发射光波长与量子阱厚度的关系随量子阱的厚度减小，发射波长变短。窄的光谱线宽DH激光器中，态密度随能量变化呈抛物线分布，带边态密度趋近于零，带间跃迁的光谱线宽较宽；量子阱激光器中，态密度呈台阶状分布，对应E1c c和E1hh的态密度都很大，电子能量分布宽度较窄，相应的发射光谱线宽较窄。这也是量子阱激光器易于实现单纵模激射的原因。低阈值电流特性量子阱激光器中，态密度呈台阶状分布，对应E1c和E1hh的态密度都很大，电子能量分布宽度较窄，相应的光增益谱变窄，光增益集中到很窄的能量范围内

16、，峰值增益加强，因此，阈值电流密度降低。高的特征温度高速调制特性微分增益系数g0高，因此，能够在更高的调制速率下工作，动态工作特性好。（）高的量子效率和大功率输出量子阱激光器中，态密度呈台阶状分布，吸收系数在带边随波长的变化很显著，因此，在量子阱光波导中的吸收损耗比体材料中小，量子转换效率高；另外，阈值电流密度低，所以可以实现大功率输出。（5）量子阱激光器的优点改变量子阱的厚度可以在相当的范围内改变激射波长；注入载流子能够提供更高的增益，减小阈值电流，阈值电流随温度的变化小，温度稳定性好；内部损耗小，载流子的注入效率高，能够产生大的功率输出；台阶态密度分布使光谱线宽窄，量子阱激光器易于实现单纵

17、模激射；微分增益系数高，能够在更高的调制速率下工作，动态工作特性好；由于价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此具有TE、TM模式的选择控制性能。Chap 4 发光二极管（LED）1. LED的原理与电学特性原理：自发辐射（1）理想的LEDs电流-电压特性（I-V），当外加电压V接近接触电势差VD（Vbi）时，电流迅速上升，这个电压称为阈值电压，或开启电压。（2）实际的LEDs电流-电压特性（I-V）对于实际LED式中，nideal为理想因子，nideal=12。考虑串联和并联电阻的影响时求串联电阻的方法：取并联Rp为无穷大，则LEDs典型的电流-电压特性曲线：参数：开启电压Vf，反向击穿电压V

18、B，串联电阻Rs（3）载流子的泄漏与溢出载流子泄露：有源区内的自由载流子分布满足FermiDirac分布，因此，总有一定量的载流子拥有高于限制层势垒高度的能量，这部分载流子的浓度为载流子溢出：当增加注入电流时，有源区内的载流子浓度增加，费米能级上升。当电流密度足够高时，费米能级会达到势垒处，有源区被载流子填满，电流密度继续增加时，有源区内的载流子将不会增加，光输出达到饱和。（4）LEDs电压电流的温度特性由推得，而Eg随温度T而：，故2. LED的光学特性与激光器相比无明显拐点。（1）效率内量子效率internal (internal efficiency)和材料有关萃取效率extractio

19、n(extraction efficiency)和LED结构有关外量子效率external(external efficiency) 功率效率power(power efficiency)（2）发射谱在Eph= Eg+ kBT处附近，光谱强度I(E)有最大值。光谱线宽hn(= Eph)的典型值为2.53 kBT（3）光的逃逸圆锥和朗伯发射光斑假设一个点光源，它发射的总功率为Psource，进入到全反射圆锥内的光都能够辐射出来，辐射功率为Pescape，则对于平面LED，朗伯光斑表达式如下。60时Iair减小到1/2.（4）LEDs发射强度与温度的关系。注意负号。（和Eg有关）LED的寿命用强度定义，强度降到70%或50%所用时间。高温、大电流能加速老化。（5）白光LED的获得双色：蓝+黄三色：蓝+绿+红四色：蓝+青+绿+红2.影响LEDs亮度的因素 LEDs结构（双异质结、量子阱、电子阻挡层） 有源区、限制层的掺杂及有源区厚度 晶格失配（） 表面复合 芯片形状（垂直形状利于出光） 剥离光