半导体发光的基本原理

11.半导体发光的基本原理组员：许婷婷郭平吴科星刘文强半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第1页!11.1晶体中光产生和吸收微观模型11.2半导体发光原理11.3激光生成半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第2页!11.1晶体中光产生和吸收微观模型

集成电路常用的光源： 1半导体激光器 2发光二极管优点： 1尺寸小2混合集成度高3高频调制4高效耦合半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第3页!半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第4页!间接跃迁

跃迁的过程如图所示：

电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个声子，这种跃迁叫做间接跃迁。

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第5页!其他跃迁

带内的吸收可以是电子在导带的也可以是空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和受主能态到价态的空穴跃迁半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第6页!自发辐射

电子从高能级自发的发射到低能级

直接跃迁：

间接跃迁：半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第7页!

2.P-N结加偏压泵浦（电致发光）

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第8页!发光效率

提高发光效率： 1.减小PN结的相应结区 2.选择吸收系数低的材料半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第9页!N型半导体半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第10页!受激辐射

在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发射一个与外来光子有相同的频率，方向，相位和偏振光子

外部辐射可以是其他自发辐射也可以是样品中的受激辐射，并不一定是外部辐射场。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第11页!波尔兹曼分布方程：稳态情况下，

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第12页!11.3激光的生成激光的阈值：

光在谐振腔中的工作物质里传播时，会存在各种损耗，只有当光在腔内来回一次所得到的增益大于或等于各种损耗之和时，才能形成激光输出。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第13页!产生激光的条件稳定的光学谐振腔；在谐振腔内传播时满足阈值条件；外部能量泵浦使粒子数反转半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第14页!半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第15页!光学谐振腔作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的方向性和单色性、高亮度的激光束光学谐振腔是产生激光的必要装置之一结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两个反射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜稳定腔：近轴光纤在谐振腔内部来回反射时，光线离轴的高度不会无限大，称此为稳定腔半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第16页!三种激光器的典型结构 1、固体激光器

红宝石激光器在工作物质红宝石中掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源，上下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶体中部分Al离子的位置，氙灯发出激励光时，被处于基态的络离子吸收跃迁到高能级，向低能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第17页!3.气体激光器以氦氖激光器为例。工作物质为8:1混合气体密封在放电管A内，激励源是3KV以上的直流电源经C,C’接入采用反射峰在λ0的反射面，可抑制其他波长光波的谐振，得到单色输出激光。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第18页!半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第19页!半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第20页!直接跃迁

直接带隙材料间接带隙材料。

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第21页!跃迁概率

间接跃迁

VS 直接跃迁

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第22页!11.2半导体发光

半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量 1.自发辐射电子和空穴随机结合

2.受激辐射由光激发使电子和空穴的结合半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第23页!泵浦

1.光束泵浦

结合的典型时间10-11s0.25s

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第24页!发光二极管

优点1在很高的频率进行

调制 2耦合到微米量级的光

波导中

应用：平板指示灯和显示器件半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第25页!半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第26页!P型半导体半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第27页!受激和自发辐射对比自发辐射：随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第28页!对入射光子能量的要求

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第29页!激光的工作原理在介质中存在粒子数反转的情况下，当增益一旦超过损耗时，光强将以指数形式增加，随着光在两反射面之间的来回反射，放大过程不断重复，就可得到激光。半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第30页!v半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第31页!LD和LED的发光效率

一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点： 1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值 3.更高的内部量子效率

半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第32页!

稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率半径为R1，R2，光学谐振腔的稳定条件为 1>(1-L/R1)(1-L/R2)>0

不满足上条件的腔称非稳定腔。费稳定腔光线逸出的多，又称高损耗谐振腔。 R1=R2的稳定腔称对称腔半导体发光的基本原理共37页，您现在浏览的是第33页!2.染料激光器

平面光栅的作用：

改变光栅的倾斜角

度，用来