第2章 发光二极管和发光二极管组件

光通信器件与技术授课教师：王天枢电话mail:wangts@2第2章发光二极管和发光二极管组件3Contents超辐射发光二极管高速发光二极管发光二极管的特性与测试发光二极管基本工作原理半导体物理基础知识LED组件4光纤通信对光源的要求峰值波长：低损耗窗口光功率：高、稳定，满足中继段要求，（大于1mW）电/光转换效率高、寿命长、可靠性高：100万小时单色性、方向性好易于调制、响应速度快强度噪声小P-I特性曲线好：线性度好5半导体物理基础知识半导体特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等

半导体又可以分为本征半导体（Intrinsic）和非本征半导体（Extrinsic）。

本征半导体：不含有杂质的半导体。在本征半导体中，电子和空穴的载流子密度是相等的。6PN结

(1）PN结的形成：动态平衡时形成PN结两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）7漂移和扩散1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移如图（A）所示。2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示。电流I。..空穴

。∙电子（A）电场作用下的漂移运动（B）空穴扩散示意8

当P型半导体和N型半导体接触时，就产生了P-N结。在交界处，N区附近电子向P区扩散，并与P区空穴结合，同时，P区空穴向N区扩散，并与N区电子结合，这样就形成了耗尽区，耗尽区没有可以移动的载流子，只剩下N区正离子和P区负离子，形成内部电场，我们称之为接触电位，用耗尽电压VD来描述这个场9

P

N+---------++++++++内电场-

+由于接触面载流子运动形成PN结示意图扩散运动漂移运动PN结变窄P

N+-R

外加正向电压示意(导电）PN结变宽P

N-+R

外加反向电压示意（截止）正向电流If反向电流IsPN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。10

根据量子理论，围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为跃迁。由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有确定的能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的一个能级。通常用若干水平线来表示电子所处的状态，即能级图。能级1112受激辐射和粒子数反转分布在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射激光全称为“辐射的受激发射光放大”(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)13hf12初态E2E1终态E2E1

受激吸收

(1)受激吸收

在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数量的空穴。14自发辐射hf12初态E2E1终态E2E1(2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。15hf12初态E2E1终态E2E1受激辐射

(3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。

16受激辐射和受激吸收的区别与联系

受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即

E2-E1=hf12

式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。

受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。

自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

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产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布

式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度（绝对温度）。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。18

受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。

如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。

N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?

19半导体的能带和电子分布：(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体PN结的能带和电子分布

在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。20根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布

式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级(Fermilevels)，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在Fermi能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

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一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见上图。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。

在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。22P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移P-N结内载流子运动势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图23hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图

增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。24

原子总是想要存在最低可能的能级上，这是自然法则。为了使原子能够向低能级跃迁从而进行光辐射的必要条件，需要先将原子提升到较高的能级，需要从外部赋予原子能量，当原子吸收了外部能量跃迁到较高的能级，当回落到低能级时就辐射出光子——发光。这个通过给予外部能量使原子跃迁到高能级的过程称为泵浦或抽运（Pump）25

受激吸收自发辐射受激辐射辐射光的波长由辐射光的能级决定，可以通过选择材料设计发射光波长。26一个电子从一个高级向低能级跃迁时，它释放出一量子的能量称之为光子。半导体发光器件：若一个电子从导带向价带跃迁时释放出光子的能量EP大于或者等于带隙能量Eg，这是由于在导带和价带之间不是一个而是多个能级参与辐射过程，这个多波长辐射的结果就是半导体发射的光的光谱宽度。光辐射与能带式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到2728一个电子和空穴的复合会释放出一个量子的能量——光子。即要使一个半导体发出辐射光，就必须要维持电子和空穴的复合。然而耗尽电压阻止了电子和空穴穿透到耗尽区，因此额外的能量必须被提供用来克服这个电压障碍，这个额外的电压被称为正偏电压，这个正偏电压必须比耗尽电压大。29

为了得到持久的光辐射，必须出现下述的动态过程：N区附近的移动电子被外加电压的正极所吸引，进入耗尽区。同时P区附近空穴被外加电压负极所吸引也进入同一耗尽区。在耗尽区电子和空穴复合产生光。同时电荷通过偏压电路返回。一般来说，半导体中电子远比空穴容易移动，因此一般描述这样的动态过程只提电子到达有效区，省略空穴的移动。30LED(Light-EmittingDiodes)工作原理LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型LED高。3132

同质结：P区、N区为同一种物质（GaAs）构成的半导体称同质结半导体，这两种半导体拥有相同的禁带宽度。PaLEDPe同质结缺点:1、激活区（电子－空穴复合区域）太发散，整个装置效率很低，需要很高电流密度。由复合产生的光起初向各个方向辐射出去，但是只在上电极一侧或者开边一侧透光窗口才允许光最终能从半导体结构中射出，所有其他可能的方向都被封住防止光外泄。2、产生的光束太宽，导致光源－光纤耦合效率低。同质结与异质结33

光纤n1n2

0

cn0n0φc34

为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构。所谓异质结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。异质结可分为单异质结（SH）和双异质结（DH）。

异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。它是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。35

异质结：由几种不同类型的半导体材料组成，每种材料有不同的禁带宽度。大规模商业化生产的光定向好的并具有可接受效率的LED都采用异质结。1、相邻层间带隙差限制了载流子激活区2、相邻层间折射率差使辐射光约束在中心有源层36

双异质结：为了进一步降低阈值电流实现室温下连续工作，通常采用双异质结结构，与单异质结相比，双异质结进一步限制了载流子的扩散和光波衍射，从而进一步降低了电流密度。37颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，张角±45°）（mcd）光功率（μW）红外900砷化镓1.3~1.5100~500红655磷砷化镓1.6~1.80.4~11~2鲜红635磷砷化镓2.0~2.22~45~10黄583磷砷化镓2.0~2.21~33~8绿565磷化镓2.2~2.40.5~11.5~8LED的主要特性38

LED的P-I特性如图所示。与半导体激光器的P-I特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。

(1）P-I特性：39

正向电流促使电子进入耗尽区，在那里它们同时以辐射和非辐射两种方式与空穴发生复合。因此，非辐射复合占用了产生辐射复合的电子数量，从而降低了这个过程的效率，我们用内部量子效率来衡量LED输入输出特性如图所示：特点:无阈值，线性范围大，当I增大，由于PN结发热，出现饱和现象。40

光功率P等于每秒通过的光子数目与单个光子能量EP的乘积。而每秒通过的光子数目等于每秒通过的受激电子数目与内部量子效率的乘积，我们可以得到公式：

每秒通过的电子数目与电子电量e的乘积就是电流I的定义：内部量子效率（internalquantumefficiency）：输出光子数与注入电子数之比41外部量子效率

半导体内产生的光子，通过半导体向外传播时，由于受到半导体的吸收，被半导体表面反射，通常用外量子效率来描述。考虑到耦合效率，实际上耦合进光纤的光功率更少。42

(2）光谱特性以及温度依赖性：

由于在发光二极管中没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。在室温下，短波长GaAlAs-GaAsLED谱线宽度为30～50nm，长波长InGaAsP-InPLED谱线宽度为60～120nm。随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向漂移，其漂移量为0.3nm/℃左右。4344VBR—反向击穿电压指二极管加反向电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。IR（IS）—反向饱和电流指二极管加反向电压时，在没有击穿前的电流。越小越好。一般几nA到几μA。

(3）U-I特性：IF—最大整流电流指正常功率下的正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百mA。45

(4）调制特性：

LED有两种调制方式－模拟调制和数字调制，如下图所示。

46LED的带宽主要由注入有源区的载流子寿命时间τe的限制，τe一般为10-8s的量级，发光二极管的频率响应可以表示为：式中：P(0)是0频率下LED的发射光功率；P(f)是调制频率f下LED的输出光功率。其调制的最高频率通常只有几十MHz，从而限制了LED在高速光通信中的应用。47边发射EdgeEmittingLEDlDl=70nm面发射

SurfaceEmittingLEDlDl=135nmLED结构48面发射（SurfaceEmitting）LED辐射模式

指发出的光垂直于PN结平面的LED。1969年由布鲁斯提出。PN结面积小有利于迅速散热，可在较高电流密度下工作。特点是在N型材料上腐蚀一个出光孔，减少了吸收损耗，提高效率并有利于和光纤耦合。SLED输出功率较大，一般在100mA有几mW输出。主要用于低码率短距离光纤通信系统。49Lambertian光源辐射图辐射光的形式为朗伯（lambertian）光源在LED衬底上蚀刻一个小孔使发射的光直接耦合进光纤衬底上发光区域垂直于光纤轴用折射率匹配的环氧树脂涂在结合处提高耦合效率面发射LED特点50PaLEDPe若LED发出的光为朗伯光，那么被耦合进一个数值孔径为NA的阶跃折射率光纤的光功率可以用下面公式计算：思考51边发射（EdgeEmitting）LED

辐射模式

又称侧面发光管（ELED），发射光平行于PN结平面的发光管。这种LED工作时把注入的电流限制在窄条内。由于异质结波导效应，在垂直于结平面方向具有较小发散角。虽然总功率相对SLED小，但是光束集中，和光纤耦合效率高。另外由于有源层很薄，截止频率可以做得较高，一般在50～100MHz，可用于传输速率在三次群以上更快光通信系统。52主要的激活区是一个窄带.半导体后部被抛光有很高的反射率，前部是采取抗反射的措施，发射的光从后部反射到前面，再发射出去。激活区通常100-150µm长50-70µm宽，这样设计是为了和典型的光纤纤芯尺寸匹配（50-100µm）。与面发射相比，和光纤纤芯有更好的耦合效率。边发射LED

特点53和光纤的耦合54高速发光二极管

一般对于短距离光网络系统应用，倾向于LED而不是LD，主要是因为LED低成本、高温度稳定性、高可靠性、相对较宽的工作温度范围、低噪声以及简单的控制电路。但是小的带宽和入纤光功率限制了它在短距大容量系统中的应用。因此对于光纤传输系统而言，要求LED有高输出功率和宽的调制带宽。对于高速系统而言，宽的调制带宽是第一需要。这就需要增加二极管有