2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体激光

半导体激光

12半导体激光和固态红宝石激光及氦氖气体激光比较：共性：方向性很强的单色光束，谱线较LED的窄。不同之处：半导体激光较其他激光体积小；在高频时易于调制，只需要调节偏电流即可。应用：光纤通信中的光源，录像机、光学刻录机及高速激光打印机等。基础研究与技术领域，高分辨率气体光谱学及大气污染监测等。都具有直接禁带：动量守恒，辐射性跃迁几率较高，量子效率高。激光半导体材料半导体激光3光子和固体内电子间三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。原子内的两个能级E1（基态）和E2（激发态），hν12=E2-E1。激发态原子不稳定，经短暂时间后，无外来激发就跳回基态，并放出一个能量为hν12的光子，这个过程称为自发辐射[图(b)]。能量为hν12的光子撞击一原本在激发态的原子[图(c)]，使得此原子转移到基态，并放出一个与入射辐射同相位（相干）、能量为hν12的光子（单色）。此过程称为受激辐射。4发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则是受激辐射，而光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。假如光子受激辐射>光子吸收，则电子在较高能级的浓度会>在较低能级的浓度。这种情况称为分布反转，因其与平衡条件下的情况恰好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件。受激辐射远比自发辐射和吸收来得重要。半导体被光照射，如果hν=Eg，则半导体会吸收光子产生电子-空穴对，如(a)所示。若hν>Eg，则除产生电子-空穴对外，(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁（能带至能带的跃迁）。若hν<Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE55金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。金半接触当金属与半导体紧密接触时，两种不同材料的费米能级在热平衡时相同；此外，真空能级也必须连续。这两项要求决定了理想金半接触的能带图，如图所示。理想状况下，势垒高度q

Bn为金属功函数与电子亲和力之差。图中的半导体侧，Vbi为电子由半导体导带上欲进入金属时遇到的内建电势。qVn为导带底与费米能级间的距离。6肖特基势垒指一具有大的势垒高度（即

Bn或

Bp>>kT/q），以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属-半导体接触。工作在适当温度（300K）的肖特基二极管，其主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子发射越过接触势垒而进入金属中。肖特基势垒

正常工作情况下，少数载流子电流大小比多数载流子电流少了几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极性器件，亦即主要由一种载流子来主导导通的过程。金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体主体或串联电阻可忽略不计时，被定义为欧姆接触。良好的欧姆接触不会严重降低器件性能，且通过电流时所产生的电压降比降落于器件有源区的电压降要小。欧姆接触7金半场效应晶体管（MESFET）具有三个金属-半导体接触。其中，一个肖持基接触作为栅极，两个当作源极与漏极的欧姆接触。MESFETMESFET原理结构如下图所示。源极接地，栅极电压与漏极电压以源极为参考。正常情况下栅压为零或是反偏，而漏极电压为零或正偏，即VG≤0而VD≥0。沟道为n型材料称为n沟道MESFET。大多数应用是采用n沟道MESFET而非p沟道MESFET，因为n沟道器件具有较高的电子迁移率。8注意各种结构的能带图书中所提到的物理参数的符号要能看得懂作业3）.在处利用，并用，，得到＝求得4）.把整个基区复合电流取为这样，根据基区输运因子的定义便得到式中采用了以下近似：对于y

1，有。把式（4）代入式（6）并使用，便得到（5）（7）2．利用和之间的关系证明：式中证明：

3．根据基区电荷控制方程导出：解：在（2-107）式中，用代替（0），用代替，并用代替，便得到正常有源模式的基区电荷控制方程

在稳态条件下，依赖于时间的项取为零。基极电流可表示为（3-63）其中：把使晶体管进入饱和的基极电流表示成，当进入饱和时，总电荷为，电荷控制方程变为式中为过量的电荷存贮量，为与去除相关的时间常数。当突然把基极电流从改变到时过量电荷开始减少，但有源电荷在和之间保持不变。于是在这段时间内可以令（1）以及（2）于是有：或

（3）（3）式即贮存电荷所满足的微分方程。在时，令方程（1）中的时间依赖项为零，并利用（2）式得到过量电荷为：这是方程（3）的初始条件。方程（3）的解为：在时，全部过量少数载流子被去除掉，。因此求得4．导出基区穿通电压基区穿通时取BC结空间电荷区向基区扩展的宽度近似为冶金结宽度

，忽略BE结在零偏和正偏时的SCR宽度，则

（4）

（5）（6）（见习题2.5）击穿时，则

科尔克（Kirk）效应在平面型外延晶体管中，外延层的掺杂浓度低于基区掺杂浓度。因而，集电结耗尽层大部分向外延层内扩展，由于耗尽层含有正电荷的固定离子。当发射极电流增加时，