半导体激光器与发光二极管研讨.ppt

* * 其中n－InGaAsP是发光的作用区，作用区的上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用区之间形成异质结。最下面一层n－InP是衬底，顶层P+-InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条形电极。 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 * * 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 二、工作原理 为便于说明半导体激光器的机理，先介绍半导体的能带分布： 1、半导体的能带分布 2、P型和N型半导体的形成 N型半导体：将向本征半导体材料掺入提供电子的杂质元素后而形成的半导体材料，叫做N型半导体。它属于电子导电型。 ①通常状态下：本征半导体的电子和空穴是成对出现的，Ef位于禁带中央（如图3.11a）。 ②N型半导体中的特点是：导带电子多，价带空穴相对减小，Ef增大（如图3.11b）。 ③P型和N型相反。将向本征半导体材料掺入提供空穴的杂质元素后而形成的半导体材料，叫做P型半导体。它属于空穴导电型。特点是：导带电子减少，价带空穴相对增多，Ef减少（如图3.11c）。 * * 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， Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 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。 * * P 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； PN结的能带和电子分布 * * 势垒 能量 E p c P 区 E n c E f E p v N 区 E n v 零偏压时P - N结的能带倾斜； 3、P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生 当给PN结外加正向偏压（P＋、N－）后，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结，破坏了原来的热平衡，在P－N结出现了两个费米能级。 当外加正向偏压后,N区电子向P区移动，P区空穴向N区移动，能带倾斜减小，扩散增大。获得N2＞N1。粒子数反转分布，在空穴电子扩散过程中，导带电子跃迁到价带和空穴复合，产生自激辐射光（如图3.14）。 由图知： ①在N区，由于E＜EfN，则各能级被电子占据的概率＞ ，表示处于高能级N区的粒子数增多。 ②在P区，由于E＞EfP ，概率＜ ，表示处于低能级P区的粒子数减少。 ③由上述两点：说明在外加正偏压后，在P－N结区，出现了高能级的粒子多，低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态。(*5) ④当P-N结上外加的正偏压足够大时，将使得结区处于粒子数反转分布状态，即出现受激辐射大于吸收情况，可产生光的放大作用，被放大的光在由P-N结构成的光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜M1、M2，是由半导体材料的天然解理面形成的。）中来回反射，不断增强。当满足阈值条件后，即可发出激光。 * * h f h f E f E p c E p f E p v E n c n E n v 电子， 空穴 内部电场 外加电场 正向偏压下P - N结能带图 获得粒子数反转分布 * * 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。 三、半导体激光器的工作特性 半导体激光器属于二极管的范畴，除具有一般的伏安特性外，还具有以下的特殊的光频特性（如图3.15所示）。 1、阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值叫阈值电流。用It表示。 阈值：是光学谐振腔中的最低振荡条件，当满足一定的条件（阈值），就产生激光。