315 发光二极管与雷射CARoss, 材料科学与工程学系参考数据.PDF

3.15 发光二极管与雷射 C.A.Ross, 材料科学与工程学系 参考数据：Pierret 第9.4章；发光二极管可参考材料研究学会期刊2001年10月第764 页；雷射可参考Solymer 及Walsh第12章 发光机制 阴极发光(光由电子撞击产生) 硫化锌 +银 (蓝), 硫化(锌,隔) +铜 (绿), 硫化二氧二钇 +铕, 铽(红) 光致发光(光由紫外光照射产生) 磷光体，二氧化钛 电致发光(光由电激发所产生) 发光二极管或半导体雷射 发光二极管：在顺向偏压时，电子+ 电洞在pn接面的地方复合：直接或非直接带对 带复合，发生在捕获或杂质中心，或在激子。 发光颜色是由能隙决定，改变三-五或二-六族材料的组成可控制能隙。晶格参数是 重要的，因其决定材料在基板上成长的好坏，即：会有多少的缺陷产生。 红：直接能隙，(Al Ga )As ，采用 x = 0.5 ，发光波长 670 nm (1.85 eV) x 1-x 绿：氮掺杂非直接能隙GaP，在此氮会产生捕获能阶；或直接能隙(AlInGa)P 蓝：非直接能隙SiC，或直接能隙InGaN或AlGaN波长在450 nm (2.75 eV) 红外光：InGaAsP 在 1.1 – 1.7 eV 使用异质接面可将光被再吸收的程度降至最小 雷射(受激辐射所导致的光波增强) ，光放大器 吸收机率= B13 受激辐射机率= B31 自发辐射机率= A31 假若受激辐射超过自发辐射，光可被增强 假如N 个原子在能阶1，N 个在能阶3，E = hν 是能阶1与3之间的能量差，且ρ(ν )dν 1 3 31 31 31 表示频率为ν 时, 在宽度dν为之频带间的光子数(即ρ(ν)是光子能量密度) ，那么 31 光在dν范围的吸收率 R = N B ρ (ν )dν 13 1 13 31 光在dν范围的放射率 R = N B ρ (ν )dν + N A dν 31 3 31 31 3 31 平衡时R13 = R31 并且N = N exp (-hν /kT) 3 1 31 因此ρ (ν )dν = A /{ B exp (hν /kT) – B } dν 31 31 13 31 31 黑体辐射的蒲郎克表示式给出所有频率的光子能量分布, 对于所有的ν 3 3 ρ (ν )dν = {8π hν /c }/{exp (hν /kT) - 1} dν 比较两个表示式，暗示着 B13 = B31 及 A31/B31 = 8π hν (爱因斯坦关系式) 通常N N ，所以吸收比受激辐射更常发生 3 1 为了放大，需使粒子数反转，即N N 以使增益 1 。N N 保证受激辐射超过吸 3 1 3 1 收。 增益=每一入射光子产生的光子数∝ (N – N ) B ρ (ν )dν 3 1 31 31 在ν 附近一小范围的波长，其增益超过1。 31 粒子数反转可由激发原子到高能阶造成3阶或4阶系统，这些原子缓慢的从高能阶衰 减至低能阶。激发需要较高于hν 的能量。 31 在铝钇铝石榴石雷射中的Nd3+原子能态是4阶的系统，发出波长1.064µ m (红外 光)