半导体光电器件第二章.pptVIP

方程的解表明： 谐振腔中的电磁振荡不是任意的，它只能是一些基本振荡的叠加，这些基本振荡是由(m，n，p)确定的，每一组(m，n，p)对应一种基本振荡方式。每一组(m，n，p)对应的振荡频率为 每组(m，n，p)对应一种驻波。它是波矢为 的平面波在腔体周围六个面上来回反射而形成的。举例说明： 逸出概率 2、输出光功率与转换效率 半导体激光器是一个将电能转换成光能的器件。激光器的光电转换效率是标志一个激光器性能好坏的重要参数。为了提高激光器的输出效率，首先要提高其转换效率。 在激光器上加上正向电压后，由于载流子注入，电子和空穴复合，在有源区内会形成受激辐射，由上一章的讨论知道复合发光的比例即内量子效率ηi： 单位时间内射出的光子数等于激光器总的输出光功率Pe除以每个光子的能量，即 。光子能量与禁带宽度Eg和结电压V有如下关系 单位时间内到达有源区的载流子数为I/q。其中I为通过p-n结的总电流，q为电子电荷。因此，这种激光器的外量子效率为 实际上由于体内存在吸收，有源区内产生的光子并不能全部射出，实验中只能测到从激光器射出的光子数。因此，定义外量子效率ηe： 右图为GaAs激光器的输出功率Pe和注入电流I的关系曲线。从图中我们可以看出，当注入电流低于阈值Ith时，辐射光是自发辐射，输出功率很低，转换效率也很低，但当注入电流高于阈值时，输出功率随电流的增加迅速增大，图中直线的斜率显著增大。这就是说外量子效率是工作电流的函数，随电流的增加在一定范围内，外量子效率也增大。因此，单说外量子效率还不足以说明激光器的转换效率，还必须说明在什么电流下的转换效率，这样很不方便。实际应用中往往采用微分量子效率ηD，其定义为 GaAs激光器输出功率与输入电流关系 式中It和Pt分别为阈值电流和与之相应的输出光功率。 由于实现激射以后的输出光功率要远远大于阈值光功率，即Pext?Pt，则 ηD实际上就是光功率-电流曲线上IIth即达到阈值之后的曲线的斜率，因此有微分量子效率之称。就是激光器达到阈值电流之后的外量子效率，它与工作电流无关。 GaAs激光器输出功率与输入电流关系 (2.94) 如果只考虑受激发射，在电流高出阈值时，设有源区内出射光功率与由吸收所引起的损耗Pa之和为总功率Pi，即 则光子从激光器出射到腔外的概率即逸出概率为Fi 如果把发射到腔外的光功率Pe看成是端面损耗，则有源区内的总功率Pi可以看作是端面损耗与内部损耗之和，与阈值条件(2.35)比较，逸出概率Fi可写为 在激射情况下，得到 上式给出了微分量子效率ηD与内量子效率ηi以及激光器结构参数之间的关系。我们可以利用改变腔长L，测出Pext、I、It，利用(2.94)式求出ηD ，再以ηD-1~L作图，可得直线的纵坐标的截距为ηi-1，由直线的斜率可求出α。 GaAs激光器微分量子效率与腔长的关系 上面我们讨论了激光器的转换效率，只限于载流子克服p-n结势垒而作功，但实际上电能转换成光能时，还有一部分电能消耗在器件的体电阻和欧姆接触上面。这种功耗尽管我们可以把体电阻和接触电阻做得很小，但在大电流工作状态下，也是不可忽略的。因此引入功率效率ηp，定义为 由(2.94)式知 所以当电流很大时，Ｉt较Ｉ相比可以忽略，这样 由此可见，要提高功率效率，关键在于提高微分外量子效率，同时降低器件的串联电阻，或适当的控制在较小的工作电流下运转。 R：激光器的总串联电阻，包括体电阻和欧姆接触电阻 I：工作电流 V：p-n结正向电压降。 3、光谱特性 GaAs结型激光器是以电流注入形式产生受激发射的， (a)在注入电流小于阈值时，以自发辐射为主，辐射光谱比较宽； (b)在注入电流大于阈值时，由于中心频率最先达到阈值，而且增益速度快，中心频率急剧增加，谱线强烈变窄。 与其它固体激光器和气体激光器相比，半导体激光器发射的激光光谱仍然要宽得多。这时因为半导体激光器产生激光时，粒子数反转分布并不是发生在两个分立的能级之间，而是在两个能带（导带和价带）之间，每个能带又包含许多的能级，这就使得复合发光的光子能量有一个较宽的范围，从而使得半导体激光器的谱线宽度大一些，也就是说单色性差一些。 * * 2.2 同质结型半导体激光器 以GaAs结型激光器作为代表。上一节中我们讨论了一般均匀介质的受激发射和受激吸收，当激活介质是半导体时，处理方法类似，但有个重要区别，在一般固体或气体激光器中，辐射跃迁是在分立能级间发生的，而在半导体中，相应的辐射跃迁是在两个宽的能带之间进行的，由于半导体材料的能带结构和载流子的统计分布性质，使半导体的受激发射和受激吸收较前面的双能级系统更为复杂。为便于分析，我