第3章通信用光器件ppt课件.ppt

《第3章通信用光器件ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章　通信用光器件引言半导体光电器件的工作原理光源光电检测器光无源器件引言光发射机光接收机电端机（发送）电端机（接收）光纤输入输出引言光端机中实现电光和光电变换的主要部件是光电器件。光发射机的光源（半导体激光器LD和发光二极管LED）光接收机的光检测器（半导体光检测器PIN和APD）半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下，这些电子产生定向运动（称为漂移运动）形成电流，呈现出较

2、好的导电特性。高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚，所以其导电能力很差，用作绝缘材料。半导体材料，最外层电子既不像导体那样极易挣脱原子核的束缚，成为自由电子，也不象绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电持性介于二者之间。半导体基础知识本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。硅和锗的简化原子结构模型+4半导体基础知识本征半导体的晶体结构　　　　　　　　本征半导体

3、中的　　　（共价键）　　　　　　　　　　自由电子和空穴本征激发半导体基础知识杂质半导体之N型半导体：在本征半导体中，掺入5价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围1个硅(锗)原子组成共价键时，还多余一个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子。由于5价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。N型半导体中自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电

4、子导电，所以称为N型半导体。半导体基础知识杂质半导体之P型半导体：在本征半导体中，掺入3价元素，如硼、镓、铟等，它将在某些位置取代硅(锗)，由于杂质原子的最外层只有3个价电子，当它和周围的硅(锗)原子组成共价键时，由于缺少一个电子，形成一个空位。其它共价键的电子，只需挣脱一个原子核的束缚，就转至空位上，形成空穴。因此，在较少能量下就可形成空穴。由于3价杂质原子可接受电子形成空穴，故称为受主杂质。P型半导体中，自由电子称为少数载流子；空穴称为多数载流子。这种杂质半导体中空穴浓度远远大于电子浓度，主要靠空穴导电，所以称为P型半导体

5、。半导体基础知识PN结多数载流子的扩散示意图空间电荷区示意图P区P区N区N区半导体基础知识扩散运动：P区的空穴的浓度远大于N区空穴的浓度，所以P区的空穴会向N区扩散，并与那里的电子复合。同样，N区的电子也会向P区扩散。空间电荷区（称为耗尽层、阻挡层或势垒区）：随着上述扩散运动的进行，紧靠接触面两侧留下的空间电荷量增多，空间电荷区增宽，同时，空间电荷形成的、由N区指向P区的内建电场也就增大。这个电场一方面将阻止上述扩散的进行，另一方面将使空间电荷区的空穴向P区漂移，自由电子向N区漂移。随着内建电场的增加，扩散运动减弱，漂移运动加

6、强。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡。半导体光电器件的工作原理能级与能级跃迁本征半导体材料的能带结构半导体光电器件的工作原理光辐射与光吸收光辐射与光吸收自发辐射受激辐射光吸收(1)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目的空穴。(2)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。(3)在高能级E2的电子，受到入射光的作用，

7、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。半导体光电器件的工作原理光放大的基理：满足粒子数反转分布条件，即高能级的电子数大于低能级的电子数。半导体光电器件的工作原理电子在能级中的分布服从费米分布，即能级被电子占据的概率为：半导体光电器件的工作原理半导体中电子的统计分布本征半导体兼并型P型半导体兼并型N型半导体双兼并型半导体半导体中电子的统计分布半导体光电器件的工作原理PN结加上正向偏压时（发光原理）：在势垒区产生一个与内建电场相反的电场，内建电场减弱。它削弱了漂移运动，使扩散运动超过了漂移

8、运动，形成了流过PN结的净扩散电流。N区电子流向P区，在P区边界形成电子积累；P区空穴流向N区，在N区边界形成空穴积累。形成一个双兼并的作用区，满足粒子数反转分布条件，这些非平衡载流子可以通过自发辐射或受激辐射而发光。内电场方向正向偏压有源区半导体光电器件的工作原理PN结加上