光电子器件基础与技术lecture1

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1、张伟利副教授E-mail:wl_zhang@uestc.eud.cn电子科技大学通信与信息工程学院科B209028-618306521-1.激光原理-2.激光器种类-3.激光技术2激光原理与技术32.4半导体光源A.基础概念B.发光二极管（LED）C.激光二极管（LD）物理尺寸输出模场线性输出直接电流调制响应快(高调制带宽)输出功率窄线宽稳定性和效率驱动电路可靠性和成本4常用光源LD&LED光源要求物体分类导体：导电率为105s.cm-1，量级，如金属绝缘体：导电率为10-22~10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。半导体：导电能力介于导体

2、和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。5半导体特性6掺杂特性温度特性光照特性掺入杂质则导电率增加几百倍温度增加使导电率大为增加光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏器件光电器件光敏电阻光敏开关激光器7IV族半导体材料----硅Si，锗GeIII-V族化合物半导体材料---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsPII-VI族化合物半导体材料----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe半导体材料本征半导体“完全”纯净、结构完整的半导体晶体。物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体Si+14284Ge+3228184+48本征半导体的原子结

3、构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流9本征半导体中有两种载流子自由电子和空穴它们是成对出现的在外电场的作用下，产生电流，包括：电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动载流子10价带导带禁带EG半导体能带结构自由电子价电子与空穴费米能级Ef本征半导体Ef是任何温度下能级占据几率为1/2的能级11

4、电子占据Ef能级的概率为0.5当T=0K时，电子占据E>Ef的状态的几率为零本征半导体-能带结构能级占据几率12本征半导体中的载流子密度13+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5五价元素很容易贡献电子，称为施主杂质。施主杂质因提供自电子而带正电荷。自由电子是多子由杂质原子提供；空穴是少子由热激发形成。n型半导体：本征半导体中掺入的五价元素1415施主能级ED略低于导带底，在常温下大多数施主电子热激发到了导带中n型半导体中的载流子浓度+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3三价杂质留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称

5、为受主杂质。空穴是多子杂质原子提供；自由电子是少子由热激发形成p型半导体：本征半导体中掺入的三价元素1617受主能级EA略高于价带顶使价带中产生更多的空穴p型半导体中的载流子浓度PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡18内电场阻止多子扩散因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移PN结形成19扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散，扩散运动产生

6、扩散电流。漂移运动少子向对方漂移，漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0PN结稳定的空间电荷区，又称高阻区,耗尽层20PN结光电效应21内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。反向偏压－－－－++++PN+外电场—耗尽区内注入电子、空穴—辐射复合—发光_LightPN结电致发光22正向偏压发光二极管RedLEDWhiteLEDLEDfordisplaysBlueLEDLEDfortrafficlightLEDs23激光二极管激光二极管广泛用在光通信、光传感、激光打印、光计算、光

7、存储。24为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程。按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型：LED的结构和分类25双异质结LED由于导带和价带都是包含许多细微能级的能带，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，使自发发射光谱的谱线较宽LED的输出特性LED的发光光谱谱线宽度：一般为30~50nm，长波长InGaAsP/InP材料的线宽60~120nm26由于自发辐射光的方向是杂乱的，因此LED的发散角较大，垂直PN结的方向，平行PN结的方向发光二极管的响应速度受制于载流子的自发复合寿命，因此

8、减少少数载流子的寿命是提高响应速度的有效途径。一般采取高掺杂和高注入电流密度。2