十一章半导体发光器件.ppt

半导体发光器件,中国科学技术大学 明海,第十一章,内容提要：,§ 11.2半导体激光器概述,§ 11.3半导体激光器原理,§ 11.4半导体激光器特性,§ 11.5同质结和异质结激光器,§ 11.6分布反馈半导体激光器,§ 11.7量子阱半导体激光器,§11.1半导体发光二极管(LED),§11.1半导体发光二极管(LED),LED：材料为半导体，结构为pn结组成的，能发光 的二极管特点： 发射波长覆盖可见光——红外——远红外，结构比较简单是至今世界上应用最多，产量最多的光电产品产量巨大，价格便宜，工作稳定，使用简单发光二极管的分类：,1. 按材料分类：依据芯片的材料，外延层，掺杂杂质，可大致估计出发光二极管的颜色，波长等基本特性2.按发光颜色分类：发光二极管的发光颜色有红，橙，绿，蓝，双色，三色等多种，以及近红外和红外等不可见的发光管3. 按器件封装：封装种类很多，有环氧树脂全包封，金属底座环氧封装，陶瓷底座环氧封装，和玻璃封装等4.发光面特征：采用不同的表面封装，会有不同的效果，如半球状有会聚光的作用按封装表面的形状可分圆形，方形，矩形，面发光管，侧向发光管，微形发光管等多种。

5.按发光强度：发光强度小于10（mcd ）毫坎德拉（cd定义：波长为550nm的单色光源发光时，若其在某一方向上辐射强度为1/681W/sr ( 瓦/球面度 )则称此单色光源在该方向上的发光强 度为1坎德拉，既1cd）为普通亮度发光管，10—100mcd为高亮 度发光管，100mcd以上的称超高亮度发光管6. 按应用：有指示灯，照明灯，数码显示器，短距离光通信光源等能带:半导体晶体由于原子间的 相互作用而使能级分裂,离散的 能级形成能带 能带结构：能带分为价带，导 带和禁带 价带:晶体中原子内层电子能级 相对应的能带被电子所填满. 导带:价带以上未被电子填满或 者是空的能带 禁带:导带和价带之间的能隙.,半导体的能带结构,发光二极管原理,载流子：在热运动或其他外界激发下，价带电子激发跃迁至导带，这时导带有了电子，价带有了空穴，电子和空穴统称为载流子 在热平衡时，电子在能带中能级上的分布服费米分布：费米能级 半导体能级的一个特征参量，并非实在的能级，它由基质材料掺杂浓度和温度决定，反映电子在能级上的分布情况对于本征半导体，费米能级在禁带宽度的中间位置价带中的能级有 ，导带中的能级有,费米能级,玻尔兹曼常数,绝对温度,能帶弯曲:半导体材料加入施主杂质，成为N型材料，加入受主杂质，成为P型材料。

在P型和N型的交接处形成PN结由于载流子浓度的不同而产生扩散，直至不同的费米能级处于相等位置，这时，能带产生弯曲，形成PN结势垒 PN结：,pn结注入电致发光原理图,Pn结接触面处有一个耗尽层，形成 势垒阻碍电子和空穴的扩散当在pn结施加正向电压时，会使 势垒高度降低，耗尽层减薄，能量 较大的电子和空穴分别注入到P区 和N区，同P区和N区的电子复合， 同时以光的形式辐射出多余的能量,辐射复合可以发生在导带与价带之间 ，也可以发生在杂质能级上根据材 料能带结构的不同，将带间复合分成 直接带间跃迁和间接带间跃迁,半导体中的光发射通常起因于载流子的复合当半导体PN结加有正向电压时，使势垒下降，发生“载流子注入”这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将发生复合，从而发射出某种波长的光子由于电子与空穴复合即表示电子从导带落入价带从而光子能量基本等于禁带宽度11.2),11.3.2半导体中的光发射,自发辐射:光发射时有半导体中电子和空穴的自发复合 产生的，自发辐射光不具有单一波长半导体发光二极管（LED）的发光就基于此LED的伏安特性,LED的伏安特性图,LED的正向伏安特性与普通二极管 大致相同，如右图所示：,LED正向开启后其正向电流i与电压 u的关系是,M：复合因子,K：玻尔兹曼常数,在宽禁带半导体中，当i<0.1mA时，复合的空间电流起主要作用， 此时m＝2，电流增大，扩散电流占优势时m＝1,开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V 、 大致是1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向 击穿电压一般都在-5V以上。

亮度与电流的关系,在自发辐射情况下，若复合区载流子辐射寿命和注入载流子 浓度无关，则亮度L应与扩散电流 成正比即：,但由于存在非辐射复合以及隧道电流，亮度与电流的关系一 般为：,在低电流密度下，m＝1.3～1.5；在高 电流密度下，扩散电 流起支配作用，m＝1 和发绿光的GaP亮度在高电流密度下仍 近似地正比于电流密度地增加，不易饱和，适用于脉冲下使用LED的驱动,LED基本直流电路如右图所示在工作过程中电流不得超过规定的极限值， 因此应在电路中加限流电阻 ，其值为：,为电源电压， 和 分别为管子的 正向电压和正向电流，可在相关的产品参数表 中查的,一般说来，GaAs的电流选用20mA，GaP的电流选用10mA， 便可得到足够地亮度,LED光源的特点,电压：LED使用低压电源，供电电压在6～24V，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80％适用性：很强，每个单元LED小片是3～5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合易变环境响应时间：其白炽灯地响应时间为ms级，LED灯为ns级,,对环境污染：无有害金属汞,,颜色：改变电流可以变色，可方便地通过化学修饰方法，调整发光二极管的能带结构和带隙，实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。

价格：LED价格比较昂贵，较之白炽灯，LED的价格就可以 与一只白炽灯相当，而通常每组信号灯需300-500只LED构成发光二极管基本结构,发光二极管的结构多样,以满足不同的应用要求从pn结结构看，有GaP之类的普通二极管，结构简单，也有复杂的如单异质和双异质结构.,从发光方向看，有边发射和面发射二极管分别对应如下两种：,从封装上看，右半球形，扁形以及同光纤耦合的带尾纤TO型 等多种发光二极管的基本特征,发光二极管为半导体光电子器件，其基本特征包括电学特性， 光学特性和光电转换特性1.发光强度 ：指发光二极管在正向工作电流驱动下发出的光强普通发光二极管的发光强度较小，常用单位为毫坎德拉2.发光光谱特性：半导体中参与电子—空穴复合的能带有一定宽度，而不是能级之间的载流子复合发光，这造成发光管的发射光谱较宽，通常光谱半宽度为50～150nm,3.温度特性：半导体对温度非常敏感，无论发光波长还是发光 强度都随温度变化而变化,温升引起红移，同时温升是载流子分 布变宽，发光光谱变宽4.发光效率 和出光效率,发光效率:半导体的体内复合产生的光子数同注 入的电子—空穴对数之比，采用直接带隙半导体 可获得较高的发光效率。

出光效率:通过减少内部吸收，增大表面透过率等方法.,半导体照明,几千年来，古今中外的人们一直依靠日光、月光和火光进行照明，直到1879年爱迪生发明第一只白炽灯，真正意义上的现代文明才得以开始一百多年来，照明灯具飞速发展，白炽灯、气体放电灯和各种不同类型的灯具把城市和乡村照耀的五光十色，但在我们应用的各种灯具中有80%~90%的电力转化为为热能被白白消耗掉 半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一半导体照明光源－－发光二极管(LED)具有高效、节能、环保、长寿命、抗震、抗冲击、易维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命半导体激光器：利用半导体产生激光的器件优点：体积小，效率高，能直接利用电源对 输出激光调制激励方式：PN结注入电流激励，电子束激励,光激励，碰撞电离激励等工作物质：主要是Ⅲ～Ⅴ族，Ⅳ～Ⅵ族，和Ⅱ～Ⅵ族化合物半导体 §11.2半导体激光器概述,11.2.1半导体激光器简介,半导体激光器种类很多，可依据半导体材料，器件结构，输出功率和用途等不同方式划分1.按材料划分：激光二极管主要集中在Ⅲ-Ⅴ族的AlGaAs , GaInAsP , InGaAlP , InGaNⅡ-Ⅵ族的ZnSSe , ZnO等材料，应用最多的是AlGaAs , InGaAlP 和GaInAsP , InGaN2.按波长划分：分可见光，红外光，远红外光。

3.按应用领域分：半导体激光器主要应用于光纤通信，光盘存储，光纤传感，激光仪器等11.2.2半导体激光器的分类,波长/um,0.5,1.0,1.5,,,近红外,,,可见光,,,,,,,,,InGaAsP激光器,InGaAs激光器,AlGaAs激光器,AlInGaP激光器(红),GaN激光器(蓝),,通讯系统,,光盘,图11.2.1半导体激光器的材料、发射波长和应用分类,4.按器件结构分：半导体激光器主要以三条主线发展1）依异质结构的方式发展：同质结—单异质结—双异质结—大光腔—分离限制异质结—量子阱—量子线—量子点（2）以谐振腔的方式发展：F-P腔—分布反馈—分 布布拉格反射—垂直腔—微腔等（3）依条形结构发展：宽接触—条形结构 5.按输出功率分：小功率（通常为1～10mw），大功率（1 ～ 10w，甚至100w，1000w），脉冲功率为万瓦的激光器阵列半导体激光器,电子束泵浦的 半导体激光器,Pn结注入的二极管,光泵浦的 半导体激光器,雪崩泵浦的 半导体激光器,,,,,同质结激 光器二极管,量子阱有源区,单异质结激 光器二极管,双异质结激 光器二极管,条形激光 器二极管,光栅谐振腔 激光器二极管,大光腔激 光器二极管,沟 槽 条 形,法布里-玻罗腔 激光器二极管,SCH(分离限制) 激光器二极管,,,,,,,DBR激光 器二极管,DFB(分 布反馈),宽接触激 光器二极管,扩 散 条 形,氧化 物 条 形,解 理 耦 合 腔 形,水 平 腔 形,隐 埋 条 形,台 面 条 形,平 面 条 形,弯 曲 腔 形,衬 底 条 形,面发射激 光器二极管,图11.2.2半导体激光器结构分类,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,受激辐射:当自发辐射光子经过已激发电子-空穴对附近时，能激励二者复合产生一新的光子现象， 半导体激光二极管（LD）:若注入电流足够强，形成和热平衡态相反的载流子分布，就能形成很大的辐射密度，克服损耗，再加上谐振腔的反射反馈，便产生激光。

§11.3 半导体激光器原理,电流 如图为半导体二极管 接触 的基本结构，垂直于界面的一对平行平面可以为晶体的解理面，或经过抛光 的平面构成F-P腔，其余两侧弄粗糙，以消除其他方向的激光作用这样，可从PN结发射出单色的高定向性激光束,,输出,半导体激光二极管基本结构,§11.4半导体激光器工作特性,11.4.1光学模和光谱特性,激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个光学 纵模 当平行面之间距离为半波长的整数倍时，在激光二极管 内形成驻波，其模数可由半波长的数值得出：而模间隔由下式确定：对应dm＝－1模的间隔 为：,取dm＝－1是因为减少1对应法布里－波罗端面之间少一个半波长，即波长的增加,(11.4.2),。