半导体发光的基本原理.ppt

11.半导体发光的基本原理,组员：许婷婷 郭平 吴科星 刘文强,11.1晶体中光产生和吸收微观模型 11.2半导体发光原理 11.3激光生成,11.1 晶体中光产生和吸收微观模型,集成电路常用的光源： 1 半导体激光器 2 发光二极管 优点： 1 尺寸小 2 混合集成度高 3高频调制 4 高效耦合,直接跃迁,直接带隙材料 间接带隙材料。,间接跃迁,跃迁的过程如图所示： 电子吸收了一个光子同时又吸收（释放）一个声子，这种跃迁叫做间接跃迁。,跃迁概率,间接跃迁 VS 直接跃迁,其他跃迁,带内的吸收可以是电子在导带的也可以是空穴在价带的。施主能态到导带的电子跃迁和受主能态到价态的空穴跃迁,11.2 半导体发光,半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量 1.自发辐射 电子和空穴随机结合 2.受激辐射 由光激发使电子和空穴的结合,自发辐射,电子从高能级自发的发射到低能级 直接跃迁： 间接跃迁：,泵浦,1.光束泵浦 结合的典型时间 10-11s 0.25s,2.P-N结加偏压泵浦（电致发光）,发光二极管,优点 1在很高的频率进行 调制 2耦合到微米量级的光 波导中 应用：平板指示灯和显示器件,发光效率,提高发光效率： 1.减小PN结的相应结区 2.选择吸收系数低的材料,N型半导体,P型半导体,受激辐射,在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发射一个与外来光子有相同的频率，方向，相位和偏振光子 外部辐射可以是其他自发辐射也可以是样品中的受激辐射，并不一定是外部辐射场。,受激和自发辐射对比,自发辐射：随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振状态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。,波尔兹曼分布方程： 稳态情况下，,对入射光子能量的要求,11.3激光的生成,激光的阈值： 光在谐振腔中的工作物质里传播时，会存在各种损耗，只有当光在腔内来回一次所得到的增益大于或等于各种损耗之和时，才能形成激光输出。,激光的工作原理,在介质中存在粒子数反转的情况下，当增益一旦超过损耗时，光强将以指数形式增加，随着光在两反射面之间的来回反射，放大过程不断重复，就可得到激光。,产生激光的条件,稳定的光学谐振腔； 在谐振腔内传播时满足阈值条件； 外部能量泵浦使粒子数反转,v,LD和LED的发光效率,一般来说，激光的效率要比同样材料做的发光二激光的效率高一百倍。激光的优势体现在以下几点： 1.减少了内部的再吸收 2.更好的准值 3.更高的内部量子效率,光学谐振腔,作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的方向性和单色性、高亮度的激光束 光学谐振腔是产生激光的必要装置之一 结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两个反射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜 稳定腔：近轴光纤在谐振腔内部来回反射时，光线离轴的高度不会无限大，称此为稳定腔,稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率半径为R1，R2，光学谐振腔的稳定条件为 1(1-L/R1)(1-L/R2)0 不满足上条件的腔称非稳定腔。费稳定腔光线逸出的多，又称高损耗谐振腔。 R1=R2的稳定腔称对称腔,三种激光器的典型结构,1、固体激光器 红宝石激光器 在工作物质红宝石中 掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源，上下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶体中部分Al离子的位置，氙灯发出激励光时，被处于基态的络离子吸收跃迁到高能级，向低能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。,2.染料激光器,平面光栅的作用： 改变光栅的倾斜角 度，用来调节光栅 衍射角，使某一波长的光能在谐振腔纵轴向产生衍射极大而形成光振荡，发射单一的激光,3.气体激光器,以氦氖激光