半导体LED原理.ppt

第四章光源 主要内容 半导体物理简介发光二极管 LED 半导体激光器 LD 4 1光源的物理基础 半导体物理原子的能级 能带以及电子跃迁自发辐射与受激辐射半导体本征材料和非本征材料 原子核 电子 高能级 低能级 孤立原子的能级 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值 只能取特定的离散值 离散轨道 这种现象称为电子能量的量子化 电子优先抢占低能级 N个原子构成晶体时的能级分裂 N 4 N 9 当N很大时能级分裂成近似连续的能带 满带 各个能级都被电子填满的能带 禁带 两个能带之间的区域 其宽度直接决定导电性 能带的分类 空带 所有能级都没有电子填充的能带 价带 由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带 禁带的宽度称为带隙 导体 绝缘体和半导体 导体 导 价带电子 绝缘体 无价带电子禁带太宽 半导体 价带充满电子禁带较窄 外界能量激励 满带电子激励成为导带电子 满带留下空穴 光作用下的跃迁和辐射 E2 E1 hv E1 E2 a 受激跃迁 hv E1 E2 b 自发辐射 非相干光 hv E1 E2 c 受激辐射 相干光 hv hv hv N1 处于低能级的粒子数量 价带电子数 N2 处于高能级的粒子数量 导带电子数 价带空穴数 1 N1 N2 正常粒子数分布 光吸收大于光辐射 当光通过这种半导体时 光强按指数衰减 2 N2 N1 粒子数反转状态 光辐射大于光吸收 当光通过这种半导体时 会产生放大作用 半导体粒子分布状态 问题 如何得到粒子数反转分布的状态 硅的晶格结构 硅的晶格结构 平面图 本征半导体材料Si 电子和空穴是成对出现的 Si电子受到激励跃迁到导带 导致电子和空穴成对出现 此时外加电场 发生电子 空穴移动导电 导带EC 价带EV 电子跃迁 带隙Eg 1 1eV 电子态数量 空穴态数量 电子浓度分布 空穴浓度分布 空穴 电子 本征半导体的能带图 电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁 电子或空隙的浓度为 其中为材料的特征常数 kB为玻耳兹曼常数me电子的有效质量mh空穴的有效质量 本征载流子浓度 例 在300K时 GaAs的电子静止质量为m 9 11 10 31kg me 0 068m 6 19 10 32kgmh 0 56m 5 1 10 31kgEg 1 42eV可根据上式得到本征载流子浓度为2 62 1012m 3 As 4 As 5 非本征半导体材料 n型 掺入第V族元素 如磷P 砷As 锑Sb 后 某些电子受到很弱的束缚 只要很少的能量DED 0 04 0 05eV 就能让它成为自由电子 这个电离过程称为杂质电离 施主杂质 施主能级 被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带 施主能级 电子能量 电子浓度分布 空穴浓度分布 施主杂质电离使导带电子浓度增加 非本征半导体材料 p型 掺入第III族元素 如铟In 镓Ga 铝Al 晶体只需要很少的能量DEA Eg就可以产生自由空穴 B 受主杂质 受主能级 被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级受主能级位于靠近价带EV的禁带中空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴 电子浓度分布 空穴浓度分布 受主能级电离使导带空穴浓度增加 电子能量 在热平衡的条件下 对于 非 本征半导体 两种载流子的乘积等于一个常数 浓度作用定律 本征材料 电子和空穴总是成对出现 非本征材料 一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少 多数载流子 n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴少数载流子 n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 pn结 2 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动 1 浓度的差别导致载流子的扩散运动 反向偏压使耗尽区加宽 扩散运动被抑制 只存在少数载流子的漂移运动 正向偏压使耗尽区变窄 扩散 漂移 n型 p型 电致发光 正向偏压使pn节形成一个增益区 导带主要是电子 价带主要是空穴 实现了粒子数反转 大量的导带电子和价带的空穴复合 产生自发辐射光 外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光 hv 直接带隙 导带的最低位置位于价带最高位置的正上方 电子空隙复合伴随光子的发射 III V族元素的合金 典型的如GaAs等 间接带隙 导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方 电子空隙复合需要声子的参与 声子振动导致热能 降低了发光量子效率 发光材料的选择 例子 光源硅集成还在探索中 Luxtera4 10 Gb s光收发器照片 主要内容 半导体物理简介发光二极管 LED 半导体激光器 LD 4 2发光二极管 LED 原理 外加电场实现粒子数反转 大量电子 空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED 1 驱动电路简单2 不需要温控电路3 成本低 产量高缺点 4 输出功率不高 几个毫瓦5 谱宽很宽 几十个纳米到上百纳米应用场合 短距离传输 同质pn结 存在的问题 增益区太厚 1 10mm 很难把载流子约束在相对小的区域 无法形成较高的载流子密度无法对产生的光进行有效约束 同质pn结 两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 pn结区的完全由载流子的扩散形成 双异质结构 异质结 0 3mm 不连续的带隙结构加强对载流子的束缚 不连续分布的折射率加强对产生光子的约束 面发光二极管 优点 LED到光纤的耦合效率高 载流子注入 边发光二极管 优点 与面发光LED比 光出射方向性好缺点 需要较大的驱动电流 发光功率低 载流子注入 30 120 化合半导体材料 直接带隙材料 用于做光源 如III V族化合物 由Al Ga In和P As Sb构成的化合物 LED光源的材料和工作波长 单质半导体材料 间接带隙材料 不适合做光源 LED基本材料 Ga1 xAlxAs 砷化镓掺铝 800 850nm短波长光源 In1 xGaxAsyP1 y 磷化铟掺砷化镓 1000 1700nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙 也就决定了发光波长 合金比率与发光波长的关系 LED的输出光谱 特点 1 自发辐射光 LED谱线较宽2 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3 长波长光源谱宽比短光源宽 短波长GaAlAs GaAs谱宽30 50nm 长波长InGaAsP InP谱宽60 120nm LED的内部量子效率和内部功率 内量子效率hint 那么LED的内部发光功率为 例 一双异质结InGaAsP材料的LED 其峰值波长为1310nm 辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30ns和100ns 驱动电流为40mA 可以得到 可以得到LED的内部发光功率为 其中T f 为菲涅尔透射系数 假定外界介质为空气 n2 1 外量子效率为 例 LED典型的折射率为3 5 那么其外量子效率为1 41 即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去 和 LED的外部量子效率和外部功率 LED的P I特性 驱动电流较小 LEDP I特性线性度好驱动电流较大 pn结发热产生饱和现象 曲线斜率减小通常 LED工作电流为50 100mA 输出光功率为几毫瓦 LED的频率响应可以用下式求解 式中w为调制频率 P w 为输出光功率 e为注入载流子寿命 当wc 1 e时 P wc 0 707P 0 在接收机中 检测电流正比于光功率 光功率下降到0 707时 接收电功率下降到0 7072 0 5倍 即下降了3dB 因此wc定义为截止频率 LED的调制特性 适当增加工作电流 载流子寿命缩短 调制带宽增加 一般地 f面 20 30MHzf边 100 150MHz 不同载流子寿命下的LED调制曲线 光电检测器平方检波机制导致了所谓的光调制系统电和光3 dB带宽定义的区别 光调制系统的电和光3 dB带宽的区别 前面所提及的wc应为电3 dB带宽 从电的角度看 光电检测器输出电功率变为原来一半 即系统输出光电流变为0 707时所对应的频率定义为3 dB带宽 即电3 dB带宽 光调制系统的电3 dB带宽 从光的角度看 LED输出光功率变为原来的一半时所对应的频率定义为光3 dB带宽 此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1 2 光调制系统的光3 dB带宽 输出光功率线性范围宽 P I特性 性能稳定寿命长制造工艺简单 价格低廉输出光功率较小谱线宽度较宽调制频率较低这种器件在小容量 短距离系统中发挥了重要作用 关于LED的小结 主要内容 半导体物理简介发光二极管 LED 半导体激光器 LD 半导体激光器的原理和结构半导体激光器的种类激光器的外量子效率 半导体激光器的调制温度特性 4 3半导体激光器 LD LD的原理和结构 激光 英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 受激辐射的光放大 的缩写 激光器产生激光的条件是 粒子数反转 LED也具备 产生大量的受激辐射光反馈 光放大 增益 损耗 相位条件 波长选择 光反馈 光学谐振腔 1 将工作物质置于光学谐振腔 F P腔 2 光的产生及方向选择1 少数载流子的自发辐射产生光子2 偏离轴向的光子产生后穿出有源区 得不到放大3 轴向传播的光子引发受激辐射 产生大量相干光子 3 通过来回反射 特定波长的光最终得到放大 并被输出 法布里 珀罗 F P 谐振腔 法布里 珀罗 F P 激光器立体图 同质结和 双 异质结 双异质结优点 限制载流子和光子 降低对阈值电流的要求 阈值条件 光在谐振腔内传播 包括 1 增益介质的光放大2 损耗 A 工作物质的吸收B 介质不均匀引起的散射C 端面反射镜的透射及散射 幅度条件 增益能克服损耗相位条件 光经反射回到初始位置时与原来相位一致 g 为增益系数 为材料损耗系数 当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后 电场分量为 能量为hn的光子的辐射强度E 在腔内随传播距离z变化 谐振腔的光传播 要能在腔内产生稳定的振荡 需要满足下列关系 在空间中传播的光电场分布可以表示为 和 b 2L 2mp 光幅度放大 光相长放大 传播五周的相位5p 3 传播五周的相位5p 3 传播四周的相位4p 3 传播四周的相位4p 3 传播三周的相位p 传播三周的相位p 传播两周的相位2p 3 传播一周的相位p 3 传播两周的相位2p 3 传播一周的相位p 3 e jb 2L 1或b 2L 2kp 假设相位变化b 2L p 3 对于空间某点 初始时刻的相位0 初始时刻的相位0 因此有幅度条件 和相位条件 幅度条件和相位条件 上式表明 激光器只能产生一些离散的波长 每个波长称为激光器的一个纵模 相邻两波长 纵模 之间的波长之差约为 增益与波长的关系 其中l0为中心波长 输出光谱 多纵模 如果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术 LED与LD的光谱比较 LED 横模 每个纵模都存在多个横模 基模亮度高 光斑小1 与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2 工作物质的色散 散射效应及腔内光束的衍射效应等等抑制横模的数量 增加输出光的亮度 减小发散角 N InGaAsP 发光的作用区 其上下两层称为限制层根据对横模限制机制的不同进一步可分为 增益引导型和折射率引导型 铟镓砷磷 InGaAsP 双异质结条形激光器 波长1300 1600nm 常用激光器的基本结构 横向约束的双异质结构 增益引导型 机制 从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入 改变有源区的折射率 从而对光子形成横向的约束 能有效抑制横模特点 1 辐射功率高 但有2 散光性 且3 工作不稳定 I n I 1 5mm 机制 1 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2 在横向将电流严格地限制在有源区 使得 60 的注入电流用于发光特点 输出光束具有很好的准直性 能工作在基横模 横向约束的双异质结构 折射率引导型 光强 10 0 10 单纵模激光器 式子和光谱图表明 实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长 增加模式之间的波长间隔 使Dl大于增益线宽 即增加滤波器自由谱宽 垂直腔表面发射激光器 VCSEL 1990年 阈值电流低 100mA 输出功率大 激光纯度高 发光面大 易于耦合 体积小 易于集成 可应用于WDM多波长系统中 分布反馈式 DFB 激光器 内置布拉格光栅FBG 只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程 输出的波长为 m是纵模的阶数 DFB激光器微观结构 L相当于F P激光器的腔长L 每一个L形成一个微型谐振腔 很小使得m阶和 m 1 阶模之间的波长间隔比F P大得多 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益 DFB激光器照片 分布布拉格反射 DFR 激光器 DBR激光器是将光栅刻在有源区两端 DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似 但其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高 内量子效率一般很难准确确定 长期的测试经验表明 在室温条件下 内量子效率一般为hint 0 6 0 7 于是外量子效率可以通过下面的式子来定义 在实际的实验中 外量子效率一般通过P I曲线的直线部分来估算 即 标准的半导体激光器 外量子效率典型值为15 20 激光器的量子效率 内调制 信息流直接控制激光器的驱动电流 40GHz 调制 外调制 使用调制器 如MZM 对输出的光信号进行调制 激光器的调制技术 内调制速率限制 自发 受激辐射载流子寿命信号啁啾 内调制基本依据 P I曲线 例 OTIP的超短脉冲光源U2TTMLL1550阈值电流在40mA左右 LD的调制是通过改变其驱动电流的办法实现的 若在每次脉冲调制之后都完全停止发光 会产生码型效应 因为在电脉冲开始作用时 激光器需要一个时延来获得足以克服光损耗的增益 这个时延由自发载流子寿命决定 内调制速率限制 电光时延 解决办法是在LD上持续加一个IBias Ith 但会降低消光比 激光场的张弛振荡频率为 直接调制频率需小于张弛振荡频率 否则 数字调制要产生张弛振