异质结激光器的结是用不同的半导体材料制成的

1、1-1Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications 异质结激光器的异质结激光器的“结结”是用不同的半导体材料制成的，采用异是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。提高效率。一一. .异质结激光器的结构异质结激光器的结构A.A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）GaAsGaAs材料与材料与GaAlGaAl材料材料GaGa1-x1-xAlAlx xAsAs是指在是指

2、在GaAsGaAs材料中掺入材料中掺入AlAsAlAs而形成，叫作砷镓铝晶体，而形成，叫作砷镓铝晶体，1-x,x1-x,x是指是指AlAsAlAs与与GaAsGaAs的比例。的比例。第三节第三节 异质结半导体激光器的工作原理异质结半导体激光器的工作原理1-2Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communicationsB.B.反型异质结与同型异质结（从导电类型）反型异质结与同型异质结（从导电类型）反型：如反型：如n-GaAsn-GaAs与与p-GaAlAs or p-GaAsp-GaAlAs or p-GaAs与与n-GaAlAs n-GaAlA

3、s 同型：如同型：如p-GaAsp-GaAs与与p-GaAlAs or n-GaAsp-GaAlAs or n-GaAs与与n-GaAlAs n-GaAlAs 二异质结的能带图（刘恩科二异质结的能带图（刘恩科chapter9)chapter9)A.A.反型异质反型异质212121122ccvvcccvvvcvggEEEEEEEEEEEEEE (a)p(a)p、n n型型不是简并型不是简并型构成异质结之前热平衡状态构成异质结之前热平衡状态下下1-3Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications当形成异质结时，电子当形成异质结时，电子

4、n p 空穴空穴p n直到两半导体有相等的直到两半导体有相等的 ，异质结即处于平衡状态。，异质结即处于平衡状态。与与p-np-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。N N型半导体一边为正电荷，型半导体一边为正电荷，P P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区的能带发生了弯曲（基本与的能带发生了弯曲（基本与p-np-n结的形成相同的）。结的形成相同的）。区别

5、：由于禁带区别：由于禁带 不同，因而在两材料的上界面附近其能带不同，因而在两材料的上界面附近其能带出现与出现与p-np-n结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。fEgE1-4Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications1.1.在导带底，能量突变在导带底，能量突变 ，在这里形成，在这里形成“光路光路”。2.2.在价带底，能量突变在价带底，能量突变 , , 在这里形成在这里形成“凹口凹口”。3.3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。导带的势垒与价带不同，导带势垒

6、低，而价带势垒高。4.4.当当n n区的电子进入区的电子进入p p区时所遇到的阻力要大。区时所遇到的阻力要大。 当当p p区的空穴进入区的空穴进入n n区时所遇到的阻力要小。区时所遇到的阻力要小。5.5.势垒的减低和增高与势垒的减低和增高与 . . 有关，即与两材料的禁带有关，即与两材料的禁带宽度宽度 之差有关。之差有关。 cEvEvE2gE1gEcE1-5Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communicationsB.B.同质结同质结1.1.因为因为由于禁带宽度大的由于禁带宽度大的p p型半导体比禁带宽度小的型半导体比禁带宽度小的p p型半导

7、体的型半导体的 低，低，所以空穴将由所以空穴将由 流动，在流动，在p p1 1形成空穴积累，而在形成空穴积累，而在p p2 2形成耗尽层。形成耗尽层。由于由于p p型半导体中电子是少数载流子，故电子的扩散不计。由于空型半导体中电子是少数载流子，故电子的扩散不计。由于空穴的扩散，穴的扩散，p p2 2中的中的 不断上升，不断上升， p p1 1中的中的 下降，直到下降，直到 二者平衡。二者平衡。21ffEEgE21pp2fE1fE12ffEE1-6Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications由于内建场的存在，由于内建场的存在，p

8、p2 2中的能级与中的能级与 同时上升。同时上升。由于内建场的存在，由于内建场的存在，p p1 1中的能级与中的能级与 同时下降。同时下降。平衡时平衡时 同型异质结的能带。同型异质结的能带。fEfEpp1-7Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications同型与反型对比同型与反型对比 1.1.反型：两方的载流子分别向对方扩散，在两种材料中都形反型：两方的载流子分别向对方扩散，在两种材料中都形成阻挡层。成阻挡层。 2.2.同型：只有一种材料的载流子向对方扩散，同时在这种材同型：只有一种材料的载流子向对方扩散，同时在这种材料中形成阻挡层

9、。料中形成阻挡层。1-8Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫做扩散区。做扩散区。同理在同理在n n区得边界处也有向区得边界处也有向n n内部扩散得空穴流。内部扩散得空穴流。非平衡状态下非平衡状态下P PN N结的能带。结的能带。 1.1.正向偏压正向偏压V V使使n n区的能带及区的能带及FermiFermi都相对于都相对于P P区降低区降低eVeV。2.2.非平衡态载流子的存在使非平衡态载流子的存在使Fe

10、rmiFermi能级分离成能级分离成 导带和价导带和价带的准带的准FermiFermi能级。准能级。准FermiFermi能级偏离能级偏离FermiFermi能级的情况由非平衡载能级的情况由非平衡载流子的浓度来决定。流子的浓度来决定。pfEpfEvfEGE1-9Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications3.n3.n区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。 不变。不变。4.4.由于耗尽层极窄，结区的准由于耗尽层极窄，结区的准 可认为与可认为与n n区相同。区相同。5.p5.p区电子

11、是少数非平衡载流子，影响显著，由于非平衡载流子随区电子是少数非平衡载流子，影响显著，由于非平衡载流子随着深入着深入p p区而减少，故导带的准区而减少，故导带的准 随深入随深入p p区而减少，直到非平区而减少，直到非平衡载流子的衡载流子的0 0处与处与p p区区 重合为止。重合为止。fEcfEfEpfE价带的价带的 相似。相似。p p区不受非平衡载流子的影响。区不受非平衡载流子的影响。结区与结区与P P区相同，在区相同，在n n区随非平衡载流子的减少而减少。区随非平衡载流子的减少而减少。vfE1-10Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communications在结区及其两侧在结区及其两侧 出现了双简并出现了双简并oror形成粒形成粒子数反转分布，变成激活区叫做作用区子数反转分布，变成激活区叫做作用区oror有源区。有源区。ccfEEvvfEE当光子通过时可放大当光子通过时可放大增益条件增益条件正向偏压正向偏压gvfcfEf hEEeVEEvfcfeEeEEVgvfcf1-11Copyright Wang Yan2022-3-19Optical fiber communicationsForward Biased PN Junction (LED)1-12Copyright Wang Yan2022-3-19Optical