光器件基础知识培训.ppt

1、1、光器件的基础知识，第一章光纤通信的概要，1.1光纤通信的基本意义和发展过程，光纤通信把激光作为信息的载波信号利用，通过光纤传递信息的通信系统。 发展历史，中国周朝烽火台1880年贝尔发光电话(利用光载波信号传输声音)，2，光器件基础知识，1960年世界首次激光研究开发成功1970年第一根低损耗光纤(20dB/Km )研究开发成功(美国康宁公司) 美国贝尔研究所成功开发出了在室温条件下连续工作的半导体激光器，1974年美国贝尔研究所开发出了损耗为1dB/Km的光纤(化学气相沉积法(MCVD ) )，3 1976年日本电话电报公司开发出了损耗更低的光纤(0.5db/km )， 20世纪76年代

2、末期的光纤通信系统实现了第一次业务运营，20世纪80年代后期的光纤损耗已下降到0.16dB/Km 1988年第一条横跨大西洋的光缆运营，包括光器件基础知识、4、光器件基础知识、 1.2光纤通信金属电缆中的分布电容和分布电感实际上起到低通滤波器的作用，限制了电缆的传输频率、带宽和信息负载能力。 传输距离长的光缆比光缆传输损失低，所以能够传送更长的距离。 5、电磁干扰防止光纤通信系统避免了由于线缆互相靠近而导致的电磁干扰。 光纤的材料是玻璃和塑料，两者都不通电，所以不产生磁场，彼此也没有电磁干扰。 抗噪干涉光纤不导电的特性还避免了光缆经受闪电、电机、荧光灯和其他电源的电磁干扰(EMI )，外部电噪

3、声也不影响光频率的传输能力。 此外，光缆不发射射频(RF )能量的特性也不会干扰其他通信系统。 适应环境的光纤对恶劣环境有很强的抵抗力。 比起金属电缆，能够应对温度的变化，腐蚀性的液体和气体的影响也小。 轻量、安全、易敷设、光器件基础知识、6、光器件基础知识、秘密光纤不向外辐射能量，使用金属传感器难以窃听光缆。 寿命长，1.3光纤通信系统的基本结构和发展概况，基本结构光发射机，光接收机，光纤(光缆)和各种耦合器件，7，光器件基础知识，以从点到点的光纤通信系统为例，8，发展概况，光器件基础知识， 第1代光纤通信系统20世纪70年代末大量第2代光纤通信系统在1980年代初，作为光源采用了1.3m的

4、半导体发光二极管或激光二极管，添加了多模光纤。 第3代光纤通信系统从1980年代后半期开始，作为工作波长采用1.55m，以色散移位光纤作为传输介质。 第四代光纤通信系统采用波分复用(WDM )技术，当前已经开始运行。 9、光器件的基础知识，第五代光纤通信系统基于光纤的非线性压缩抵消光纤色散扩展的新概念的光孤独研究，经过20多年的研究发展，取得了划时代的进展。 光纤通信系统经历了5代的发展，目前应用最广泛的只是两种系统配置：点到点直接强度调制/直接检测(IM/DD )系统(根据传输信号的性质，在数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统中波分复用(WDM )光纤通信系统。 10、第二章半导体物理基础知识

5、概述、光器件基础知识、2.1原子能级结构、原子由原子核和核外电子组成。 原子核带正电，电子带负电。 原子核拥有的正电荷和核外电子拥有的负电荷的总和相等。 因此，整个原子变为电中性。 电子在原子中的运动轨道是量子化的。轨道的量子化是指原子中的电子以一定的概率出现在各处。 也就是说，原子中的电子只能在各自的特定轨道上运行，不能具有任意的轨道。 电子的能量不能取任何值，并且具有确定量化的一些离散值是不连续的。 这些单独的能量值被称为原子的能级)、原子结构模型图、11、粒子单独能级的图像在原子中电子的能量最小时，原子整体的能量最低，该原子处于稳定状态，被称为“基态”的原子处于比基态高的能级通常，大部分

6、原子处于基态，只有少数原子被激发为高能级，而且能级越高，处于该能级的原子数越少。光器件基础知识、12、2.2固体能带结构、光器件基础知识、电子共享：在正常情况下，原子中的电子并非全部处于最低能级。 从泡利不相溶的原理来看，指出各能级最多只有2个电子，自旋方向必须相反。 能量越高，相邻能级的间隔越小，电子从下一个能级向前一个能级转移也是方便的。 电子从原子中脱离成为离子化状态时，此时能量没有一段一段的差，在能量图上形成能量连续的区域，此时电子能够自由运动，因此被称为自由电子。 13、电子的共有化不是经典的性质，而是量子效应，由于原子相近，个别的电子不仅受到自身的原子核的作用，还受到邻接的原子核的

7、作用。 这个作用对内电子和价电子的影响不同。 由于内电子被原子核紧紧地绑住，所以受到的影响不明显。 价电子不是这样，而是轨道的大小和邻接的原子间的距离为相同级别，因此影响显着。 古典物理认为，电子不能从一个原子转移到另一个原子的量子力学允许电子通过隧道效应进入另一个原子。 于是，价电子不属于各个原子，而是由结晶整体中的原子共有，这就是电子的共有化。 2 .能带的形成：量子力学是晶体中的电子共享的结果，每个原子具有相同能量的电子能级在各原子的相互影响下分裂成接近原子能级的一系列新能级，这些新能级基本上连接在一起，形成能带。 能带中不允许能量状态的区域称为带隙(也称为禁带)，带隙宽度用电子螺栓(e

8、V )表示。 光器件的基础知识，14，与带隙下的价电子对应的低能量区称为价电子带，是价电子能级分裂产生的能带。 价电子带上方的高能区域称为传导带(如果价电子带的能级没有被电子充满，则电子进入填充的高能级，可以形成取向电流。 这种能带称为传导带)。 传导带底的电子能量高于带顶的电子能量，其值等于带隙宽度Eg (简称带隙能量)。 能带中的各能级被电子充满的能带称为全能带。 满带中的电子不能发挥导电作用。 光器件的基础知识，传导带，晶体的能带结构，15，3 .导体，半导体和绝缘体的能带结构：光器件的基础知识，导体电阻率为10-8102欧米的物体绝缘体的电阻率为1081016欧米的物体； 半导体电阻率

9、介于导体和绝缘体之间，如硅、硒、碲、锗、硼等元素和硒、碲、硫的化合物、各种金属氧化物和其他许多无机物质。 本质上，半导体和绝缘体在能带结构上没有差别。 但是，半导体的带隙从约10分钟的数eV到1.5eV较窄，绝缘体的带隙从约1.5eV到10个eV较宽。 在任一温度下，由于电子的热运动，部分电子从全带超过禁带，被传导带激发。 传导带中的能级在被热激发电子占有之前是空的，所以电子一旦进入传导带，就会在电场的作用下向与电场相反的方向移动，有机会占有新的能级。这种取向运动的结果是，晶体可以电导通。 绝缘体的禁带一般较宽，所以在一般的温度下，从满带热激励到传导带的电子数极少，其外观电阻率大。 因为半导体

10、的禁带狭窄，所以在一般的温度下，热在传导带上被激励的电子的数量也多，电阻率也小。 16、光器件的基础知识，导体与半导体之间不仅有电阻率的数量，也有质量的差异。 一部分导体不存在价格带，一部分电子所占有的能级和空闲的能级紧密相连的其他导体中，也有价格带，但这些价格带和传导带重叠形成统一的宽带。 在这种情况下，如果存在外部电场的作用，则这些电子容易从一个能级转移到另一能级，显示出强的导电能力，因此电阻率也小。 4 .半导体的特性：半导体之所以能够成为制作半导体部件的材料，不是因为其导电能力介于导体和绝缘体之间，而是因为具有独特的导电性能。 光电效应、光伏效应、温差电效应等。 本征半导体的纯粹半导体

11、单晶叫本征半导体。 其导电性依赖于价带中的电子引导带的迁移。 因此，通过外部电场，有在传导带中产生的电子的取向运动和在价电子带中产生的电子的取向运动，兼备电子导电和空穴导电两个机构，这种导电性称为本征导电。 17、自由电子和空穴在绝对温度0K (即-273 )下，没有外部激发的情况下，由于共价键中的价电子被束缚，半导体中没有自由运动的带电粒子载体。 因此，即使有外部电场的作用，也不能产生电流。 此时的半导体相当于绝缘体。 但是，外部激发，例如温度上升或光照射时，几个价电子得到能量后，脱离共价键的束缚，成为自由电子，也称为电子载流子，电荷量是q。 这种现象称为本征激励。 价电子脱离共价键的束缚成

12、为自由电子时，共价键中残留空位，称为空位。 如下图所示。 邻接的共价键内的价电子跑来填充，在原来的位置产生新的空穴，这相当于空穴移动。 空穴是由失去价格的电子形成的，因此是带正电的载体。 光器件的基础知识、硅或锗材料的共价键结构、18、光器件的基础知识、杂质半导体能够通过人为地在本征半导体中混入少量其他元素(称为杂质)来制作杂质半导体。 杂质半导体的导电性能与本征半导体相比变化非常显着。 杂质可以提高半导体的导电能力，同时改变半导体的导电机制。 根据导入杂质的性质，可分为电子型半导体和空孔型半导体两种。 电子带负电，取英语单词“Negative”的第一个字符，因此电子型半导体也称为n型半导体的

13、空穴带正电，取英语单词“Positive”的第一个字符，因此正孔型半导体也称为p型半导体。 5. PN结：在一个半导体的一端掺杂受主杂质形成p型半导体，在另一端导入施主杂质形成n型半导体时，在它们的边界形成PN结。 PN结是许多半导体器件的重要组成部分。19、光器件的基础知识、PN结的形成在室温下，p型半导体内的各受主杂质在产生空穴的同时形成负离子n型半导体内的各施主杂质在产生自由电子的同时形成正离子。 于是，在2种杂质半导体的边界中，p型半导体(也称为p区域)内的空穴为多子，n型半导体(也称为n区域)内的电子为多子，由于存在大的浓度差，空穴越过边界面从p区域向n区域移动。 类似地，电子也从n

14、区向p区移动，通常将该现象称为扩散，如图所示。由载流子分布浓度差引起的扩散运动、20、光器件的基础知识、扩散运动的结果是，一个进入对方区域后，多子身份少子化，立即复合的另一个残留不能向边界面两侧移动的正负离子区域，如下图所示也称为空间电荷区域。 平衡状态下的PN结、21、光器件的基础知识、该区域中的载流子被扩散和复合所消耗，因此亦称为耗尽区。 边界面两侧的正负电荷之间必然存在电场，该电场被称为内置电场，电场方向从n区域朝向p区域，由此产生的电位差UD (也称为接触电位差)使n区域的电位比p区域的电位高。 从图中可以看出，该电场具有阻止多数载流子的扩散的作用。 因此，耗尽区域也称为势垒区域或势垒

15、区域。 与此同时，内部电场将n区的少子空穴移动到p区，将p区的少子电子移动到n区，这种现象经常被称为漂移。 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。 由扩散运动形成的电流称为扩散电流由漂移运动形成的电流称为漂移电流。 这两个电流的方向相反。 当这两个电流相等时，达到了动态平衡，此时势垒区域的宽度也决定了。 所谓PN结，是指势垒区域，通常薄到数十微米左右，其接触电位差的大小与半导体材料、掺杂浓度和环境温度有关。 在室温下，硅材料的PN结的接触电位差UD0.60.8V、锗材料的PN结的UD0.10.3V，温度每上升1时电位差约降低2mV。PN结的单向导电性、对PN结施加正向电压(PN结导通)、22

16、、光器件的基础知识、电源电压经由限流电阻施加在半导体的两端，其阳极与p连接，阴极与n连接。 电源的这种连接方法也称为施加正向电压，如右图所示简称为“正向偏压”。 由图可知，施加电压的极性与势垒的极性相反。 p区域的多子(空穴)被正极性电压驱动而进入势垒区域的n区域的多子(电子)即使在负极性电压的驱动下也进入势垒区，这使势垒区的正、负离子的一部分被中和，势垒区变窄，势垒降低，有利于多载流子的扩散运动，形成大的扩散电流但势垒区域变窄，内部电场变弱，不利于少子的漂移运动，漂移运动电流可以忽略。 正向电压下的电流被称为正向电流，因此正向电流主要由扩散电流组成，随着正向电压的增加而增大。对PN结施加正向

17、电压、23、光器件的基础知识，其关系为指数关系： ID为PN结电流，u为流过PN结两端的电压，UT=kT/q为温度电压当量，其中，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，q为PN结2 )在PN结上施加反向电压(关闭PN结)，在p区域连接外部电压的负终端，在n区域连接正终端，这样就被称为反向电压施加或反向偏置(反向偏置)，如右图所示。 如果对PN结施加反方向的电压，则24、由于施加电压的极性与势垒极性相同，所以p区域的空穴离开势垒区域，电源负移动的n区的电子也离开势垒区，电源正移动，所以在势垒区出现更多的正、负离子，势垒区扩大，势垒变高剩馀的漂移电流几乎不随施加电压而变化。 这是因为漂移电流是由本征激发的少子形成的，温度一定时为一定值。 由反向电压产生的漂移电流称为反向电流，不随反向电压而变化，因此称为反饱和电流。 因此，当PN结反向偏置时，几乎不导电。 此时我们称“PN结为截止状态”，其出现的电阻为反电阻，而且电阻值高。 但是，温度上升时，本征激励产生的少数载气增多，反向电流也增大。温度每上升1，逆向电流约增加7。 因为(1.07)102，所以每当温度上升10时，反向电流就增加2倍。 由以上可知，因为PN结通过正向电压处于导通状态，通过反向电压处于截止状态，所以PN结具有单向导电性。 光器件基础知识，25，3 )pn结的伏安