第05章光源与光发送机祥解.ppt

第五章 光源与光发送机 5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路 5.1 半导体光源的物理基础 5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带 1. 孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。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，这种现象称为电子能量的量子化。 2. 半导体的能带 在单个原子中，电子是在原子内部的量子态运动的。 当大量原子结合成晶体后，邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠，原子间的影响将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去 ，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动，如图5-1所示。 图5-1 晶体中电子的运动 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动 ，使孤立原子中离散能级变成能带。 晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图5-2所示。 内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。 图5-2 晶体中的能带 锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。 在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为Eg的禁带所分开，如图5-3所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在导带和价带之间。 图5-3 导带和价带 2. 半导体的能带分布 抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价带和导带是我们最感兴趣的两个能带，原子的电离和电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间，当导带(能级E2)被电子占据，价带(能级E1)是空的，即被空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据几率由费密一狄拉克分布给出 式中Efc和Efv是费密能级。 5.1.2 光与物质的相互作用 1. 自发辐射 处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。 根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为： hν12=E2-E1 式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；ν12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。 2. 受激辐射 在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。 3. 受激吸收 在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。 5.1.3 粒子数反转分布状态 1. 粒子数正常分布状态 在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。 2. 粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率，这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。 5.2 半导体光源的工作原理 5.2.1 PN结的形成及其能带结构 1. PN结的形成 半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。 而P型半导体和N型半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。 对N型半导体，过剩电子占据了未掺杂(本征)半导体中空的导带，占据几率由费密一狄拉克分布决定。 对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充(黑圆点)，而导带中所有位置都空着，如图5.3(a)所示。 当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，对重掺杂N型半导体，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型N型半导体，如图5.3(b)所示。