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第五章半导体激光器原理讲述
第五章 半导体激光器原理
深圳大学
光电工程学院
目录
5.1 半导体中的光发射
5.1.1 光的吸收与发射
5.1.2 半导体的光发射
5.2 半导体激光器原理与结构
5.3 半导体激光器的特性
5.4 光源与光纤的耦合
5.1 半导体中的光发射
原子:
材料基本性质:由最外层电子决定
原子壳层结构:
原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子和中子构成;电子带负电,质量为9.1091x10-28克
基态:
在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态
激发态:
在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态
光子与物质(电子)的相互作用
5.1.1 光的吸收与发射
☆普朗克定律:电子在两个能级之间的跃迁是能量为hf=E2-E1的光子被吸收和发射的过程
图3.1.1
基态
激发态
(a)、光的受激吸收
3-1-1
---受激吸收几率【1/s】
3-1-2
---入射光波的能量密度【W/m3Hz】
---爱因斯坦受激吸收系数
3-1-3
普朗克公式:
推导思路:利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件--
每个波矢k(E)决定了光子的两个状态(TE、TM),求出
单位体积与单位波矢间隔的光子状态数,在乘上每个状态被
光子占据的几率(玻色-爱因斯坦分布)就可得到公式3-1-3
入射光波的能量密度
入射光波的波长
(b)、光的自发发射
3-1-4
---爱因斯坦自发发射系数【1/s】,表示每个原子单位时间内从上能级跃迁到下能级的自发发射几率
---E2的自发发射寿命。意义?
☆上能级处的原子数目减少到初始值的1/e所需要的时间
☆完全由原子系统决定
☆与入射信号无关的随机发射非相干光
(c)、光的受激发射
3-1-6
3-1-7
---受激发射几率
---爱因斯坦受激发射系数
☆ 由原子系统与入射光信号决定
☆ 与入射光同态---相干光
(d)、爱因斯坦关系
热平衡时上下能级处的原子数目一定---
单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发射和自发发射而在E2能级减少的原子数
3-1-8
热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布
求出
3-1-9
得:
3-1-13
两能级兼并度相同g1=g2,受激发射几率B21=受激吸收几率B12
比较普朗克公式
3-1-12
自发发射几率A21比上受激发射几率B21为常数
结论1:热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射,除非必须满足 N2 N1----粒子数反转
3-1-14
3-1-15
结论2:可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强的输入光场?f
书中例题3.1.1(p82),白炽灯发出光的成分
普通光源热平衡下
发的光是自发发射
产生受激发射(激光)的基本条件
5.1.2 半导体中的光发射
1、pn结及电致发光
能带
费米能级及载流子分布的规律
掺杂
能带图及pn结的电流电压特性
载流子的复合与发光
半导体?
☆ 导电特性介于导体与绝缘体之间
☆ 一种晶体
☆ 基态及激发态的表述、
分布规律?
☆ 如何实现粒子数反转?
pn结能带图与单向导电特性
正向特性
反向特性
势垒高度
正向偏置V
反向偏置
V-I曲线
正向扩散电流
反向漏电流
VD
pn0
np0
载流子的复合与发光
扩散长度L与复合
辐射复合
发光区(有源区)
非辐射复合
正向偏置下载流子的电注入与发光过程
发光区
复合:电子由导带跃迁至价带
空穴并释放相应能量的过程
辐射复合:电子由导带跃迁至价带
空穴并释放相应能量光子的过程
非辐射复合:电子由导带跃迁至价带
空穴并释放相应能量声子的过程
热
发光
空间电荷区
电注入发光!!
同质结发光的缺点:
发光范围宽、效率低
2. 无波导效应、传光范围宽
3. 光子再吸收效应
np
pn
载流子(过剩EHP)的复合
复合
外加电压引起pn结的载流子注入,产生“过剩载流子---过剩的电子空穴对”,处于“高能态”的它们必须以某种能量交换的方式恢复到稳定的“低能态”,把“高能态”电子(如导带、施主杂质能级ED等)跃迁到相应的价带(EA)、同时释放能量的过程叫做复合;
辐射复合
“高能态”电子(如导带、施主杂质能级ED等)跃迁到相应的价带(EA) 、同时释放能量等于其高低能量差的光子
非辐射复合
不伴随光辐射的复合过程
复合模型
光子
用量子力学描述的能量为hv(v为光波频率)的不带电粒子
声子
用量子力学描述的能量为hvk(vk为声波频率)的不带电粒子, hvk~0.06eV,晶格的振动---热
激子
在某种能量作用下使得原子处于激发态,其电子能级处于Ec以下附近(空穴能级处于Ev以上附近)(电子的波函数在禁带两端有拖尾---类似光波导的能量分布)
复合模型:“碰撞”
★
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