第四章发光与耦合器件介绍.ppt

4、异质结激光器 （1）单异质结激光器 在GaAs的PN结上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs-AlxGa1-xAs异质结。由于GaAs＆AlxGa1-xAs禁带宽度不同，因而在界面出形成了较高势垒，使从N-GaAs注入到P-GaAs中的电子在继续向P-AlxGa1-xAs扩散时受到阻碍，同没有这种势垒存在时比较，P-GaAs层内的电子浓度增加，辐射复合的几率也提高了。再者，P型铝镓砷对来自P型GaAs的发光吸收系数小，损耗也较小。由于铝镓砷的折射率较砷化镓低，因而限制了光子进入铝镓砷区，使光受到反射面局限在P-GaAs区内，从而少了周围非受激区对光的吸收。由于电子＆光子在异质结面上都受到了限制，减小了损耗，因而降低了阈值。其结构图＆能带图如下： P-AlxGa1-xAs P-GaAs N-GaAs 异质结 PN结 结构图 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 电子 空穴 N-GaAs P-GaAs P-AlxGa1-xAs 2ev 1.5ev 能带图 单异质结激光器 分布反转区 低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为8000A/cm2，但在温度变化下，阈值随温度变化小，在室温下实现脉冲振荡。 （2）双异质结激光器 在GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs，加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAs＆P-AlxGa1-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在地空穴注入现象，使工作区电子，空穴浓度加大，复合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000～3000A/cm2，实现了室温下的连续振荡，且随温度变化也较小。其结构图＆能带图如下： P-AlxGa1-xAs N-AlxGa1-xAs GaAs 异质结 异质结 N GaAs P 空穴 电子 结构图 能带图 双异质结激光器 5、分布反馈（DFB）半导体激光器 （1）结构（动态单纵模激光器） （2）光栅结构 （3）DFB与一般半导体激光器（多纵模振荡）的比较 6、量子阱（QW）激光器 生长方向 GaAs GaAlAs 衬底 有源层是由两种不同材料交替生长组成超薄层一维周期结构，称为量子阱激光器。当薄层的周期＆厚度等特征尺寸减小到电子平均自由程（50nm）时，整个材料的电子系统进入量子领域，并产生量子尺寸效应。 （1）结构 （2）超晶格结构 组分超晶格：将两种不同的半导体材料薄层做成重复相间的多层结构长在一块晶体上，量子阱激光器就属于该种； 掺杂超晶格：由材料相同但掺杂类型不同的大量重复相间薄层长在同一块单晶上形成。 （3）优点 极低的阈值电流（0.55mA）且随温度变化极小，甚至预言量子点（量子线，量子箱，量子阱）激光器不随温度变化； 高功率输出，可达10w； 高调制频率，窄的线宽。 国外半导体激光器的典型参数 激光器的类型 阈值电流 发射波长 发散角 输出功率 转换效率 截止频率 温度系数 AlGaAs/GaAs 100~ 150 0.85 (10~20)* (30~50) 5 2 1 100~150 InGaAsP/InP 20 1.3 30*40 5 10 2 65 第三节 光电耦合器件 一、光电耦合器件的含义＆特点 把发光器件与光敏元件封装在仪器构成光电耦合器件。这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边＆输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。所以，我们把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。 特点： 具有电隔离功能；绝缘电阻高达1010～1012欧姆，击穿电压高达100～25千伏，耦合电容小到零点几个皮法； 信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟，数字信号都适用； 具有抗干扰＆噪声的能力，可作为继电器＆变压器等使用； 响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级； 使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在－55到100摄氏度之间。 二、特性参数 1、传输特性 ΔIF ΔIF ΔIF Q3 Q2 Q Q1 IF1 IF2 IF3 IF Vc Ic Ic1 Ic2 Ic3 在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流IC与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用β表示，若有一工作点Q，则 工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不同的β值。故常用交流电流传输比来表示： β β IF T 在电流较小时，耦合器件处于