第09章 光电器件.ppt

本章内容 辐射跃迁与光的吸收 发光二极管 半导体激光 光探测器 太阳能电池 最重要的三种Ⅲ-V族化合物合金系统是GaxIn1-xAsyP1-y、 GaxIn1-xAsySb1-y和AlxGa1-xAsySb1-y。下图所示为Ⅲ-V族二元，三元及四元化合物的禁带宽度与晶格常数的关系。 若要做出可忽略界面陷阱的异质结构，则必须使两种半导体材料的晶格能紧密地匹配在一起。如果使用GaAs(a=0.56533nm)作为衬底，则三元化合物AlxGa1-xAs的晶格不匹配会小于0.1％．同样的，若使用InP (a=0.58687nm)作为衬底，则四元化合物GaxIn1-xAsyP1-y也可以达到很完美的晶格匹配。 半导体激光 图(a)表示三元化合物AlxGa1-xAs的禁带宽度是铝成分的函数。在x＜0.45时，此合金为直接禁带半导体，超过此值后则变成间接禁带半导体。 图(b)显示折射率与铝成分的关系。当x=0.3时， AlxGa1-xAs的禁带宽度为1.789eV，它比GaAs大了0.365eV，而其折射率为3.385，比GaAs小了6％。这些都是在室温或高于室温的环境下，半导体激光作连续工作时的重要特性。 半导体激光 分布反转:为了增强激光工作所需的受激辐射，需要分布反转。 考虑简并型半导体间形成的p-n结或异质结。这表示在结两端的掺杂能级甚高，以致于在p型区的费米能级EFV比价带的边缘还低，而在n型区的费米能级EFC则高于导带的边缘，如图。当外加一足够大的偏压时，会产生大注入的情况，亦即会有很高浓度的电子与空穴注入转移。结果在d区域中，导带有大量的电子而价带则拥有大量的空穴，这就是分布反转所需的条件。即： 激光的工作原理 半导体激光 载流子与光学约束:如双异质结激光所示，由于双异质结势垒而使载流子在有源区的两端都被约束住，而同质结激光的载流子则可离开发生辐射性复合的有源区。在双异质结激光中，由于有源区外面的折射率骤然减小，会造成光场被约束在有源区内. 右图是一个三层介质的波导管，其折射率分别为n1,n2和n3，其中有源层如三明治般被夹在两个约束层之间(a)。在n2n1n3的条件下，第一层和第二层界面(b)的光线角度θ12超过临界角。而第二层和第三层界面间的θ23也有相似的情况发生。因此当有源层的折射率大于周围的折射率时，光学辐射就被导引(约束)在与各层界面平行的方向上． 半导体激光 定义约束因子为在有源区内的光强度对有源区内外光强度总和的比例，其大小可表示为 其中C为常数，Δn为折射率之差，d为有源层的厚度。显然，Δn与d愈大，约束因子就愈高。 光学腔与反馈：使激光作用的必需条件为分布反转。只要分布反转的条件持续存在，通过受激辐射放出的光子就有可能引发更多的受激辐射。这就是光增益的现象。 半导体激光 光波沿着激光腔作单程传导所获得的增益是很小的。为了提高增益，必须使光波作多次传播，可以用镜面置于腔的两端来实现，如图(a)左右两侧所示的反射面。 对于半导体激光而言，构成器件的晶体的劈裂面可以作为此镜面。如沿着砷化镓器件的(110)面劈开，可以产生两面平行，完全相同的镜面。有时候激光的背部镜面会予以金属化，以提高其反射率。每一镜面的反射率R可算出为 其中n为半导体对应于波长λ的折射率（通常n为λ的函数）。 半导体激光 如果两端点平面间的距离恰好是半波长的整数倍时，增强且相干的光会在腔中被来回地反射。因此对受激辐射而言，腔的长度L必须满足下述条件： 其中，m为一整数。显然，有许多的λ值可以满足条件[图(a)]，但只有那些落在自发辐射光谱内的值会被采用[图(b)]。而且，光波在传播中的衰减，意味着只有最强的谱线会残留，导致如图(c)所示的一组发光模式。 即 半导体激光 图中在横轴方向上可容许模式间的间距Δλ是相当于m与m+1波长的差。将 虽然n为λ的函数，波长在临近模式间的微小的变化量dn/dλ却很小。因此模式间的间距Δλ可得到很好的近似值： 对λ微分可得 半导体激光 下图所示为三种激光器的结构。图(a)为基本的p-n结激光，称为同质结激光 (GaAs)。沿着垂直于＜110＞轴的方向劈成一对平行面，外加适当的偏压条件时，激光就能从这些平面发射出来(图中仅示出前半面的发射)。 二极管的另外两侧则加以粗糙化处，以消除激光从这两侧射出的机会，这种结构称法布里-波罗腔，其典型的腔长度L约300μm，法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。 基本的激光器结构 ： 半导体激光 图(b)是双异质结构(DH)激光，此结构类似