光电半导体讲义..pdf

精品文档 光电器件基础讲义 中研传输业务部 汪微 1． 概述 光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件， 在光纤通信中占有重要的地位。 性能好、 寿命长、 使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作 的关键。 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面： 首先， 光源发光的峰值波长应在光纤 的低损耗窗口之内， 要求材料色散较小。 其次，光源输出功率必须足够大， 入纤功率一般应 在 10 微瓦到数毫瓦之间。 第三， 光源庆具有高度可靠性， 工作寿命至少在 10 万小时以上才 能满足光纤通信工程的需要。第四， 光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。 第五，光 源应便于调制， 调制速率应能适应系统的要求。第六，电－光转换效率不应太低， 否则会导 致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。 光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需 要满足以下要求：首先， 其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配， 第二， 具有很高 的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。 2． 光电器件原理 2.1 半导体中光的发射和激射原理 2.1-1 半导体价带、导带、带隙与发光 半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。 在各个原子之间保持一定的距离， 是 由于在各原子之间存在着互相作用力的结构， 这些结合力就是共价键。 固体物理学告诉我们， 单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的， 这样就使分立的能级变成了能带。 与原子的最 多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。 价带上面的能带称为导带。 在温度低至绝对零度 的情况下， 晶体中的电子均在价带之中， 而导带是完全空着的。 如果价带中的电子受热或光 的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。 把导带底的能量记作 EC ，把价带顶的能量记作 EVO 在 EC 和 EV 之间是不可能有电子的，故 称为禁带。把 E 与 E 之差记作 E ，称为禁带宽度或带隙。如果 Eg 较大，则需要较大的激 C V g 励能量把价带中的电子激发到导带中去。对于绝缘体材料，由于禁带宽度 Eg 很大，价带中 的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导体材料的 Eg=0 ，因此它表现 出良好的导电性能。 半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间， 因而它的导电能力也介 于两者之间。 当价带中一个电子被激发到导带中， 在价带中就留下了一个电子的空位。 在电场的作用 下，价带中邻近的电子就会填补这个空位， 而把它自己的位置空出来， 这就好象空位本身在 电场的作用下产生移动一样。 空位的作用好象一个带正电的粒子， 在半导体物理学上把它叫 作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。 反之， 导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去， 在价带中填补一个空穴， 把这一过程叫做 复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度 Eg 的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释 放出一个