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5.4 半导体光源 三种跃迁过程 E2 E1 （a）自发辐射 E2 E1 （c）受激辐射 E2 E1 （b）受激吸收 受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。 本文档共152页；当前第95页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 1 LED原理 —GaAs直接禁带半导体 —电子空穴对复合 —导致光子发光 零偏压下，势垒阻碍电子从n型一侧向p型一侧扩散。 正偏压下，势垒降低，n+一侧的电子开始扩散到p区。 从p区注入到n+区的空穴数量远远小于从n+区注入到p区的电子数量。 注入电子在耗尽区复合，并引起光子发射。 这种由于电子空穴对复合的光发射现象，称为注入电致发光。 本文档共152页；当前第96页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 1 LED原理 需要注意的是，对类似于GaP这样的材料，电子空穴对的复合过程借助复合中心发生，涉及到晶格振动而不是光子发射。 如果用将N掺入GaP中，替代P原子，则要形成等电子陷阱，接近导带底，当它俘获一个导带电子后，形成带电中心，该带电中心由于库仑作用又能俘获一个空穴，从而形成束缚激子。 这种依靠束缚激子的直接复合发射的光子，其能量略小于禁带宽度。 GaAsP可以覆盖整个可见光谱，当P组分0.45时，为直接带隙。 本文档共152页；当前第97页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 2 LED的结构 LED的结构必须使得所发射的光子从器件逃逸而不是被材料吸收。 首先在GaAs衬底上外延生长一层n+层，再外延生长一层p层。 发射到n+区的光子或者被吸收或者被衬底反射回去，这取决于衬底的厚度和LED的结构。 本文档共152页；当前第98页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 2 LED的结构 表面发光二极管 侧边发光二极管 在面发射结构中，光辐射垂直于p-n结的平面； 在边发射结构中，光被限制在平面内，辐射方向与结平行。在这种结构中通常将异质结用于光限制（作为波导）和载流子限制（窄能隙）。光输出有更多指向性。 异质结的另一个优点是可改善注入效率，这对两种结构都适用。 本文档共152页；当前第99页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 2 LED的结构 双异质结LED 正偏压时，n+p异质结上的电子势垒降低，使得n+层的导带上的电子得以注入到p层。 又由于p-p异质结上存在势垒，使得这些电子被限制在中间p层。因此宽带隙的AlGaAs层将所注入的电子限制在窄带隙的GaAs层，称为限制层。 注入的电子和p层的空穴复合发射的光子，在逃逸有源区时不会被宽带隙的AlGaAs层吸收，从而能到达器件表面。 本文档共152页；当前第100页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 2 LED的结构 量子阱 LED 量子阱LED（QWLED）采用窄能隙材料形成量子阱，插在p-n结之间，当阱厚度很窄时，电子和空穴分别从n型电极和p型电极注入到量子阱中。因为子能带是在量子阱内形成的，所以光通过量子化子能带之间的跃迁发射。 本文档共152页；当前第101页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 3 LED的特性 LED的内量子效率 p-n结附近产生的光在离开结时会经历光损耗。这些损耗可归因于以下因素： （1）被半导体材料吸收， （2）当光接近垂直于界面时在半导体/环境界面处有部分反射， （3）当入射角大于斯涅耳临界角时产生的全反射。 LED的量子效率 改善光效率的两种结构： 半球形半导体确保光始终垂直于半导体/环境界面。 增加一层折射率介于半导体和环境之间的环氧涂层。 本文档共152页；当前第102页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 3 LED的特性 LED的线宽 LED发射的光子能量不简单的等于带隙Eg，其辐射按能量分布。 本文档共152页；当前第103页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 3 LED的特性 LED的线宽 输出光谱中半强度点所对应的两个点之间的宽度。 红光GaAsP LED的典型输出光谱，光功率-电流曲线，I-V曲线 本文档共152页；当前第104页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 4 LED的应用 本文档共152页；当前第105页；编辑于星期三\12点42分 5.4.1 LED 4 LED的应用 红外LED 图5.36 红外InP基LED 玻璃光纤通信主要使用红外LD和探测器。对于非常短距离的通信，有必要采