1、半導(dǎo)體光電子器件課程梳理Chap1緒論1. 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展> 第一發(fā)展階段一一同質(zhì)結(jié)構(gòu)注入型激光器（二十世紀(jì)60年代初）特點：對注入的載流子和光場沒有限制，閾值電流密度高，只能在液氮和脈沖狀態(tài)下工作> 第二發(fā)展階段一一單異質(zhì)結(jié)注入型激光器（二十世紀(jì)60年代末）特點：利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在GaASP-n結(jié)的結(jié)區(qū)內(nèi)，降低閾值電流密度> 第三發(fā)展階段一一雙異質(zhì)結(jié)注入型激光器（二十世紀(jì)70年代初）特點：1）窄帶隙的有源區(qū)兩側(cè)的寬帶隙材料對注入的載流子有限制作用；2）有源區(qū)為高折射率材料，兩側(cè)包層是低折射率材料，形成的光波導(dǎo)能夠?qū)⒐鈭龅拇蟛糠窒拗圃谟性磪^(qū)內(nèi)，從而減小閾

2、值電流密度。> 第四發(fā)展階段一一量子阱激光器（二十世紀(jì)80年代初）半導(dǎo)體物理研究的深入及晶體外延生長技術(shù)的發(fā)展（包括分子外延MBE，金屬有機化學(xué)氣相沉積M0CVD和化學(xué)束外延CBE），使得量子阱半導(dǎo)體激光器研制成功。2. 半導(dǎo)體激光器的特點 小而輕、轉(zhuǎn)換效率高、省電、壽命長； 制造工藝與電子器件和集成電路工藝兼容，便于實現(xiàn)單片光電集成； 半導(dǎo)體激光器的激射功率和頻率可直接調(diào)制； 激射波長范圍寬。3. 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用光通訊、光存儲、固體激光器的泵浦源、激光器武器、3D顯示4. LEDs的應(yīng)用交通指示、照明、背光源、屏幕顯示、投影儀光源、汽車、醫(yī)療、閃光燈、栽培、防偽。Chap2異質(zhì)結(jié)半

3、導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的定義：由兩種基本物理參數(shù)不同的半導(dǎo)體單晶材料形成的晶體界面（過渡層）1. 異質(zhì)結(jié)的能帶圖（1）pN異質(zhì)結(jié)的能帶圖：,Xfi和他尸卑-孰)'©-功函數(shù)，X-電子親和勢尖峰的位置與pN結(jié)兩邊的摻雜濃度有關(guān)：p區(qū)摻雜比N區(qū)多時，尖峰位于勢壘的頂端，稱為咼勢壘尖峰；p區(qū)摻雜比N區(qū)少時，尖峰位于勢壘的根部，稱為低勢壘尖峰2)nN同型異質(zhì)結(jié)的能帶圖2.異質(zhì)結(jié)的參數(shù)平衡態(tài)下內(nèi)建電場強度耗盡區(qū)內(nèi)電中性條件匸；內(nèi)建電勢差一tipEfE©內(nèi)建電勢差分配比：-'-N（由于帶邊的不連續(xù)，內(nèi)建電勢差不再代表勢壘的總高度了。）%二眄+第”空間電荷區(qū)寬度”'3. 異質(zhì)

4、pN結(jié)的伏安特性（1）擴(kuò)散模型、八幾十F（學(xué)+孕）唧（卑）U電流一電壓方程芝-Jj嚴(yán)exp（等jpg侏）對于pN型異質(zhì)結(jié)，型異質(zhì)結(jié)，AEc和AEv都是正值，而且一般遠(yuǎn)大于kOT，故JnJp，表明通過異質(zhì)結(jié)的電流主要由電子電流組成，空穴電流占很小的比例。2）熱電子發(fā)射模型3）尖峰隧穿模型總電流=熱電子發(fā)射電流+電子隧穿電流4. 異質(zhì)結(jié)的特性（1）高注入比：pn結(jié)在正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入的電子流和p區(qū)向n區(qū)注入的空穴流之比。A=°治S備血竺）=乙冷厶*叩（竺）幾DP沁幾kTDpft.NApLapk0T式中，E=AEc+AEv=Eg2-Egl,Eg2和Egl分別表示寬帶N區(qū)和窄帶p區(qū)的

5、禁帶寬度。Dnp、DpN、Lnp、LpN相差不大，都在同一數(shù)量級，而exp（AE/kOT）1,說明注入比很大，即使NDNNAp，注入比仍然很大。（2）超注入現(xiàn)象pN異質(zhì)結(jié)在大注入下的能帶Ep區(qū)|N區(qū)£中七刑lE肘因為EcpEcN,所以將出現(xiàn)，此時被稱為超注入。超注入現(xiàn)象是異質(zhì)結(jié)特有的另一個重要的特性，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器中得到重要的應(yīng)用，它可使窄帶區(qū)的注入少數(shù)載流子濃度有非常大提高，從而容易實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。3)異質(zhì)結(jié)對載流子和光場的限制作用Eg越大，折射率越小。異質(zhì)結(jié)的雙限制效應(yīng)：、對栽流子的限制對光場的限制Chap3半導(dǎo)體激光器1. 半導(dǎo)體激光器的工作原理(

6、1) 直接/間接帶隙材料中的光躍遷過程dirfri-ejsirnulpriftlKJHjUULJjL，-hfCCndutLL&nbandphononIronsindiroct-ftjpmLtlcrEk（2）躍遷選擇定則>直接躍遷：動量守恒'''','，A,kL可以忽略不計所以徒L>間接躍遷：動量守恒仃XW2有電子、光子和聲子參與的間接躍遷是二級微擾過程，躍遷幾率比直接躍遷小得多接躍遷小得多，因此，間接帶隙材料不能用來做發(fā)光材料。（3）光過程> 自發(fā)輻射：不受外界因素作用，處于高能態(tài)的電子自發(fā)地、隨機地躍遷到低能態(tài)，與空穴復(fù)合而發(fā)

7、射光子，特點為發(fā)射的光子能量相同，但方向、位相、偏振等均不相同，是一種非相干光。（LED原理）> 受激輻射：是指受激發(fā)而處于高能級的電子在外界的誘發(fā)作用下，躍遷到低能級與空穴復(fù)合而發(fā)射的輻射，特點為發(fā)射光子的方向、頻率、位相、偏振等均與誘發(fā)光相同，是一種相干光。在激光器中，誘發(fā)高能級的電子向低能級躍遷的光來自自發(fā)輻射。h二E。（LD原理）g> 受激吸收：處于低能級的原子（El），受到外來光子的激勵下，在滿足能量恰好等于低、高兩能級之差（）時，該原子就吸收這部分能量，躍遷到高能級（Eh）。半導(dǎo)體中光子hE才能被吸收（探測器原理）g（4）激光器激射的三個基本條件>要產(chǎn)生足夠的粒子

8、數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)。>要有一個合適的諧振腔，引起反饋，使激射增生（放大），從而產(chǎn)生激光振蕩;>要滿足一定的閾值條件，以使光子增益等于或大于光子損耗。（5）半導(dǎo)體激光器如何滿足激射條件> a.給P-N結(jié)加正向偏置提供載流子注入結(jié)加正向偏置提供載流子注入，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布一一電注入；b.利用光激發(fā)提供載流子，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布一一光注入或光泵浦；> 利用垂直于PN結(jié)的兩個解理端面形成F-P諧振腔，提供光反饋；> P-N結(jié)區(qū)的電子-空穴復(fù)合，提供光增益，使光子增益等于或大于損耗，滿足閾值條件。（6）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（概念）在熱平衡狀態(tài)下，粒子

9、數(shù)的分布遵循玻耳茲曼分布律，N1N2，如果采用適當(dāng)?shù)募睿茐臒崞胶鉅顟B(tài)，使高能態(tài)粒子數(shù)N2多于低能態(tài)粒子數(shù)N1，這與熱平衡狀態(tài)的分布相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。此時受激輻射光子數(shù)多于被吸收的光子數(shù)，因此對光子數(shù)具有放大作用。由于半導(dǎo)體是能帶結(jié)構(gòu)，它與分立的能級不同，產(chǎn)生光放大作用要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件不能直接用粒子數(shù)的多少來比較，只能通過比較導(dǎo)帶底和價帶頂被電子占據(jù)的幾率的大小。（7）愛因斯坦系數(shù)關(guān)系推導(dǎo)過程：寫出三個光過程的光躍遷速率表達(dá)式（包含躍遷幾率、態(tài)密度、占據(jù)幾率）一代入和得到含躍遷幾率的光子密度工：表達(dá)式一與黑體輻射理論中的；廠：表達(dá)式比較，得到愛因斯坦系數(shù)關(guān)系：如=Z（E）B

10、=B2=8（8）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件（伯納德一杜拉福格關(guān)系）推導(dǎo)過程：凈受激發(fā)射速率'''>受激發(fā)射產(chǎn)生條件：凈受激發(fā)射速率大于零一>'；>0一將f2和fl代入，并整理一>得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件-二。注：Zl-】+咋環(huán)川訐=1+皿卩莊一物理意義：導(dǎo)帶能級上被電子占據(jù)的幾率必須大于與輻射躍遷相聯(lián)系的價帶能級上被電子占據(jù)的幾率，只有這時在緊靠導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)呐c輻射躍遷相聯(lián)系的能量范圍內(nèi)才能實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。因為EFf-EFv=q¥=hv=Ev所以qV>E即要駛PN結(jié)所加的正向脂旄大干EJq異質(zhì)結(jié)和利用高注入比和超注入實現(xiàn)，同質(zhì)結(jié)可

11、用重?fù)诫s實現(xiàn)。9）光增益di推導(dǎo)過程：應(yīng)刃引入光限制因子1砂減小。則光增益系數(shù)變?yōu)?，冊行中?#169;）加耳x/r）光增益系數(shù)與導(dǎo)帶和價帶的態(tài)密度成正比；與材料的能帶、溫度及注入水平有關(guān),關(guān)系反應(yīng)在（f2fl）項中。|恥性'"，；,反應(yīng)光場的泄漏，它相當(dāng)于受激發(fā)射的有效面積吸收系數(shù)1卞增益譜tooU低注入時”増益為負(fù)值，即為吸收高注入時，增益為正價即產(chǎn)生裁犬增益峰值隨注入載流子濃度的增加而增加，并向高能量方向移動并向高能量方向移動增益為負(fù)值，即為吸收原因：由于帶填充效應(yīng)（bandfillingeffect）,載流子被填充到高能態(tài)，而高能態(tài)的態(tài)密度比低能態(tài)的態(tài)密度大，所以，增

12、益峰向高能量方向移動且增益變大。(10) 光子在諧振腔內(nèi)的振蕩>激光器的閾值增益推導(dǎo)1：設(shè)光子以如下的平面電磁波在諧振腔內(nèi)傳播E(z)=E(.exp(?Jlz)其中。閾值條件要求光子在諧振腔內(nèi)往返一次后斤r2Eoexp(Zi2L)=斤八exp(-/A2£)=1rl、r2為場光場在兩個諧振腔面上的場反射系數(shù)11/1、|g止二毎+1班一+n()由由(1)式可以得到閾值增益為“。功率反射系數(shù)R1=r1r1*,R2=r2r2*。第一項為內(nèi)部損耗，包括介質(zhì)對光子的吸收、散射等;右邊第二項為腔面損耗，即激光器的輸出。當(dāng)R1=R2=R時，上式簡化為、推導(dǎo)2：光強為I(z)的光沿著z方向傳播d

13、z距離后，光強的總變化量dl(z)為:匸1一(.：一-匸»亠匚"iz；八_設(shè)諧振腔內(nèi)A處的光強為IA，要使在諧振腔內(nèi)實現(xiàn)激射，光強為IA的光經(jīng)過兩次鏡面反射后回到A處時的光強應(yīng)等于或大于IA:一二今八"'一三山帀物理意義：當(dāng)光子從單位長度介質(zhì)所獲得的增益等于或大于介質(zhì)的內(nèi)部損耗及腔面損耗時，開始形成激射。>諧振腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩條件l.nL方程(2)石勺物理意義波長的整數(shù)倍縱模間距»>對于發(fā)射隸繪為朝恥血，盟悵為300um的羋導(dǎo)體異質(zhì)鰭GaAB/AIGmAs激光器，GaAa的折肘辜為3.丁，相鄰模式風(fēng)的縱模間距是寥少(恕略色軼怕舉響J?如果

14、ilfc光曙曲增藍(lán)曙在大于激光器損魅的譜畫度為厶那么”有賽少個模式可以激射Y如果腔悵為網(wǎng)叭有冬少個模式可以發(fā)射Y(980ran)222根據(jù)汕兄2£2x3.7x3x105w/?j0.433用燉激射的模式數(shù)二竽二伽dA0.433/j?zj所以*激射的模式數(shù)為的(11) 增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系防0億-人)透明電流密度J0'：增益曲線在電流密度坐標(biāo)上的截距，對應(yīng)剛好滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件(Fc-Fv=hv),增益由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的電流密度。g=So(n-)透明載流子濃度nO:對應(yīng)剛好滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件增益由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的載流子密度。(12) 速率方程速率方程是描述半導(dǎo)體激光器在外界作用下

15、(電注入，光注入)，電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子時,載流子濃度與光子密度隨時間的變化，它包括載流子濃度和光子密度隨時間變化兩個方程，建立了光子和載流子之間的相互作用關(guān)系。若形成穩(wěn)定振蕩的駐波，光子在諧振腔內(nèi)來回一周所經(jīng)歷的光程必須是或者說諧振腔的長度為半波長的整數(shù)倍。每一個q值對應(yīng)光子的一個振第一項：電流的注入而引起的載流子的產(chǎn)生；第二項：受激輻射復(fù)合；第三項：自發(fā)輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。受激發(fā)射光子速率方程:山JJ第一項g（n）S是由于受激輻射引起的光子增加，第二項es/Tph）是由于腔內(nèi)吸收和激光器腔外發(fā)射引起光子的減少，第三項Bsp（n/Tr）是部分自發(fā)輻射耦合到激射模式中而引起光子的增加。（1

16、3）速率方程的推論閾值電流密度由載流子速率方程，當(dāng)JWJth時時,，受激發(fā)射的光子密度很少，可以忽略,即S=0；在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下dn/dt=0nth為閾值載流子濃度。物理意義:激光器在受激發(fā)射之前，所注入的載流子全部用于自發(fā)輻射和非輻射復(fù)合。閾值載流子濃度由受激發(fā)射光子的速率方程，當(dāng)J2Jth時，對于一般半導(dǎo)體激光器,自發(fā)輻射耦合因子很小，Bsp*10-5，先暫時忽略；在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，dS/dt=0匚二Op何S-匚二呦一而&M）二1鐵（禰-如）s»j銳汛子液度與注入電邃寄度的黃系曲端在激光器閾值電流之前，載流子濃度隨電流密度的增加而增加；到達(dá)閾值電流后，載流子濃度被鉗制在閾值載流子

17、濃度處，不再增加（此時增益穩(wěn)定下來）。閾值載流子濃度以上的那部分注入載流子全部用于激光器輸出。AtiS°05=0°0載流子濃度及光子密度與電流密度的關(guān)系忽略自發(fā)輻射耦合的影響（Bsp=O）,穩(wěn)態(tài)時當(dāng)叫卜時丄丿1=%='LLled&卡（八如ea心hnJ曲線當(dāng)1出時*n=考慮自發(fā)輻射耦合的影響（BspHO）,穩(wěn)態(tài)時曲躱0曲觸/'仇P=0Qj2. F-P腔半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)及特性（1）半導(dǎo)體激光器的分類同戰(zhàn)結(jié)1按pn結(jié)的結(jié)構(gòu)劃分:、異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)給IF*腔2按諧振腔反饋形式分布反饋（DFB）分布布拉格反射（DBR）垂直腔面發(fā)射<VCSEL>

18、;玄按有源區(qū)材料側(cè)禺體材料量子阱盤子線量子點(BulkQW)(QL)(QD)單量子阱（SQW）賽量子阱（MQWs；量子級聯(lián)激光器.無導(dǎo)引舐按光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)劃分；|増益導(dǎo)引、折射率導(dǎo)引鼠按出光晤式*側(cè)面發(fā)光垂直腔面發(fā)射弱折射率導(dǎo)引強折射率導(dǎo)引（VCSEL）> 無導(dǎo)引激光器結(jié)構(gòu)：在平行于結(jié)平面的方向上沒有對光場的限制結(jié)構(gòu)。> 增益導(dǎo)引激光器結(jié)構(gòu)：在平行于結(jié)平面的方向上沒有對光場的限制結(jié)構(gòu)，唯一的側(cè)向變化是由注入電流和載流子的側(cè)向擴(kuò)展來決定的載流子濃度在有源區(qū)內(nèi)的分布，即在電極接觸條下方的有源層中心區(qū)域有較高的載流子濃度，向兩側(cè)則逐漸減小，受激輻射率和增益也有類似的變化。因此，把這一物理事實

19、描述為“增益導(dǎo)引”。> 折射率導(dǎo)引激光器結(jié)構(gòu)：在平行于結(jié)平面的方向上設(shè)有對光場的限制結(jié)構(gòu)，這種限制結(jié)構(gòu)是通過有源區(qū)兩側(cè)材料的折射率差來實現(xiàn)的，因此，稱為“折射率導(dǎo)引”（2）半導(dǎo)體激光器的特性> 電流一電壓特性（I-V）> 功率一電流特性（P-I）1閥値電流簽輸出功率仁開啟電壓斗h/2.反向擊穿電壓0'2»04«&MafGwrrwr3”串聯(lián)電阻li/I半導(dǎo)體激光器的效率功率效率nP表征由所加于激光器上的電能（即電功率）轉(zhuǎn)換為輸出的光能（即光功率）的效率澈光磊軸出的光功率=吃11叭辭題所消耗的電功率匕+廠&REJE+廠&Po為激

20、光器輸出的光功率，Vf為激光器pp-nn結(jié)正向壓降，Rs為串聯(lián)電阻內(nèi)量子效率ni_獄光衲嫌里內(nèi)鮮秒斛產(chǎn)生的光于數(shù)pjhv=£n_毎秒聊注入石嫌區(qū)的財亍教宀lvPi為有源區(qū)內(nèi)發(fā)射的光功率 出射效率no丄喊丄_匕_紅R必+口；激光碎出的光功率萬有謀區(qū)內(nèi)攪射的光功率2L'%仏徽光昜每秒忡發(fā)肘出的光子敷巧!hv_J每秒鐘注入有緣丘釈R航子裁二f/eIVf 外量子效率nex 外微分量子效率nD_港光夥每冊疫射出的光子電ift時毎秒鐘發(fā)射出的光子最Ud_每秒轉(zhuǎn)注人有區(qū)的赫子蠡一磁電流時刪榊世入有躲區(qū)的鱉賽子鰲二匕皿_氣譏-規(guī)（/-W_RHwPJfwwEA/hv或.-c;c外量子效率（ne

21、x）與內(nèi)量子效率（ni）的關(guān)系：莎皿'）r.11久=q用三花-；j一z匚二一=_近叫亦）十図"%皿 斜率效率nSE激光器的溫度特性特征溫度To:是表征激光器溫度特性的重要參數(shù)，反應(yīng)激光器的閾值電流對溫度的敏感性，即激光器的穩(wěn)定性，特征溫度越高，激光器的熱穩(wěn)定性越好。特征溫度可以通過測量不同溫度下的閾值電流來求得。Jth=Joejtp(Ta0)lth=l0exp(T/TJ例罰InGaAsP/InPAlGaAs/GaAs25*C60mA40mA40975mA45mA609100mA50mA80P140mA60mA由右圏得:右圖為AIGaAs/GaA&jdInGaAsPln

22、P兩種澈光黑的毗特性曲根據(jù)圖中的數(shù)搖，計算兩種澈光器的特征溯TT。解*根拯1滬1怡沖仃)可以畫出下面的曲線Temfieraliiri?(K)激光器的壽命半導(dǎo)體激光器的閾值電流增加一倍時所經(jīng)歷的時間定義為激光器的壽命。小信號調(diào)制特性可以看出，若要提高調(diào)制響應(yīng)速率：(1) 必須要增加微分增益系數(shù)g0(制冷，采用量子阱結(jié)構(gòu))(2) 降低光子的壽命Tph(縮短激光器腔長，有源區(qū)摻雜)3)提高激光器的功率，使它盡可能地工作在光子密度高的狀態(tài)。3. 量子阱激光器(1)基本概念超晶格(superlattic)：由兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎愋透鳟惖某硬牧辖惶嫔L形成的人工周期性結(jié)構(gòu)。相鄰勢阱內(nèi)電子波函

23、數(shù)會發(fā)生交迭，有很強的耦合，在各量子阱中分立的能級擴(kuò)展成能帶(微帶)。多量子阱(multiplequantumwells,MQWs)：勢壘較厚以致于相鄰勢阱內(nèi)電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期性結(jié)構(gòu)。單量子阱(singlequantumwell,SQW)：只有一個勢阱,(2)量子阱結(jié)構(gòu)在無限深勢阱中運動的電子的總能量兩邊是勢壘的結(jié)構(gòu)。在量子阱中電子和空穴的運動是準(zhǔn)二維的，在x,y方向上可以自由運動，能量在z方向上是量子化的，量子阱內(nèi)形成一組分立的能級。能級的護(hù)*7護(hù)2叫1肌取值與有效質(zhì)量、阱寬、阱深(AEc和和AEv)有關(guān)，能量和量子數(shù)n的平方成正比。兩個相鄰能級之間的能量間隔為:3)量子阱中的態(tài)密度

24、tdk在k平面內(nèi)kk+dk范圍內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為(考慮自旋)：Dgk"皿蘇=4占L上”朮仏/dkni單位能量，單位面積內(nèi)的狀態(tài)密度D(E)為：,-,D(E)=譽在量子數(shù)n=1時",將D(k)代入得單位能量，單位體積內(nèi)的狀態(tài)密度單位體積內(nèi)的狀態(tài)密度P(E)為嗣=詈_益；只有總能量大于E1c的態(tài)才存在的態(tài)才存在。因此，對應(yīng)能量大于E1c的態(tài)密度為：對于其他量子態(tài)也有相應(yīng)的公式。如果量子阱中有n=1,2,3,l個量子態(tài)，則總的態(tài)密度為所有允許的子帶態(tài)密度之和恥2£但陰)=J-立班E-軋)13-1厶7丹我H-I式中mn,是第n個子帶電子的有效質(zhì)量以上結(jié)果也適用于價帶的重空穴和輕

25、空穴。七丄H(E-EQW=1對比體材料態(tài)密度和量子阱材料態(tài)密度：L>n當(dāng)能量E=E5右i渝z丿E»*«a三維、二維、一維、零維態(tài)密度與能量的關(guān)系：Eiitray<?naniuiL3WellQitLiiifuinWijtLutmy（4）量子阱激光器的特點 發(fā)射光波長與量子阱厚度的關(guān)系隨量子阱的厚度減小，發(fā)射波長變短。 窄的光譜線寬DH激光器中，態(tài)密度隨能量變化呈拋物線分布，帶邊態(tài)密度趨近于零，帶間躍遷的光譜線寬較寬；量子阱激光器中，態(tài)密度呈臺階狀分布，對應(yīng)E1cc和E1hh的態(tài)密度都很大，電子能量分布寬度較窄，相應(yīng)的發(fā)射光譜線寬較窄。這也是量子阱激光器易于實現(xiàn)單縱

26、模激射的原因。 低閾值電流特性量子阱激光器中，態(tài)密度呈臺階狀分布，對應(yīng)E1c和E1hh的態(tài)密度都很大，電子能量分布寬度較窄，相應(yīng)的光增益譜變窄，光增益集中到很窄的能量范圍內(nèi)，峰值增益加強，因此，閾值電流密度降低。 高的特征溫度 咼速調(diào)制特性微分增益系數(shù)g0高，因此，能夠在更高的調(diào)制速率下工作，動態(tài)工作特性好。叭=（凰也（-） 高的量子效率和大功率輸出量子阱激光器中，態(tài)密度呈臺階狀分布，吸收系數(shù)在帶邊隨波長的變化很顯著，因此，在量子阱光波導(dǎo)中的吸收損耗比體材料中小，量子轉(zhuǎn)換效率高；另外，閾值電流密度低，所以可以實現(xiàn)大功率輸出。（5）量子阱激光器的優(yōu)點 改變量子阱的厚度可以在相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)改變激射波

27、長； 注入載流子能夠提供更高的增益，減小閾值電流，閾值電流隨溫度的變化小，溫度穩(wěn)定性好； 內(nèi)部損耗小，載流子的注入效率高，能夠產(chǎn)生大的功率輸出； 臺階態(tài)密度分布使光譜線寬窄，量子阱激光器易于實現(xiàn)單縱模激射； 微分增益系數(shù)高，能夠在更高的調(diào)制速率下工作，動態(tài)工作特性好； 由于價帶的輕、重空穴帶量子化能級分離，因此具有TE、TM模式的選擇控制性能。Chap4發(fā)光二極管（LED）1. LED的原理與電學(xué)特性原理：自發(fā)輻射（1）理想的LEDs電流-電壓特性（I-V）UTPE¥滬¥5抑=Vn當(dāng)外加電壓V接近接觸電勢差VD（Vbi）時，電流迅速上升，這個電壓稱為閾值電壓，或開啟電壓。（

28、2）實際的LEDs電流-電壓特性（I-V）對于實際LED式中，“ideal為理想因子，mdeal=12?？紤]串聯(lián)和并聯(lián)電阻的影響時工-z詐恥炯-0.5求串聯(lián)電阻的方法：取并聯(lián)Rp為無窮大，則卩<ujFcsmlJlEfleetnFseriesreitincctRs/+kr/eCHodccrreni:/"P-rDiode*o曲當(dāng)V(V)LEDs典型的電流-電壓特性曲線：參數(shù)：開啟電壓Vf,反向擊穿電壓VB,串聯(lián)電阻RsVoltage(V)(3) 載流子的泄漏與溢出載流子泄露：有源區(qū)內(nèi)的自由載流子分布滿足FermiDirac分布，因此，總有一定量的載流子擁有高于限制層勢壘高度的能量，

29、這部分載流子的濃度為PDOS丿FD(E)旺載流子溢出：當(dāng)增加注入電流時，有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度增加，費米能級上升。當(dāng)電流密度足夠高時，費米能級會達(dá)到勢壘處，有源區(qū)被載流子填滿，電流密度繼續(xù)增加時，有源區(qū)內(nèi)的載流子將不會增加，光輸出達(dá)到飽和。(4)LEDs電壓電流的溫度特性/“尸叫旳,厶I你丿推得隨溫度Tf而I：，故v(r)KTIIn+屜(T)，而Eg(<E)7cSJ.mo2. LED的光學(xué)特性LEEH典型的光功率特性曲線(P-I)iC19J1X'工L：U'"Tivnl>-!.與激光器相比無明顯拐點。(1)效率 內(nèi)量子效率ninternal(internale

30、fficiency)和材料有關(guān) 萃取效率nextraction(extractionefficiency)和LED結(jié)構(gòu)有關(guān) 外量子效率nexternal(externalefficiency) 功率效率npower(powerefficiency)niriternal=LEU有緣區(qū)內(nèi)毎秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)LED有緣云內(nèi)和秒鐘注人的載流子數(shù)q«UflCllwiLED每秒鐘發(fā)射到自由空間的光子數(shù)LED有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子救netflrnsl-PJhvlie_PJhv上PJhvP;LED曄秒鐘發(fā)射到自由空間的光子數(shù)LED有摩區(qū)內(nèi)毎秒鐘注入的載流子數(shù)nPer_也ED岌射到自由空閭的光功率LE

31、D所消耗的氐功率lieeZimmu""extraction(2) 發(fā)射譜在Eph=Eg+kBT處附近，光譜強度I(E)有最大值。光譜線寬Ah(=Eph)的典型值為2.53kBT(3) 光的逃逸圓錐和朗伯發(fā)射光斑假設(shè)一個點光源，它發(fā)射的總功率為Psource，進(jìn)入到全反射圓錐內(nèi)的光都能夠輻射出來，輻射功率為Pescape，則escape.1爲(wèi)!T比Ui燉4對于平面LED，朗伯光斑表達(dá)式如下。60°時lair減小到1/2.4jtr%一lb)(d)Rkmi-XilwririiELEDParalinlicLEDnaiinrT.ETDpnfWHTPhi"I.-FD

32、IJtmhphe佯calI.4ZDrwuk-iii<L!i.T>Sami-(cL<Jui：u.rLi0emiltinrit.ITgWft（4）LEDs發(fā)射強度與溫度的關(guān)系強審"八門。注意負(fù)號。（和Eg有關(guān)）LED的壽命用強度定義，強度降到70%或50%所用時間。高溫、大電流能加速老化。（5）白光LED的獲得雙色：藍(lán)+黃三色：藍(lán)+綠+紅四色：藍(lán)+青+綠+紅ta)Di-ctwcmalKKXifCTKluif.ifRMrLsJidLhl)丄上A.(LJTri.SfweawiifUUICL!MMM葉LCP弛$rtllTp'ijjphQr迫Hl也白andi&slEDpi&g'nphoephcfU1/LEUpiu£ifi-fhw.fnoq81兇h臼尹,9"WrindredLFD日Ig仍輛珅rMLEDrbi九nrrsm口hGipi卜nrBM49>*9lrMLEDpKfc陽niinriflrnmrshH詁itx2影響LEDs亮度的因素&g