半导体LED原理.ppt
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1、第四章 光 源,主要内容,半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD),4.1 光源的物理基础,半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料,原子核,电子,高能级,低能级,孤立原子的能级,围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离 散值(离散轨道),这种现象称为电子能量的量子化。,电子优先抢占低能级,N个原子构成晶体时的能级分裂,N = 4,N = 9,当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带,满带:各个能级都被电子填满的能带,禁带:两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性,能带的分类,空带:所有能级都没有电子填充的能带,
2、价带:由最外层价电子能级分裂后形成的能带,未被电子占满的价带称为导带,禁带的宽度称为带隙,导体、绝缘体和半导体,导体: (导)价带电子,绝缘体: 无价带电子 禁带太宽,半导体: 价带充满电子 禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,光作用下的跃迁和辐射,E2 - E1 = hv,E1,E2,(a) 受激跃迁,hv,E1,E2,(b) 自发辐射:非相干光,hv,E1,E2,(c) 受激辐射:相干光,hv,hv,hv,N1:处于低能级的粒子数量 (价带电子数) N2:处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 N2,正常粒子数分布,光吸收大于光辐射。当光
3、通过这种半导体时,光强按指数衰减。 (2) N2 N1,粒子数反转状态,光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时,会产生放大作用。,半导体粒子分布状态,问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?,硅的晶格结构,硅的晶格结构 (平面图),本征半导体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,Si电子受到激励跃迁到导带,导致电子和空穴成对出现,E,此时外加电场,发生电子/空穴移动导电,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg = 1.1 eV,电子态数量,空穴态数量,电子浓度分布,空穴浓度分布,空穴,电子,本征半导体的能带图,电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁,电子或空隙的浓度为:,其中 为材料的特征常数,
4、kB 为玻耳兹曼常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量,本征载流子浓度,例:在300 K时,GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg, me = 0.068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3,As+4,As+5,非本征半导体材料:n型,掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后,某些电子受到很弱的束 缚,只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。,施主杂质,施主能级,被施主杂质束缚
5、住的多余电子所处的能级称为施主能级 施主能级位于离导带很近的禁带 施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,非本征半导体材料:p型,掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al),晶体只需要很少的能量 DEA Eg 就可以产生自由空穴,B,受主杂质,受主能级,被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 受主能级位于靠近价带EV的禁带中 空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴,电子浓度分布,空穴浓度分布,受主能级电离使导带 空穴浓度增加,电子能量,在热平衡的条件下,对于(非)本征半导体
6、,两种载流子的乘积等于一个常数:,浓度作用定律,本征材料:电子和空穴总是成对出现,非本征材料:一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少,多数载流子:n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子:n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子,pn结,2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动,反向偏压使耗尽区加宽,扩散运动被抑制,只存在少数载流子的漂移运动,正向偏压使耗尽区变窄,扩散 漂移,n型,p型,电致发光,正向偏压使pn节形成一个增益区: -导带主要是电子,价带主要是空穴,实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合,产生自发辐射光,外加正
7、偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光,hv,直接带隙:导带的最低位置位于价带最高位置的正上方;电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金,典型的如GaAs等。 间接带隙:导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方;电子空隙复合需要声子的参与,声子振动导致热能,降低了发光量子效率。,发光材料的选择,例子:光源硅集成还在探索中,Luxtera 410-Gb/s光收发器照片,主要内容,半导体物理简介 发光二极管 (LED) 半导体激光器 (LD),4.2 发光二极管 (LED),原理:外加电场实现粒子数反转,大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED: 1. 驱动电路简单
8、 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点: 4. 输出功率不高:几个毫瓦 5. 谱宽很宽:几十个纳米到上百纳米 应用场合:短距离传输,同质pn结,存在的问题: 增益区太厚(110 mm),很难把载流子约束在相对小的区域,无法形成较高的载流子密度 无法对产生的光进行有效约束,同质pn结: 两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结 特点: - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成,双异质结构,异质结,0.3 mm,不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚,不连续分布的折射率 加强对产生光子的约束,面发光二极管,优点:LED到光纤的耦合效率高,
9、载流子注入,边发光二极管,优点:与面发光LED比,光出射方向性好 缺点:需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30,120,化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物),LED光源的材料和工作波长,单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源,LED基本材料: - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝):800850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓):10001700 nm长波长光源 x和y的值决定了材料的带隙,也就决定了发光波长,合金比率与发光波长的关系,LED的输
10、出光谱,特点:1. 自发辐射光 - LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽,- 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nm,LED的内部量子效率和内部功率,内量子效率 hint,那么LED的内部发光功率为:,例,一双异质结InGaAsP材料的LED,其峰值波长为1310 nm,辐射 性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns,驱动电 流为40 mA。可以得到:,可以得到LED的内部发光功率为:,其中T(f) 为菲涅尔透射系 数。,假定外界介质为空气 (n2 = 1
11、),外量子效率为: 例:LED典型的折射率为3.5,那么其外量子效率为1.41%,即 光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。,和,LED的外部量子效率和外部功率,LED的P-I特性,驱动电流较小 - LED P-I特性线性度好 驱动电流较大 - pn结发热产生饱和现象 - 曲线斜率减小 通常,LED工作电流为50100mA,输出光功率为几毫瓦,LED的频率响应可以用下式求解,式中w为调制频率,P(w)为输出光功率,e为注入载流子寿命。 当wc = 1/e时,P(wc) = 0.707P(0)。在接收机中,检测电流正比于光功率。光功率下降到 0.707 时,接收电功率下降到0.7072
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- 半导体 LED 原理
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