半導(dǎo)體光電子器件復(fù)習(xí)總結(jié)

1、半導(dǎo)體光電子器件課程梳理Chap 1 緒論1. 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展 第一發(fā)展階段同質(zhì)結(jié)構(gòu)注入型激光器（二十世紀(jì)60年代初）特點(diǎn)：對(duì)注入的載流子和光場(chǎng)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)展階段單異質(zhì)結(jié)注入型激光器（二十世紀(jì)60年代末）特點(diǎn)：利用異質(zhì)結(jié)提供的勢(shì)壘把注入電子限制在GaAS P-n結(jié)的結(jié)區(qū)內(nèi)，降低閾值電流密度 第三發(fā)展階段雙異質(zhì)結(jié)注入型激光器（二十世紀(jì)70年代初） 特點(diǎn)：1）窄帶隙的有源區(qū)兩側(cè)的寬帶隙材料對(duì)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?chǎng)的大部分限制在有源區(qū)內(nèi)，從而減小閾值電流密度。 第四發(fā)展階段量

2、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(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展（包括分子外延MBE，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD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(diǎn) 小而輕、轉(zhuǎn)換效率高、省電、壽命長(zhǎng)； 制造工藝與電子器件和集成電路工藝兼容，便于實(shí)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(zhǎng)范圍寬。 3. 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用光通訊、光存儲(chǔ)、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。Chap 2 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的定義：由兩種基本物理

3、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-功函數(shù)，-電子親和勢(shì)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(shí)，尖峰位于勢(shì)壘的頂端，稱為高勢(shì)壘尖峰；p區(qū)摻雜比N區(qū)少時(shí)，尖峰位于勢(shì)壘的根部，稱為低勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)度耗盡區(qū)內(nèi)電中性條件內(nèi)建電勢(shì)差內(nèi)建電勢(shì)差分配比故(由于帶邊的不連續(xù)，內(nèi)建電勢(shì)差不再代表勢(shì)壘的總高度了。)空間電荷區(qū)寬度3. 異質(zhì)pN結(jié)的伏安特性（1）擴(kuò)散模型電流電壓方程對(duì)于pN型異質(zhì)結(jié)， 型異質(zhì)結(jié)，Ec和Ev都是正值，而且一般遠(yuǎn)大于k0T，故JnJp，表明通過異質(zhì)結(jié)的電流

4、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)射模型忽略由p向N的電子，則電流密度可表示為： （）（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(shí)，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。式中，E=Ec+Ev=Eg2-Eg1，Eg2和Eg1分別表示寬帶N區(qū)和窄帶p區(qū)的禁帶寬度。Dnp、DpN、Lnp、LpN相差不大，都在同一數(shù)量級(jí)，而exp(E/k0T)1，說明注入比很大，即使NDN NAp，注入比仍然很大。（2）超注入現(xiàn)象因?yàn)镋cp代入和得到含躍遷幾率的光子密度表達(dá)式與黑體輻射理論中的表達(dá)式比較，得到愛因斯坦系

5、數(shù)關(guān)系：（8）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件（伯納德杜拉福格關(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)射速率大于零0 將f2 和f1 代入，并整理得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件：。注：物理意義：導(dǎo)帶能級(jí)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(jià)帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率，只有這時(shí)在緊靠導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)呐c輻射躍遷相聯(lián)系的能量范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。異質(zhì)結(jié)和利用高注入比和超注入實(shí)現(xiàn)，同質(zhì)結(jié)可用重?fù)诫s實(shí)現(xiàn)。（9）光增益 推導(dǎo)過程：（3）（4）（5）由（3）、（4）和（5）式得光增益系數(shù)與導(dǎo)帶和價(jià)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（f2f1）項(xiàng)中。 引入光限制因子，反應(yīng)光場(chǎng)的

6、泄漏，它相當(dāng)于受激發(fā)射的有效面積減小。則光增益系數(shù)變?yōu)槲障禂?shù) 增益譜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(dòng) 并向高能量方向移動(dòng)增益為負(fù)值，即為吸收原因：由于帶填充效應(yīng)（band filling effect)，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，增益峰向高能量方向移動(dòng)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)傳播其中。閾值條件要求光子在諧振腔內(nèi)往返一次后r1、r2為場(chǎng)光場(chǎng)在兩個(gè)諧振腔面上的場(chǎng)反射系數(shù)由由（1）式可以得到閾值增益為。功率反射系數(shù)R1r1r1*，R2r2r2*。第一項(xiàng)為內(nèi)部損耗

7、，包括介質(zhì)對(duì)光子的吸收、散射等；右邊第二項(xiàng)為腔面損耗，即激光器的輸出。當(dāng)R1R2R時(shí)，上式簡(jiǎn)化為推導(dǎo)2：光強(qiáng)為I(z)的光沿著z方向傳播dz距離后，光強(qiáng)的總變化量dI(z)為:設(shè)諧振腔內(nèi)A處的光強(qiáng)為IA，要使在諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)激射，光強(qiáng)為IA的光經(jīng)過兩次鏡面反射后回到A處時(shí)的光強(qiáng)應(yīng)等于或大于IA:物理意義：當(dāng)光子從單位長(zhǎng)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(shí)，開始形成激射。 諧振腔內(nèi)穩(wěn)定振蕩條件方程（2）物理意義：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)歷的光程必須是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，或者說諧振腔的長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。每一個(gè)q值對(duì)應(yīng)光子的一個(gè)振蕩頻率或波長(zhǎng)，或者說對(duì)應(yīng)一個(gè)縱模

8、模式。 縱模間距（11）增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系透明電流密度J0：增益曲線在電流密度坐標(biāo)上的截距，對(duì)應(yīng)剛好滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件(Fc-Fv=h),增益由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的電流密度。透明載流子濃度n0:對(duì)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（電注入，光注入），電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子時(shí),載流子濃度與光子密度隨時(shí)間的變化，它包括載流子濃度和光子密度隨時(shí)間變化兩個(gè)方程，建立了光子和載流子之間的相互作用關(guān)系。載流子速率方程： 第一項(xiàng)：電流的注入而引起的載流子的產(chǎn)生；第二項(xiàng)：受激輻射復(fù)合；第三項(xiàng)：自發(fā)輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。受激發(fā)射光子速率

9、方程： 第一項(xiàng)g(n)S是由于受激輻射引起的光子增加，第二項(xiàng)（-S/ph)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(xiàng)sp(n/r)是部分自發(fā)輻射耦合到激射模式中而引起光子的增加。（13）速率方程的推論 閾值電流密度由載流子速率方程，當(dāng)JJth時(shí)時(shí)，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)JJth時(shí)，對(duì)于一般半導(dǎo)體激光器,自發(fā)輻射耦合因子很小，sp10-5，先暫時(shí)忽略；在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，dS/dt=0在激光器閾值電流之

10、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濃度處，不再增加（此時(shí)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。 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（sp=0），穩(wěn)態(tài)時(shí)考慮自發(fā)輻射耦合的影響（sp0），穩(wěn)態(tài)時(shí)2. 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 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(duì)光場(chǎng)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(duì)光場(chǎng)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)

11、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(shí)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(duì)光場(chǎng)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(shí)現(xiàn)的，因此，稱為 “折射率導(dǎo)引”。（2）半導(dǎo)體激光器的特性 電流電壓特性（I-V） 功率電流特性（P-I） 半導(dǎo)體激光器的效率功率效率P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Po為激光器輸出的光功率，Vf為激光器pp-n n結(jié)正向壓降，Rs為串聯(lián)電阻。內(nèi)量子效率iPi為有源區(qū)內(nèi)發(fā)射的光功率出射效率o外量子效率ex外微分量子效率D或外量子效

12、率（ex）與內(nèi)量子效率（i）的關(guān)系：斜率效率SE 激光器的溫度特性特征溫度T0：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(duì)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(cè)量不同溫度下的閾值電流來求得。 激光器的壽命半導(dǎo)體激光器的閾值電流增加一倍時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間定義為激光器的壽命。 小信號(hào)調(diào)制特性令調(diào)制電流 ,代入速率方程得調(diào)制響應(yīng)求分母的最小值可以得到峰值頻率p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ph（縮短激光器腔長(zhǎng)，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

13、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(zhǎng)形成的人工周期性結(jié)構(gòu)。相鄰勢(shì)阱內(nèi)電子波函數(shù)會(huì)發(fā)生交迭，有很強(qiáng)的耦合，在各量子阱中分立的能級(jí)擴(kuò)展成能帶（微帶）。多量子阱（multiple quantum wells，MQWs）：勢(shì)壘較厚以致于相鄰勢(shì)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（singlequantum well，SQW）：只有一個(gè)勢(shì)阱，兩邊是勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)。（2）量子阱結(jié)構(gòu)在無限深勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)的電子的總能量在量子阱中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)二維的，在x,y方向上可以自由運(yùn)動(dòng)，能量在z方向上是量子化

14、的，量子阱內(nèi)形成一組分立的能級(jí)。能級(jí)的取值與有效質(zhì)量、阱寬、阱深（Ec和和Ev）有關(guān)，能量和量子數(shù)n的平方成正比。兩個(gè)相鄰能級(jí)之間的能量間隔為：（3）量子阱中的態(tài)密度在k平面內(nèi)kk+dk范圍內(nèi)的狀態(tài)數(shù)為（考慮自旋）：?jiǎn)挝荒芰?，單位面積內(nèi)的狀態(tài)密度D(E)為：在量子數(shù)n1時(shí)，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(E)為只有總能量大于E1c的態(tài)才存在的態(tài)才存在。因此，對(duì)應(yīng)能量大于E1c的態(tài)密度為：對(duì)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(gè)量子態(tài)，則總的態(tài)密度為所有允許的子帶態(tài)密度之和式中mn,c是第n個(gè)子帶電子的有效質(zhì)量以上結(jié)果也適用于價(jià)帶的重

15、空穴和輕空穴。對(duì)比體材料態(tài)密度和量子阱材料態(tài)密度：三維、二維、一維、零維態(tài)密度與能量的關(guān)系：（4）量子阱激光器的特點(diǎn)發(fā)射光波長(zhǎng)與量子阱厚度的關(guān)系隨量子阱的厚度減小，發(fā)射波長(zhǎng)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(tái)階狀分布，對(duì)應(yīng)E1c c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(shí)現(xiàn)單縱模激射的原因。低閾值電流特性量子阱激光器中，態(tài)密度呈臺(tái)階狀分布，對(duì)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)

16、，峰值增益加強(qiáng)，因此，閾值電流密度降低。高的特征溫度高速調(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(dòng)態(tài)工作特性好。（）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(tái)階狀分布，吸收系數(shù)在帶邊隨波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)大功率輸出。（5）量子阱激光器的優(yōu)點(diǎn)改變量子阱的厚度可以在相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)改變激射波長(zhǎng)；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(tái)階態(tài)密度分布使光譜線寬窄，量子阱激光器易于實(shí)現(xiàn)單縱

17、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(dòng)態(tài)工作特性好；由于價(jià)帶的輕、重空穴帶量子化能級(jí)分離，因此具有TE、TM模式的選擇控制性能。Chap 4 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），當(dāng)外加電壓V接近接觸電勢(shì)差VD（Vbi）時(shí)，電流迅速上升，這個(gè)電壓稱為閾值電壓，或開啟電壓。（2）實(shí)際的LEDs電流-電壓特性（I-V）對(duì)于實(shí)際LED式中，nideal為理想因子，nideal=12?？紤]串聯(lián)和并聯(lián)電阻的影響時(shí)求串聯(lián)電阻的方法：取并聯(lián)Rp為無窮大，則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V

18、B，串聯(lián)電阻Rs（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(shì)壘高度的能量，這部分載流子的濃度為載流子溢出：當(dāng)增加注入電流時(shí)，有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度增加，費(fèi)米能級(jí)上升。當(dāng)電流密度足夠高時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)達(dá)到勢(shì)壘處，有源區(qū)被載流子填滿，電流密度繼續(xù)增加時(shí)，有源區(qū)內(nèi)的載流子將不會(huì)增加，光輸出達(dá)到飽和。（4）LEDs電壓電流的溫度特性由推得，而Eg隨溫度T而：，故2. LED的光學(xué)特性與激光器相比無明顯拐點(diǎn)。（1）效率內(nèi)量子效率internal (internal efficiency)和材料有關(guān)萃取效率extractio

19、n(extraction efficiency)和LED結(jié)構(gòu)有關(guān)外量子效率external(external efficiency) 功率效率power(power efficiency)（2）發(fā)射譜在Eph= Eg+ kBT處附近，光譜強(qiáng)度I(E)有最大值。光譜線寬hn(= Eph)的典型值為2.53 kBT（3）光的逃逸圓錐和朗伯發(fā)射光斑假設(shè)一個(gè)點(diǎn)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，則對(duì)于平面LED，朗伯光斑表達(dá)式如下。60時(shí)Iair減小到1/2.（4）LEDs發(fā)射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。注意負(fù)號(hào)。（和Eg有關(guān)）LED的壽命用強(qiáng)度定義，強(qiáng)度降到70%或50%所用時(shí)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2.影響LEDs亮度的因素 LEDs結(jié)構(gòu)（雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、電子阻擋層） 有源區(qū)、限制層的摻雜及有源區(qū)厚度 晶格失配（） 表面復(fù)合 芯片形狀（垂直形狀利于出光） 剝離光