南京邮电大学光电子作业及答案(第二章)

为什么在同质结LED中，应该使电子注入电流尽量大，空穴注入电流尽量小，或者说用P区作为出光区，而在异质结LED中，并不需要这样做？2.2节思考题1:同质结LED为提高注入效率，应采用P区作为出光区，使电子注入电流尽量大，空穴注入电流尽量小；在异质结LED中，N区和P区分别向有源区注入电子和空穴，且有源区两边异质结的势垒可限制注入该区的两种载流子；电子和空穴复合产生的光子，无论从P区还是N区出射，都不会被吸收，因此并不局限在以P区作为出光区。nehDpAheJNJN2030ehGRnninjnpnpJJJJJJJ同质结LED的注入效率：思考题2:与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射LED与光纤之间的耦合效率更高？对于普通面发射LED，由于在水平和垂直方向都没有限制，因此其水平和垂直方向的散射角都为120°；而对于边发射LED，虽然平行于结平面方向没有限制，水平散射角虽仍是120°；但在垂直于结平面方向对光有限制，其垂直散射角是30°，因此边辐射LED与光纤之间的耦合效率更高。P-N+型同质结构成的LED，参数如下。计算其注入效率。nsnscmNPcmNNscmDscmDpnadp101010105/12/2531631722n空穴少数载流子寿命电子少数载流子寿命区掺杂浓度区掺杂浓度空穴扩散系数电子扩散系数【习题2.1】nponinjnpopnonpeDnLeDneDpLL【解】少子浓度为2ipannN624316(210)41010cm2indnpN626317(210)810510cm扩散长度为：nnnDL128(25)(10)5mpppLD128(12)(10)3.46m4446442541051025410128105103.46100.986nponinjnpopnonpeDnLeDneDpLL注入效率为：【习题2.2】一个LED，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿命为2ns，非辐射复合寿命为5ns，求此LED的3dB截止带宽。1111.422ccfMhz1111172510rnr107ns2ccf【解】【习题2.3】P-N+型同质结构成的LED，参数与习题2.1相同，其产生光功率为1mW，器件横截面积为1mm2，辐射效率为20%。求正向偏置电压。（工作温度300K）315119104.3710(1.43)(1.610)phPowerIs19151(1.610)(4.3710)3.490.2phnQreICsImAnphQrIIe342219243ln(1)(3.5410)(5.010)(0.026)ln[1]1.02(10)(1.610)(25/)(410)nnnpILkTVeAeDnAcmVcmCcmscm【解】【习题2.4】在GaAs-LED外加圆形电介质罩，光束由LED向电介质罩出射时，在界面的反射率为10%，计算此电介质罩材料的折射率。23.660.13.66nRn电介质罩材料的折射率n电极LED从半导体材料到电介质罩的反射率R为1.9n【解】【习题2.5】GaAs材料制作的P-N+同质结LED，器件参数如下。请计算：（1）总量子效率；（2）单位时间内产生的光子数；（3）注入电流。ns0.5ns0.225.08.0Wm5.1Pnrroptinj非辐射复合寿命辐射复合寿命出光效率注入效率输出光功率110.71431125Qrrnr（1）总量子效率；0.80.250.7140.143TotinjQropt（2）单位时间内产生的光子数3161ph191.5102.62100.251.431.610optPWIshJ（3）注入电流1916ph1.6102.62107.350.71430.8QrinjeIImA193191.6101.5107.350.143(1.431.610)totePImAhtotPhIe或【解】【习题2.6】GaAs材料的LED，输出功率为5mW，横截面积100um2，器件出光效率为0.2，载流子的辐射复合寿命为5ns。器件的非辐射复合忽略不计，注入效率为1。计算有源层厚度是多少。391918382(510)(510)5.5(0.2)(1.43)(1.610)(10)(10010)rPWsdmnAJcmcmphrIndAPIe（题目中取n=1018cm-3）【解】2.3节思考题:1.激光器的基本结构由哪几部分组成？半导体激光器有什么突出特点？激光器的基本组成部分:增益介质谐振腔泵浦源结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性；半导体激光器的驱动电源也较简单，需要的电流、电压均很小，因此工作较方便和安全。优点：2.什么是半导体激光器的阈值条件?阈值条件：光子在谐振腔内往返一次，不产生损耗而能维持稳定的振荡或形成稳定的驻波。12o4πexpj1nrrL3.光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。12iexp()1rrgLo4πexpj1nL阈值振幅条件相位条件4.阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？阈值增益：thi1211ln2gLRR尽量减少光子在介质内部损耗、适当增加增益介质的长度和对非输出面镀以高反射膜。降低LD的阈值增益：5.激光器的纵模间隔是多少？纵模波长间隔2oooodd21dnnLn纵模频率间隔忽略色散：Lnd2200Lncd2（2.4节）1．为什么同质结激光器不能在室温下连续工作？为什么其光场分布相对于结平面不对称分布？（1）同质结LD有源区的厚度主要由p区电子的扩散长度所决定；而它是随温度的增加而增加的，室温时的Ln可达5微米。在如此厚的有源区内实现粒子数反转，需要大的注入载流子浓度；在一个Ln范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展；所以，同质结LD阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化。同质结室温下的阈值电流密度高达104A/cm2量级，只能在液氮温度下才能连续工作；（2）结附近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光波导效应，但由于电子有比空穴高的迁移率因而有大的扩散长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向p区一侧。作业:教材138页第1-3题答：答：（1）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加；（2）因为在侧向对电子和光场也有限制，有利于减少激光器的阈值电流和工作电流；（3）由于有源层被埋在导热性能良好的无源晶体中，减少了激光器的热阻，有利于提高激光器的热稳定性。（4）由于有源区面积小，有源层缺陷少。同时，除解理面外，有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性。（5）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。（2.5节）2．条形半导体激光器有哪些优点？为什么？（2.5节）3．在条形半导体激光器中测向电流扩展和侧向载流子扩散在物理概念上有何不同？如何减少这两种影响？答：电流与载流子的侧向扩展都是载流子运动的结果，但前者是pn结间多数载流子在电场作用下侧向的漂移运动，而后者是注入的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其产生侧向扩散。为减少侧向电流扩展，必须形成良好的电流通道。可用质子轰击或氧注入的方法在所需的电流通道区两侧形成高阻区；也可用深锌扩散的方法使所需的电流通道区相对于两侧形成低阻区，更有效的方法是采用反向pn结阻止电流的扩展。为防止载流子的侧向扩散，可采取以下措施：（1）限制注入电流的侧向扩展；（2）在有源区两侧侧用pn同质结势垒限制载流；（3）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。（2.4节）1、描述单异质结半导体激光器的结构。解释说明其相对于同质结的优越性。并说明其缺点。答：单异质结半导体激光器由一个同质结和一个异质结构成，有源层（p-GaAs）被夹在（n-GaAs）和宽带隙材料（P-GaAlAs）之间。从n-GaAs注入p-GaAs的电子就会受到p-GaAs/P-GaAlAs异质结势垒的限制，在同样的注入速率下，这将使有源层积累的非平衡少数载流子浓度增加；同时异质结两边材料的折射率差所形成的光波导效应，限制了有源区中所激发的光子从横向逸出该异质结而损失掉；单异质结已使激光器的阈值电流密度比同质结激光器低一个数量级。pn同质结对注入有源层的空穴向n区扩散没有限制，同时对光子也只有很弱的光波导效应。因此，为了达到粒子数反转所需的载流子浓度，仍需在n区重掺杂（3～4×1018/cm3）作业:补充1-3题（2.4节）2、描述双异质结半导体激光器的结构。并简要说明其优点。答：双异质结半导体激光器的结构：有源层p-GaAs被夹在宽带隙材料P-GaAlAs和N-GaAlAs之间。优点：由于利用双异质结对载流子和光子的限制作用加强，阈值电流密度比单异质结结构下降了近一个数量级；双异质结结构上的对称性，带来了折射率和光强分布的对称性。（2.4节）3、目前对异质结半导体LD的研究主要集中在哪些方面？答：（1）提高激光器工作寿命，研究激光器性能退化和失效的机理，提高激光器长期工作的稳定性与可靠性，发展各种条形结构的激光器，降低阈值电流。（2）扩展半导体激光器的工作波段。（3）压缩半导体激光器输出光谱宽度（线宽）和适用在高速调制下的单纵模工作（即动态单纵模）。（4）提高半导体激光器的输出功率和输出光束的相干性，使光子从信息领域扩展到以光子为能量载体的材料加工领域。2.5-4、条形激光器按在侧向的波导机构可以分为那两类？有什么区别？答：条形激光器按它们在侧向的波导机构分为两类，即增益波导与折射率波导。增益波导是半导体芯片纵向中心区域内形成一注入电流的通道，使有源层中心部分的增益（或复介电常数的虚部）高于其两侧；侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射率差来实现的。