5第五章光电子器件物理基础

5.1材料类型在光纤通信用的光器件的研究中，研究思路有三个方面：①积极寻找各种新型材料；②揭示新型材料的物理效应与新的应用途径；③进一步完善现有的微电子工艺。15.1.2半导体材料第五章光电子器件物理基础（A）制造光纤通信用光器件：半导体材料、非半导体材料和其它材料。半导体材料：直接带隙材料、间接带隙材料直接带隙材料：一个电子和一个空穴相复合并辐射一个光子的材料。间接带隙材料：一个电子和一个空穴发生非辐射相复合的材料。25.1.2半导体材料•激光器的自发辐射波长是由直接带隙材料的带隙能量所决定的。•制造电致发光光源的半导体材料要求：①形成PN结，对于载流子注入，材料本身有助于形成具有合适特性的PN结；②有效的电致发光，具有高概率的辐射跃迁和高的内量子效率；③可用的发射波长，波长应在850nm~1700nm。3•通过改变它们的组成元素的比例系数x和y可以使它们的能带结构、带隙宽度发生变发射谱的范围。4LiNbO3、LiTaO3具有优异的电光、声光、磁光、热光等性能（光开关、调制器）。电光效应:外加电场引起介质的光学，如折射率性能的变化。55.1.3非半导体材料光波导材料：玻璃材料和聚合物材料。65.1.4其它材料材料的折射率n是决定光学传播规律的基本参数。①当介质的折射率n为常数时，直线传播；②当光波由n=n1材料射向n=n2材料时，在两种介质的界面上发生反射和折射；③当介质的折射率n为变量时，曲线传播。75.2材料特性5.2.1折射率光在介质中传输时，光波和传输介质要发生相互作用。介质与不同波长的光相互作用时，其传播特性也随光的波长而变化。通过选择不同材料，可以制造出不同的工作波长的光器件（光纤、激光器和光纤放大器）。光波的传输特性和传输介质的几何尺寸有关：大于光波长----自由空间----几何光学接近于光波长----电磁场传输模式----波动光学。85.2.2工作波长95.3半导体物理基础5.3.1作用光源作用：电流形式电能→光能→注入光纤进行传输。光纤通信用光源：发光二极管、激光器发光二极管：自发辐射发光，功率小且谱线宽的非相干光，直接带隙的半导体材料。激光器：受激辐射发光，功率大、光谱性能好、光电转换效率高。利用半导体晶体有源区产生实现粒子数反转形成光增益，通过谐振腔建立光反馈，形成稳定的激光振荡。能带概念在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为表示能量高低，下图用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。105.3.2能级跃迁电子能级图11大量原子集合构成能带12晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异,大量彼此分离而又挨得很近的能级实际上形成了一个连续的能带。13两个能带之间的区域表示不允许固体中的电子占据,这个区域称为禁带或带隙。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带,每一个能级上都没有电子的能带称为空带。14原子中最外层的电子称为价电子,与价电子能级相对应的能带称为价带。价带以上能量最低的允许带称为导带。导带底的能级表示为，价带顶的能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。cE15导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动(形成电流)来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同,导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。1617半导体的价带和导带之间存在小带隙，容易产生能带之间的跃迁，通过电子-空穴复合发光。绝缘体半导体导体EcEvE9E9导带禁带价带18Eg导带(禁带宽)价带产生和复合由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。5.3.3辐射19受激辐射：当受到外来的能量的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。光的受激辐射过程12EEh图光的受激辐射过程受激辐射20受激辐射的特点当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被“放大”了光的受激辐射过程是产生激光的基本过程（受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明）12EEh21受激吸收受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程光的受激吸收过程特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程12EEh图光的受激吸收过程22自发辐射：1）处在高能级的自发行为；2）产生的光子能量相同，相位各异；3）发射的光是一种光谱范围很宽大的非相干光。受激辐射：1）光子可以引起电子产生能级跃迁并发射新的光子；2)产生的新光子与入射感应光子在能量（或频率）和传播方向完全一致；3）发射的光是一种光谱很窄的相干光。吸收辐射：1）吸收辐射需要消耗外来的光能；2）吸收光子，形成电子-光子对，完成光电转换过程。发光二极管：自发辐射；激光器：受激辐射；光电二极管：吸收辐射235.3.4粒子数反转粒子数反转：为了获得受激辐射光放大作用，必须使原子产生一个非平衡分布，使高能级的电子数远远多于低能级的电子数。221=,=,=RANRBNRCN自发受激吸收21exp(/)exp(/)gBBNEkThvkTN（波耳兹曼统计分布）泵浦过程：为了获得粒子数反转，必须使用外部能源将电子激发到高能级，从而获得非平衡分布的过程。粒子数反转的作用：引起受激辐射，而受激辐射是激光器实现光放大工作的先决条件。24A、B、C三个系数的关系在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为，则有如下关系式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T221ANdtBNdtCNdt自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数221ANBNCN25光谱密度为/()exp(-1BABC/Bhv/kT）338/()exp(-1BhvcC/Bhv/kT）黑体辐射光谱密度（普朗克公式）为在热平衡中，两密度相等，可得338/=AhvcBCB（），265.3.5能带理论12()1exp[()/]c2fcBfEE-EkT电子在导带中费米分布11()1exp[()/]v2fvBfEE-EkT空穴在价带中费米分布f(E)称为费米分布函数，EF是费米能级，k是波耳兹曼常数，T是热力学温度2712212()()[1)]dccvcvemERBE,EfEf(EE受激（）12212()()[1)]dcvccvemERBE,EfEf(EE吸收（）受激辐射速率吸收辐射速率12212()()[1]dccvcvERAE,EfEf(E)E自发（）3/21/223(2)()2rcvgmE单位能量范围内的单位体积的状态数自发辐射速率RR受激吸收粒子数反转的条件：21()()cvfEfE21cvffgEEEEE=cvffEE费米能级之间的间距大于带隙热平衡中，使用泵浦的方式实现费米能级分开，而泵浦常用的方法是偏压PN结295.3.6掺杂作用参杂的作用：改变半导体的导电性能。没有掺杂的纯硅材料为本征材料30多余电子磷（P)，锑（sb)等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子31结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。32P型半导体硼（B）铝（AL）镓（GA）等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是“空穴”。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。图表示P型半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的Ⅲ族杂质原子，通常称之为受主杂质。空键接受电子空穴33小结：纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体。345.3.7PN结要形成一个有用的半导体微电子或光电子器件，单靠一种导电类型(n型或p型)的半导体材料是不够的。通常需要把两种不同导电类型的半导体，或半导体与金属或半导体与绝缘体结合形成界面或p-n结。p-n结并非是把两种导电类型不同的半导体材料简单地连接起来形成的，而是在一块n型(或p型)半导体衬底上用适当的工艺方法(如合金法、扩散法、离子注入法)掺入p型(或n型)杂质，或者是在n型(或p型)材料上通过外延工艺生长p型(或n型)材料形成一定的杂质分布而构成的。35p-n结的形成p型和n型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在n型(或p型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(或五价)杂质，使其变为p型(或n型)半导体，在p型和n型半导体的交界面就会形成p-n结，而p-n结是构成各种半导体微电子和光电子器件的基础。36p型半导体中，价带有大量的空穴，n型半导体中，导带有大量的电子。根据扩散原理，在p-n结附近就会有空穴从p区向n区扩散，与n区的导带电子相复合，在p区留下一些带负电的电离受主。37p-n结两侧附近没有相应的导带电子和价带空穴与之中和，我们把它们称为空间电荷。于是在p-n结两侧形成了空间电荷区，如图所示。n区一侧带正电，p区一侧带负电，正负电荷之间产生一个内建电场ε，其方向由正电荷指向负电荷，即从n区指向p区。38p-n结两侧空间电荷区的形成内建电场使导带电子和价带空穴作漂移运动，很明显漂移运动的方向与扩散运动的方向相反。当两块典型半导体刚接触时，扩散运动占优势，空间电荷区逐渐扩展，内建电场也随之增强，于是漂移运动不断加强，最后达到平衡。这时扩散作用与漂移作用相抵消，空间电荷区不再扩展，保持一定的宽度，相应存在一定的内建电场。39在没有外加电压时，由于载流子的扩散作用和漂移作用相抵消，所以在p-n结中是不会有电流的，此时p-n结处于热平衡状态。在空间电荷区中存在着内建电场，其方向是由n区指向p区的，这就使得n区的电位相对提高，而p区的电位相对降低。由于电位高低是对正电荷定义的，所以对带负电的电子来说，n区的电子位能低于p区的电子位能，对带