文档介绍：光有源器件:需要外加能源驱动才能工作的光电子
器件
半导体光源(LD,LED,DFB,QW,MQW,VCSEL)
半导体光探测器(PD,PIN,APD)
光纤激光器(OFL:单波长、多波长)
光放大器(SOA,EDFA)
光波长转换器(XGM,XPM,FWM)
第四章光源及光检测器
F-P腔激光二极管(LD)
分布反馈布拉格激光器(DFB)
分布布拉格反射激光器(DBR)
外腔激光器与Q开关激光器
发光二极管(LED)
光纤激光器(OFL)
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)
多波长光源与波长可调谐激光器
光电探测器(PIN-PD、APD-PD)
半导体激光器、探测器的种类
光器件与电器件的类比
§ 发光器件的原理与特性
光纤通信系统中,采用的光源及检测器分别为半导体发光二极管(LED)、激光器(LD)和半导体光电探测器(PD)。
一、半导体异质结发光机理
物质原子结构的图象:
半导体固体能带结构
(由多个原子的能级组成):
c
固体由原子组成,原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的原因,原子的能级要发生变化——
每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带:原子内层能级被电子填满,由它们形成的能带也被电子占满,称为满带(价带);外层能级未被电子填满,它们形成的能带亦未被填满,称为导带。两者间的能量距离g,称为禁带。
下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带,这里仅画出了导带和满带。从能带角度看,半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同,前者较窄,后者很宽,而金属的g =0 。
固体的能带理论
(1)半导体的禁带很窄,满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。
(3)金属导体没有禁带,可显示很强的导电性。
(2)绝缘体的禁带很宽,满带中的电子很难进入导带,
导电性很差。
外场
满带
导带
满带
导带
满带
导带
(1)半导体
禁带
禁带
外场
(2) 绝缘体
(3)金属
(1)本征半导体
纯净的半导体,如硅、锗等。
半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。(本征导电性。见下图)
外场
满带
导带
半导体的分类
(2)杂质半导体
当四价的元素中掺入少量五价元素时形成n 型半导体。如:硅中掺入杂质磷后,磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近(称为施主能级)。
一般温度下,杂质的价电子很容易被激发跃迁至导带,成为导电电子,使导带中的电子浓度大大增加。 n 型半导体以电子导电为主。
* n 型半导体
外场
满带
导带
施主能级
n 型半导体
* P 型半导体
四价的元素中掺入少量三价元素时形成 P 型半导体,如:在硅中掺入三价的杂质硼,杂质原子的局部能级位于价带顶附近(称为受主能级)。
一般温度下,满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上,满带中留下的空穴也将因此而大大增加,而成为多数载流子。P 型半导体以空穴导电为主。
外场
满带
导带
受主能级
P 型半导体
附:几个3、4、5价的元素
P-N结:
正向连接时,P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N 结, 形成P N的正向宏观电流。
(2)作用:
PN结具有单向导电作用,是制造整流器和集成电路的基本结构。
结果:交界处出现正、负电偶层,阻挡继续扩散达到平衡,形成P-N结。
P型材料中的空穴将向N型材料扩散;N型材料中的电子将向P型材料扩散。
正向连接
反向连接
反向连接时,P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单向导电的性能。
(1)形成:P与N密切接触