光纤通信基础_第五章 光纤通信中的光源（异质结半导体激光器的工作原理）

Optical fib communica- 12021/2/19 的异质结半导体激光器的工作原理 异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的,采用异质 结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子,降低阈值电流, 提高效率。 一异质结激光器的结构 A单异质结激光器与双异质结激光器(从材料 GaAs材料与GaA材料 Ga1 ALAs是指在GaAs材料中掺入AAs而形成,叫作砷镓铝晶体 1-x,x是指AAs与GaAs的比例 作用区 作用区 p-GayAl,As P p-GaAs aas p-GaAs之 n-GaAs n-Ga,-xAl,As b-Cast 单异质结 双异质结

1-1 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质 结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流， 提高效率。 一.异质结激光器的结构 A.单异质结激光器与双异质结激光器（从材料） GaAs材料与GaAl材料 Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体， 1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。 第三节 异质结半导体激光器的工作原理

Optical fiber communication 22021/2/19 B反型异质结与同型异质结(从导电类型) 反型:如n-GaAs与p- GaAlAs or p-GaAs与n- GaAlAs 同型:如p-GaAs与p- GaAlAs or n-GaAs与n- GaAlAs 二异质结的能带图(刘恩科 chapter9) A反型异质 (a)p、n型 不是简并型 △E BEn构成异质结之前热平衡状态 c1 f2 下 ec E E E E、>E g2 △E=E E △E △E=En-E E AE+△E,=E2-E

1-2 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications B.反型异质结与同型异质结（从导电类型） 反型：如n-GaAs与p-GaAlAs or p-GaAs与n-GaAlAs 同型：如p-GaAs与p-GaAlAs or n-GaAs与n-GaAlAs 二异质结的能带图（刘恩科chapter9) A.反型异质 2 1 2 1 2 1 1 2 2 c c v v c c c v v v c v g g E E E E E E E E E E E E E E    = −  = −  +  = − (a)p、n型 不是简并型 构成异质结之前热平衡状态 下

Optical fiber communication 32021/2/19 当形成异质结时,电子n→p 空穴p一 直到两半导体有相等的E,异质结即处于平衡状态。 与p-n结一样,在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。 N型半导体一边为正电荷, P型半导体一边为负电荷,这就是异质结区(阻挡层)。 由于内建场的存在,使电子具有了附加电位能,因而使空间电荷区 的能带发生了弯曲(基本与p-n结的形成相同的)。 区别:由于禁带E不同,因而在两材料的上界面附近其能带出现 与p-n结不同的特点:一能带在这界面处的变化是不连续的

1-3 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 当形成异质结时，电子n p 空穴p n 直到两半导体有相等的 ，异质结即处于平衡状态。 与p-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。 N型半导体一边为正电荷， P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。 由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区 的能带发生了弯曲（基本与p-n结的形成相同的）。 区别：由于禁带 不同，因而在两材料的上界面附近其能带出现 与p-n结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。 Ef E g

Optical fiber communication 1在学带底,能量突变AE在这里形成“光路” 2在价带底,能量突变A在这里形成“凹口 p E E E E g多5 3.导带的势垒与价带不同,导带势垒低,而价带势垒高。 4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。 当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小 5势垒的减低和增高与△E有,即与两材料的禁带宽度 之差有,Eg2

1-4 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 1.在导带底，能量突变 ，在这里形成“光路” 。 2.在价带底，能量突变 , 在这里形成“凹口” 。 3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。 4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。 当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。 5.势垒的减低和增高与 . 有关，即与两材料的禁带宽度 之差有关。 E c E v E v E g1 E g 2 E c

Optical fiber communication 52021/2/19 B同质结 △E E E E E 1△E E 因为E2<E fI 由于禁带宽度大的p型半导体比禁带宽度小的p型半导体的22 所以空穴将由动,在p1形成空穴积累,而在p2形成耗尽层。 由于p型半导体中电子是少数载流子,故电子的扩散不计。由于空 穴的扩散,P2中的E不断上升,p1中的压牌,直到Bn=E2 二者平衡

1-5 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications B.同质结 1. 因为 由于禁带宽度大的p型半导体比禁带宽度小的p型半导体的 低， 所以空穴将由 流动，在p1形成空穴积累，而在p2形成耗尽层。 由于p型半导体中电子是少数载流子，故电子的扩散不计。由于空 穴的扩散，p2中的 不断上升， p1中的 下降，直到 二者平衡。 E E f f 2 1  E g 2 1 p p → Ef 2 Ef 1 E E f f 1 2 =

Optical fiber communication -62021/2/19 由于内建场的存在,p2中的能级与同时上升。 由于内建场的存在,P1中的能级与同时下降。 平衡时p同型异质结的能带。 △E E E △E

1 - 6 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 由于内建场的存在， p 2中的能级与 同时上升。 由于内建场的存在， p 1中的能级与 同时下降。 平衡时 同型异质结的能带。 Ef Ef p p −

Optical fiber communication 72021/2/19 同型与反型对比 1反型:两方的载流子分别向对方扩散,在两种材料中都形成 阻挡层。 2同型:只有一种材料的载流子向对方扩散,同时在这种材料 中形成阻挡层

1-7 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 同型与反型对比 1.反型：两方的载流子分别向对方扩散，在两种材料中都形成 阻挡层。 2.同型：只有一种材料的载流子向对方扩散，同时在这种材料 中形成阻挡层

Optical fiber communication 经过咒个扩散长度之后,非平衡载流子全部复合完毕,这一区域叫 做扩散区。 同理在n区得边界处也有向n內部扩散得空穴流。 非平衡状态下P-N结的能带。 E E 1正向偏压V使n区的能带及Fem都租对与中P区降低ev。 2非平衡态载流子的存在使Ferm能级分离成EE带和价带的 准Ferm能级。准Ferm能级偏离 Fermi能级的情况由非平衡载流 子的浓度来决定

1-8 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫 做扩散区。 同理在n区得边界处也有向n内部扩散得空穴流。 非平衡状态下P－N结的能带。 1.正向偏压V使n区的能带及Fermi都相对于P区降低eV。 2.非平衡态载流子的存在使Fermi能级分离成 导带和价带的 准Fermi能级。准Fermi能级偏离Fermi能级的情况由非平衡载流 子的浓度来决定。 p E f p E f v Ef G E

Optical fiber communication 92021/2/19 3.n区电子使多数载流子,非平衡态载流子影响较小。变。 4由于耗尽层极窄,结区的准E可认为与n区相同 5p区电子是少数非平衡载流子,影响显著,由于非平衡载流子随 着深入p区而减少,故导带的准随深入p区而减少,直到非平衡 载流子的0处与p区合为止。 价带的E相似。 p区不受非平衡载流子的影响。 结区与P区相同,在n区随非平衡载流子的减少而减少。 E E

1-9 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 3.n区电子使多数载流子，非平衡态载流子影响较小。 不变。 4.由于耗尽层极窄，结区的准 可认为与n区相同。 5.p区电子是少数非平衡载流子，影响显著，由于非平衡载流子随 着深入p区而减少，故导带的准 随深入p区而减少，直到非平衡 载流子的0处与p区 重合为止。 E f c Ef E f p Ef 价带的 相似。 p区不受非平衡载流子的影响。 结区与P区相同，在n区随非平衡载流子的减少而减少。 v Ef

Optical fiber communication 102021/2/19 在结区及其两侧E/>EE g e

1-10 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 在结区及其两侧 出现了双简并or形成粒子数反转分 布，变成激活区叫做作用区or有源区。 c c Ef  E v v Ef  E 当光子通过时可放大 增益条件 正向偏压 g v f c Ef − E  hf   E E E eV v f c f − = e E e E E V g v f c f  − =