半导体LED原理ppt课件.ppt
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1、第四章 光 源主要内容半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD)4.1 光源的物理基础光源的物理基础半导体物理原子的能级、能带以及电子跃迁自发辐射与受激辐射半导体本征材料和非本征材料原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离散值(离散轨道),这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级N个原子构成晶体时的能级分裂N = 4N = 9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带满带:满带:各个能级都被电子填满的能带禁带:禁带:两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带:空带:所有能级都没有电子填充的能带 价带:价带:由最外层价
2、电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体:(导)价带电子绝缘体:无价带电子禁带太宽半导体:价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴光作用下的跃迁和辐射E2 - E1 = hvE1E2(a) 受激跃迁hvE1E2(b) 自发辐射:非相干光hvE1E2(c) 受激辐射:相干光hvhvhvN1:处于低能级的粒子数量 (价带电子数)N2:处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数)(1) N1 N2,正常粒子数分布,光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时,光强按指数衰减。(2) N2 N1,粒子数反转状态,光辐射
3、大于光吸收。当光通过这种半导体时,会产生放大作用。半导体粒子分布状态问题: 如何得到粒子数反转分布的状态? 硅的晶格结构硅的晶格结构 (平面图)本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带,导致电子和空穴成对出现E此时外加电场,发生电子/空穴移动导电导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg = 1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁)2exp(TkEnpnBgi4/32/32)()/2(2heBmmhTk电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数kB 为玻耳兹曼常数me 电子的有效质量mh 空穴的
4、有效质量本征载流子浓度例:在300 K时,GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg, me = 0.068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3As+4As+5非本征半导体材料:n型掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后,某些电子受到很弱的束缚,只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质施主能级被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子
5、吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带 电子浓度增加 非本征半导体材料:p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al),晶体只需要很少的能量DEA 漂移Un型p型耗尽层耗尽层电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区:-导带主要是电子,价带主要是空穴,实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合,产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv直接带隙:直接带隙:导带的最低位置位于价带最高位置的正上方;电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金,典型的如GaAs等。间接带隙:间接带隙:导带的最低位置不位
6、于价带最高位置的正上方;电子空隙复合需要声子的参与,声子振动导致热能,降低了发光量子效率。发光材料的选择例子:光源硅集成还在探索中Luxtera 410-Gb/s光收发器照片主要内容半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD)4.2 发光二极管发光二极管 (LED)原理:外加电场实现粒子数反转,大量电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED:1. 驱动电路简单2. 不需要温控电路3. 成本低、产量高缺点:4. 输出功率不高:几个毫瓦5. 谱宽很宽:几十个纳米到上百纳米应用场合:短距离传输同质pn结存在的问题:增益区太厚(110 mm),很难把载流子约束在相对小的区域,无法形
7、成较高的载流子密度1. 无法对产生的光进行有效约束同质pn结:两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点:- 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能- pn结区的完全由载流子的扩散形成pn双异质结构异质结0.3 mm不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束面发光二极管优点:LED到光纤的耦合效率高P(q) = P0cosq载流子注入25 mm5 mm边发光二极管优点:与面发光LED比,光出射方向性好缺点:需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入5070 mm100150 mm30120化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V
8、族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物)LED光源的材料和工作波长单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源LED基本材料:- Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝):800850 nm短波长光源- In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓):10001700 nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙,也就决定了发光波长合金比率与发光波长的关系LED的输出光谱特点:1. 自发辐射光 - LED谱线较宽2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm - 长波长InGaAsP/InP
9、谱宽60120 nmLED的内部量子效率和内部功率内量子效率 hint111111intnrrrh非辐射性复合时间辐射性复合时间辐射性复合时间非辐射性复合速率辐射性复合速率辐射性复合速率总复合速率辐射性复合速率hhqIhchqIhhPintintintLED电子电量的电流强度注入内量子效率合数量每秒钟内总的载流子复内量子效率那么LED的内部发光功率为:例一双异质结InGaAsP材料的LED,其峰值波长为1310 nm,辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns,驱动电流为40 mA。可以得到:mW92. 21031. 110602. 1/103106256. 604. 07
10、7. 0619834intintsmsJqIhcPh可以得到LED的内部发光功率为:77. 0100/130/130/1111intnrrrh cdTextqh0sin241内部产生的光子总数发射出的光子数目其中T() 为菲涅尔透射系数。假定外界介质为空气 (n2 = 1),外量子效率为:例:LED典型的折射率为3.5,那么其外量子效率为1.41%,即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。2) 1(1 nnexth和2intint) 1( nnPPPextouthLED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性驱动电流较小 - LED P-I特性线性度好驱动电流较大 - pn结发热产生
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