南京邮电大学光电子作业及答案(第二章)课件.pptx

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1、 为什么在同质结为什么在同质结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，或者说用尽量小，或者说用P区作为出光区，而在异质结区作为出光区，而在异质结LED中，并不需要这样做？中，并不需要这样做？ 同同质结质结LEDLED为提高注入为提高注入效率效率，应采用，应采用P P区作为出光区作为出光区，使区，使电子注入电流尽电子注入电流尽量大，空穴注入电流尽量量大，空穴注入电流尽量小；小； 在在异质结异质结LEDLED中中，N N区和区和P P区分别向有源区注入电子和空穴，且有源区两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边异质结

2、的势垒可限制注入该区注入该区的两种载流子；电子和空穴复合产生的光子，的两种载流子；电子和空穴复合产生的光子，无论从无论从P P区还是区还是N N区出射，都不会被吸收，因此并不局限在以区出射，都不会被吸收，因此并不局限在以P P区作为出光区作为出光区。区。 nehDpAheJNJN2030ehGRnninjnpnpJJJJJJJ同质结同质结LEDLED的注入效率：的注入效率：与普通的面发射与普通的面发射LED相比较，为什么边辐射相比较，为什么边辐射LED与光与光纤之间的耦合效率更高？纤之间的耦合效率更高？ 对于普通面发射对于普通面发射LED，由于在水平和垂直方向都没有限制，由于在水平和垂直方向都

3、没有限制，因此其水平和垂直方向的散射角都为因此其水平和垂直方向的散射角都为120； 而对于边发射而对于边发射LED，虽然平行于结平面方向没有限制，水，虽然平行于结平面方向没有限制，水平散射角虽仍是平散射角虽仍是 120；但在垂直于结平面方向对光有限制，；但在垂直于结平面方向对光有限制，其垂直散射角是其垂直散射角是 30，因此边辐射，因此边辐射LED与光纤之间的耦合效率与光纤之间的耦合效率更高。更高。P-N+型同质结构成的型同质结构成的LED，参数如下。计算其注入效率。，参数如下。计算其注入效率。nsnscmNPcmNNscmDscmDpnadp101010105/12/2531631722n空

4、穴少数载流子寿命空穴少数载流子寿命电子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区掺杂浓度区掺杂浓度空穴扩散系数空穴扩散系数电子扩散系数电子扩散系数【习题2.1】 nponinjnpopnonpeD nLeD neD pLL【解】 少子浓度为2ipannN6 24316(210 )41010cm2indnpN6 26317(210 )810510cm扩散长度为：扩散长度为： nnnDL1 28(25)(10 )5mpppLD 1 28(12)(10 )3.46m4446442541051025410128105103.46100.986nponinjnpopnonpeD nLeD n

5、eD pLL注入效率为：注入效率为： 【习题习题2.22.2】 一个一个LEDLED，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿，正常工作情况下其有源区载流子的辐射复合寿命为命为2ns2ns，非辐射复合寿命为，非辐射复合寿命为5ns5ns，求此，求此LEDLED的的3dB3dB截止带宽。截止带宽。1111.422ccfMhz1111172510rnr107ns2ccf【解】【习题习题2.32.3】 P-NP-N+ +型同质结构成的型同质结构成的LEDLED，参数与习题，参数与习题2.12.1相同，其相同，其产生光功率为产生光功率为1mW1mW，器件横截面积为，器件横截面积为1 mm1 mm2 2

6、，辐射效率为，辐射效率为20%20%。求正。求正向偏置电压。向偏置电压。 （工作温度（工作温度300 K300 K）315119104.3710(1.43)(1.610)phPowerIs19151(1.6 10)(4.37 10)3.490.2phnQreICsImAnphQrIIe342219243ln(1)(3.54 10)(5.0 10)(0.026)ln11.02(10)(1.6 10)(25/ )(4 10)nnnpI LkTVeAeD nAcmVcmCcmscm【解】【习题习题2.42.4】在在GaAs-LEDGaAs-LED外加圆形电介质罩，光束由外加圆形电介质罩，光束由LED

7、LED向电介质向电介质罩出射时，在界面的反射率为罩出射时，在界面的反射率为10%10%，计算此电介质罩材料的折射率。，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电介质罩材料的折射率n n电极LED从半导体材料到电介质罩从半导体材料到电介质罩的反射率的反射率R R为为1.9n【解】【习题习题2.52.5】GaAsGaAs材料制作的材料制作的P-NP-N+ +同质结同质结LEDLED，器件参数如下。请计算：，器件参数如下。请计算： （1 1）总量子效率；）总量子效率； （2 2）单位时间内产生的光子数；）单位时间内产生的光子数； （3 3）注入电流。）注入电流。

8、ns0 . 5ns0 . 225. 08 . 0Wm5 . 1Pnrroptinj非辐射复合寿命非辐射复合寿命辐射复合寿命辐射复合寿命出光效率出光效率注入效率注入效率输出光功率输出光功率110.7143112 5Qrrnr（1 1）总量子效率；）总量子效率；0.80.250.7140.143TotinjQropt（2 2）单位时间内产生的光子数）单位时间内产生的光子数3161ph191.5102.62100.251.431.610optPWIshJ（3 3）注入电流）注入电流1916ph1.6102.62107.350.71430.8QrinjeIImA193191.6101.5107.350

9、.143(1.431.610)totePImAhtotP hI e或或【解】【习题习题2.62.6】 GaAsGaAs材料的材料的LEDLED，输出功率为，输出功率为5 5 mWmW，横截面积，横截面积100um100um2 2，器件出光效率为器件出光效率为0.20.2，载流子的辐射复合寿命为，载流子的辐射复合寿命为5ns5ns。器件的非辐。器件的非辐射复合忽略不计，注入效率为射复合忽略不计，注入效率为1 1。计算有源层厚度是多少。计算有源层厚度是多少。391918382(5 10)(5 10)5.5(0.2)(1.43)(1.6 10)(10)(100 10) rPWsdmnAJcmcmph

10、rIndAPIe （题目中取（题目中取n=1018cm-3）【解】2.3节思考题节思考题: 1. 激光器的基本结构由哪几部分组成？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？半导体激光器有什么突出特点？激光器的基本组成部分激光器的基本组成部分: u 结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定性；u 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，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因此工作较方便和安全。优点：优点： 2. 什么是半导体激光器的阈值条件什么是半导体激光器的阈值

11、条件? 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。振荡或形成稳定的驻波。1 2o4expj1nrrL3. 光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。光子在腔内形成稳定振荡的阈值振幅条件和相位条件。1 2iexp ()1rrgLo4expj1nL阈值振幅条件阈值振幅条件相位条件相位条件4. 阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？阈值增益的计算，如何降低激光器的阈值增益？阈值增益阈值增益：thi1211ln2gLR R尽量减少光子在尽量减少光子在介质内部损耗介质内部损耗、适当增加增益介适当增加

12、增益介质的长度质的长度和对和对非输出面镀以高反射膜非输出面镀以高反射膜。降低降低LD的阈值增益的阈值增益：5. 激光器的纵模间隔是多少？激光器的纵模间隔是多少？纵模波长间隔纵模波长间隔2oooodd21dnnLn纵模频率间隔纵模频率间隔忽略色散：忽略色散：Lnd2200Lncd2（2.4节）节）1为什么同质结激光器不能在室温下连续工作？为什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？么其光场分布相对于结平面不对称分布？（1）同质结同质结LDLD有源区的厚度主要由有源区的厚度主要由p p区电子的扩散长度所决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

13、温时的定；而它是随温度的增加而增加的，室温时的LnLn可达可达5 5微米。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；浓度；在一个在一个LnLn范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展范围内产生的受激辐射光子，无限制地向两边扩展；所以所以，同质结，同质结LDLD阈值电流密度高，而且随温度发生剧烈变化。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同质结室温下的阈值电流密度高达10104 4A/cmA/cm2 2量级，只能在液量级，只能在液氮温度下才能连续工作；氮温度下才能连续工作；（2 2）结附

14、近存在一个很小的折射率台阶，引起一个很弱的光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长度，所以同质结半导体激光器的有源区偏向p p区一侧。区一侧。作业作业: 教材教材138页第页第1-3题题答：答：答：（1 1）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加；）由于有源层侧向尺寸减少，光场分布对称性增加；（2 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）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；阈值电流和工

15、作电流；（3 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）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。光器的热阻，有利于提高激光器的热稳定性。（4 4）由于有源区面积小，有源层缺陷少。同时，除解理面外，）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。有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性。（5 5）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。）由于有源层侧向尺寸减少，有利于改善侧向模式。（2.5节）节）2条形半导体激光器有哪些优点？为什么？条形半导体激光器有哪些优点？为

16、什么？（2.5节）节）3在条形半导体激光器中测向电流扩展和侧向载在条形半导体激光器中测向电流扩展和侧向载流流子子扩散在物理概念上有何不同？如何减少这两种影响？扩散在物理概念上有何不同？如何减少这两种影响？答：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。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

17、。为减少侧向电流扩展，必须形成良好的电流通道。可可用质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，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，更更有效的方法是有效的方法是采用采用反向反向pn结阻止电流的扩展。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：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；）限制注入电流的侧向扩展； （2）在有源区两侧侧用）在有源区两侧侧用pn同质结势垒限制载流；同质结势垒限制载流； （

18、3）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。）在侧向用异质结对载流子的侧向扩散进行限制。（2.4节）节）1、描述单异质结半导体激光器的结构。解释说明其、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。相对于同质结的优越性。并说明其缺点。答：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（层（p-GaAs）被）被夹夹在（在（n-GaAs）和）和宽带隙宽带隙材料（材料（P-GaAlAs）之间）之间。 从从n-GaAs注入注入p-GaAs的电子就会受到的电子就会受到p-GaAs/P-GaAlAs异质结

19、势异质结势垒的限制，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，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。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同质同质结对结对注入有源层的空穴向注入有源层的空穴向n区扩散没有限制，同时对光子区扩散没有限制，同时对光子也只有

20、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，仍需在浓度，仍需在n区重掺杂（区重掺杂（341018/cm3）作业作业: 补充补充1-3题题（2.4节）节）2、描述双异质结半导体激光器的结构。并简要说明其、描述双异质结半导体激光器的结构。并简要说明其优点。优点。答：双异质结半导体激光器的结构双异质结半导体激光器的结构：有源层有源层p-GaAsp-GaAs被夹在宽带隙材料被夹在宽带隙材料 P- P-GaAlAsGaAlAs和和N-N-GaAlAsGaAlAs之间。之间。优点优点：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 度度比单异质结结构下降了近一个数量级；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。对称性。