第十一章 冬导体发光器件 中国科学技术大学明海
半导体发光器件 中国科学技术大学 明海 第十一章
内容提要: §11.1半导体发光二极管(LED §11.2半导体激光器概述 §11.3半导体激光器原理 §11.4半导体激光器特性 §11.5同质结和异质结激光器 §11.6分布反馈半导体激光器 §11.7量子阱半导体激光器
内容提要： § 11.2半导体激光器概述 § 11.3半导体激光器原理 § 11.4半导体激光器特性 § 11.5同质结和异质结激光器 § 11.6分布反馈半导体激光器 § 11.7量子阱半导体激光器 §11.1半导体发光二极管(LED)
§11.1半导体发光二极管(LED) LED:材料为半导体,结构为pn结组成的,能发光的二极管。 特点:发射波长覆盖可见光——红外——远红外, 结构比较简单。是至今世界上应用最多,产 量最多的光电产品。产量巨大,价格便宜, 工作稳定,使用简单。 发光二极管的分类: 1.按材料分类:依据芯片的材料,外延层,掺杂杂质,可大致 估计出发光二极管的颜色,波长等基本特性。 2按发光颜色分类:发光二极管的发光颜色有红,橙,绿,蓝, 双色,三色等多种,以及近红外和红外等不可见的发光管
§11.1半导体发光二极管(LED) LED：材料为半导体，结构为pn结组成的，能发光 的二极管。 特点： 发射波长覆盖可见光——红外——远红外， 结构比较简单。是至今世界上应用最多，产 量最多的光电产品。产量巨大，价格便宜， 工作稳定，使用简单。 发光二极管的分类： 1. 按材料分类：依据芯片的材料，外延层，掺杂杂质，可大致 估计出发光二极管的颜色，波长等基本特性。 2.按发光颜色分类：发光二极管的发光颜色有红，橙，绿，蓝， 双色，三色等多种，以及近红外和红外等不可见的发光管
3.按器件封装:封装种类很多,有环氧树脂全包封,金属底座环 氧封装,陶瓷底座环氧封装,和玻璃封装等。 4.发光面特征:采用不同的表面封装,会有不同的效果,如 半球状有会聚光的作用。按封装表面的形状可分圆形,方形 矩形,面发光管,侧向发光管,微形发光管等多种。 5按发光强度:发光强度小于10(mcd)毫坎德拉(cd定义: 波长为550nm的单色光源发光时,若其在某一方向上辐射强度 为1/68W/sr(瓦球面度)则称此单色光源在该方向上的发光强 度为1坎德拉,既1cd)为普通亮度发光管,10-100mcd为高亮 度发光管,100mcd以上的称超高亮度发光管 6.按应用:有指示灯,照明灯,数码显示器,短距离光通信 光源等
3. 按器件封装：封装种类很多，有环氧树脂全包封，金属底座环 氧封装，陶瓷底座环氧封装，和玻璃封装等。 4.发光面特征：采用不同的表面封装，会有不同的效果，如 半球状有会聚光的作用。按封装表面的形状可分圆形，方形， 矩形，面发光管，侧向发光管，微形发光管等多种。 5.按发光强度：发光强度小于10（mcd ）毫坎德拉（cd定义： 波长为550nm的单色光源发光时，若其在某一方向上辐射强度 为1/681W/sr ( 瓦/球面度 )则称此单色光源在该方向上的发光强 度为1坎德拉，既1cd）为普通亮度发光管，10—100mcd为高亮 度发光管，100mcd以上的称超高亮度发光管。 6. 按应用：有指示灯，照明灯，数码显示器，短距离光通信 光源等
发光二极管原理 半导体的能带结构 能带半导体晶体由于原子间的 相互作用而使能级分裂离散的 导带 能级形成能带 能带结构:能带分为价带,导 带和禁带。 E E4禁带 价带晶体中原子内层电子能级 相对应的能带被电子所填满. 导带:价带以上未被电子填满或 价带 者是空的能带 禁带:导带和价带之间的能隙
能带:半导体晶体由于原子间的 相互作用而使能级分裂,离散的 能级形成能带 能带结构：能带分为价带，导 带和禁带。 价带:晶体中原子内层电子能级 相对应的能带被电子所填满. 导带:价带以上未被电子填满或 者是空的能带 禁带:导带和价带之间的能隙. 半导体的能带结构 发光二极管原理 Eg 导带 禁带 价带 EF
载流子:在热运动或其他外界激发下,价带电子激发跃 迁至导带,这时导带有了电子,价带有了空穴,电子 和空穴统称为载流子 在热平衡时,电子在能带中能级上的分布服费费米 能级 fr(e)= 绝对 E-E 温度 exp( 玻尔兹曼 常数 费釆能级E半导体能级的一个特征参量,并非实在的能 级,它由基质材料掺杂浓度和温度决定,反映电子在能级 上的分布情况。对于本征半导体,费米能级在禁带宽度的 中间位置。价带中的能级有EE
载流子：在热运动或其他外界激发下，价带电子激发跃 迁至导带，这时导带有了电子，价带有了空穴，电子 和空穴统称为载流子。 在热平衡时，电子在能带中能级上的分布服费米分布： 费米能级 半导体能级的一个特征参量，并非实在的能 级，它由基质材料掺杂浓度和温度决定，反映电子在能级 上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带宽度的 中间位置。价带中的能级有 ，导带中的能级有 1 ( ) exp( ) 1 n F f E E E kT = − + 费米 能级 玻尔兹曼 常数 绝对 温度 E E F E E F EF
口能帶弯曲:半导体材料加入施主杂质,成为N型材料, 加入受主杂质,成为P型材料。在P型和N型的交接 处形成PN结。由于载流子浓度的不同而产生扩散, 直至不同的费米能级处于相等位置,这时,能带产 生弯曲,形成PN结势垒 PN结 导带 M线会 隙
◼ 能帶弯曲:半导体材料加入施主杂质，成为N型材料， 加入受主杂质，成为P型材料。在P型和N型的交接 处形成PN结。由于载流子浓度的不同而产生扩散， 直至不同的费米能级处于相等位置，这时，能带产 生弯曲，形成PN结势垒 ◼ PN结： }导带 }价带 EF N区 结区 P区 能隙
Pn结接触面处有一个耗尽层,形成 PN结 势垒阻碍电子和空穴的扩散。 耗尽层 P型 当在pn结施加正向电压时,会使 势垒高度降低,耗尽层减薄,能量 较大的电子和空穴分别注入到P区 N型 do o 和N区,同P区和N区的电子复合, 同时以光的形式辐射出多余的能量。定 电子 h 辐射复合可以发生在导带与价带之间 P型 ,也可以发生在杂质能级上。根据材0)|N型 料能带结构的不同,将带间复合分成 E 直接带间跃迁和间接带间跃迁 pn结注入电致发光原理图
pn结注入电致发光原理图 Pn结接触面处有一个耗尽层，形成 势垒阻碍电子和空穴的扩散。 当在pn结施加正向电压时，会使 势垒高度降低，耗尽层减薄，能量 较大的电子和空穴分别注入到P区 和N区，同P区和N区的电子复合， 同时以光的形式辐射出多余的能量 辐射复合可以发生在导带与价带之间 ，也可以发生在杂质能级上。根据材 料能带结构的不同，将带间复合分成 直接带间跃迁和间接带间跃迁
1132半导体中的光发射 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体 PN结加有正向电压时,使势垒下降,发生“载流子注 入”。这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将发生复 从而发射出某种波长的光子。由于电子与空穴复合即 表示电子从导带落入价带。从而光子能量基本等于禁带宽 度 hc1.2398 (um/ev) eg eg a自发辐射:光发射时有半导体中电子和空穴的自发复合 产生的,自发辐射光不具有单一波长。 半导体发光二极管(LED)的发光就基于此
◼ 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体 PN结加有正向电压时，使势垒下降，发生“载流子注 入”。这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将发生复 合，从而发射出某种波长的光子。由于电子与空穴复合即 表示电子从导带落入价带。从而光子能量基本等于禁带宽 度。 (11.2) ( / ) 1.2398 m e Eg Eg hc = = 11.3.2半导体中的光发射 ◼自发辐射:光发射时有半导体中电子和空穴的自发复合 产生的，自发辐射光不具有单一波长。 半导体发光二极管（LED）的发光就基于此
LED的伏安特性 LED的正向伏安特性与普通二极管 120 大致相同,如右图所示: 100 80 LED正向开启后其正向电流与电压1 u的关系是 K:玻尔兹 40 eu i=lo ex 曼常数 mkTg 1.0 M:复合因子 Ga4-PLED的伏安特性图 在宽禁带半导体中,当<01mA时,复合的空间电流起主要作用, 此时m=2,电流增大,扩散电流占优势时m=1 开启电压与材料有关,对于GaAs是10 y GaAs1PGa1-x11As 大致是15V;发红光的GaP是18V,发绿光的GaP是20V,反向 击穿电压一般都在5V以上
LED的伏安特性 GaAs P 1−x x LED的伏安特性图 LED的正向伏安特性与普通二极管 大致相同，如右图所示： LED正向开启后其正向电流i与电压 u的关系是 0 exp eu i I mkT = M：复合因子 K：玻尔兹 曼常数 在宽禁带半导体中，当i<0.1mA时，复合的空间电流起主要作用， 此时m＝2，电流增大，扩散电流占优势时m＝1 开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V 、 大致是1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向 击穿电压一般都在-5V以上。 GaAs P 1−x x Ga Al As 1−x x