半導(dǎo)體光電子學(xué)第6章半導(dǎo)體發(fā)光二極管(已修改)
2025-01-07 06:13 本頁面
【正文】 概述 ? 半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器在工作原理上的根本區(qū)別在于前者是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，而后者則是受激輻射復(fù)合發(fā)光的。 ? 用于光纖通信的發(fā)光二極管從材料到器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)都與半導(dǎo)體激光器沒有很大差別，因而前面 1～ 3章的一些基本理論對半導(dǎo)體發(fā)光二極管也是適用的。 ? 半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管在結(jié)構(gòu)上的主要差別是前者有光學(xué)諧振腔，使復(fù)合所產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)振蕩和放大；而后者則沒有諧振腔。 ? 正是由于它們在發(fā)光機理和上述這一基本結(jié)構(gòu)上存在差別，而使它們在主要性能上存在明顯差別。 ? 例如，半導(dǎo)體發(fā)光二極管不象激光器那樣存在閾值特性，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；因為自發(fā)發(fā)射的隨機性，致使發(fā)光管的光譜寬度比激光器高幾個數(shù)量級；光束發(fā)散角也很大，因而與光纖藕合效率要比半導(dǎo)體激光器的情況低得多；輸出的光功率也要比半導(dǎo)體激光器低得多． ? 盡管與半導(dǎo)體激光器相比，半導(dǎo)體發(fā)光二極管有許多不足之處，但它卻在中、短距離光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用。彌補了半導(dǎo)體激光器的某些不足。這是由它的以下特點所決定的： ? 1．不存在閾值特性， PI線性好，因而有利于實現(xiàn)信號無畸變的調(diào)制，這在高速模擬調(diào)制中是特別重要的； ? 2．雖然半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光相干性很不好，但正因為如此，避免了半導(dǎo)體激光器容易產(chǎn)生模分配噪聲和對來自于光纖傳輸線路中反射光較靈敏的缺點； 3．工作穩(wěn)定，輸出功率隨溫度的變化較小，不需要精確的溫度控制，因而驅(qū)動電源很簡單； ? 4 ．由于不存在象半導(dǎo)體激光器那樣的腔而退化，工作壽命可達 109小時； ? 5．成品率高，價格便宜。 ? 此外，由于其光譜線寬很寬 (30nm)，這對光纖通信中波分復(fù)用的應(yīng)用將帶來好處。 ? 半導(dǎo)體發(fā)光二極管可以分為三種型式 : ? 表面發(fā)射 (SE)。 ? 端發(fā)射或邊發(fā)射(EE)。 ? 超熒光或超輻射(SL). ? 前兩種是從發(fā)光的部位來區(qū)別的，而超輻射發(fā)光二極管則是根據(jù)發(fā)光特性來區(qū)分的。 ? 圖 體激光器、表面和端面發(fā)射發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管 PI特性的比較。 LED的結(jié)構(gòu) ? 和半導(dǎo)體激光器一樣，短波長 (~?m)和長波長 (?m， ?m)的發(fā)光二極管分別使用 GaAlAs/GaAs和 InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用這些直接帶隙躍遷材料能保證在室溫下給出較高的內(nèi)量子效率 (?50%)，發(fā)射波長同樣由材料的禁帶寬度所決定。 ? 一、邊發(fā)光二極管 ? 二、面發(fā)光二極管 ? 三、超輻射發(fā)光二極管 一、邊發(fā)光二極管 ? 邊發(fā)光二極管和通常的電極條形雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本相同，一般是在 n型襯底上用外延的方法相繼生長 N型限制層 有源層P型限制層 P+蓋帽層。為了防止在有源區(qū)產(chǎn)生受激發(fā)射，需要設(shè)法消除光子可能形成的諧振。 ? 主要有兩種方法。 ? 方法之一是將接觸電極條控制在適當(dāng)?shù)拈L度范圍，使電極條距某一端面形成非泵浦 (注入 )區(qū)或吸收區(qū)，使有源區(qū)中產(chǎn)生的光子在到達該端面之前已被吸收掉，光子在沿縱向運動中產(chǎn)生凈吸收而不產(chǎn)生凈增益。 ? 以如圖 ?m“ v”槽邊發(fā)光二極管為例來說明這種結(jié)構(gòu)的特點。 ? 在 n型 InP襯底上相繼用液相外廷形成雙異質(zhì)結(jié)后，再生
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