【正文】 X 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 在有源區(qū)內(nèi) ， 由于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布 ， 便會在自發(fā)輻射的激光下使受激輻射大于受激吸收 ， 一個光子會不斷地激發(fā)出更多的相同光子 ， 產(chǎn)生了光的放大作用 ， 另一方面 ， 由于諧振腔的存在 ，被放大了的光便會被進一步放大 ， 并產(chǎn)生振蕩 ， 向外散出激光 。 第 30 頁 X 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 高摻雜：使空間電荷區(qū)的正負電荷很多 ， 所以電位差 VD很大 ， 以至于使 N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部的能級 （ Ec） n比 P型半導(dǎo)體價帶頂部的能級 （ Ev） p還要低 ， 電子占據(jù)的可能性越大 。 （ Ec） N(Ev)P → 電子占據(jù)（布居反轉(zhuǎn)） 第 26 頁 X 自建電場（擴散運動） + + N + P + P N 型半導(dǎo)體界面的空間電荷區(qū) 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 第 27 頁 X 導(dǎo)帶（ E C ） P 導(dǎo)帶（ E C ） N 價帶（ E V ） P e V D 價帶（ E V ） N （ a ） V D 導(dǎo)帶（ E C ） N d （有源區(qū)） 導(dǎo)帶（ E C ） P 價帶（ E V ） P 價帶（ E V ） N （ b ） 高摻雜 P N 結(jié)間的能帶 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 高摻雜 PN結(jié)能帶圖 第 28 頁 X PN型半導(dǎo)體激光器的工作原理 GaAs高摻雜后可以得到 P型和 N型半導(dǎo)體 ， 兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起時 ， n區(qū)的電子擴散到 P區(qū) ，靠近界面剩下了帶正電的離子 ， 同時 ， P區(qū)的空穴向 n區(qū)擴散 ， 在靠近界面剩下帶負電荷的離子 ， 這樣 ， 在 P型和 N型半導(dǎo)體界面的兩側(cè) ， 形成了帶相反電荷的 “ 空間電荷區(qū) ” ， 即 “ 自建電場 ” ， 其方向由 n區(qū)指向 p區(qū) 。 天然解理面： 在 PN結(jié)兩端 ， 按照晶體的天然晶面切割成相互平行且很光滑的平面 。 2） 激光器初始光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射 ， 頻譜較寬 ， 方向雜亂無章 。 有源區(qū) 受激輻射大于受激吸收后 ， 激光二極管的 PN結(jié)區(qū)成為光放大區(qū) 。 3） 注入電流增加到一定值 ， 使 N2N1， 受激輻射主導(dǎo)地位 。 2） 激光二極管工作在正向偏置下 。 發(fā)光機理 第 20 頁 X 激光的特點 激光是一種特殊類型的光 ， 它其有以下特點： ?能量高度集中 ?頻率單純 ?方向性好 ?相干性好 。 EjEihf ?? 發(fā)光機理 第 19 頁 X 受激吸收的概率與受激輻射的概率相同 ，當有光場存在時 ， 受激吸收過程和受激輻射過程同時發(fā)生 ， 哪個過程是主要的 ， 取決于導(dǎo)帶和價帶上電子的分布 。 特點： ?有激勵光場； ?相干光； ?光波長一樣 。 N2——晶體處于導(dǎo)帶中的電子數(shù)密度 ， rsp——自發(fā)輻射概率 ， 與導(dǎo)帶被電子占據(jù)的概率和價帶空著的概率之積成正比 特點： 自發(fā)輻射的光是一種非相干光 各列光波的波長并不完全一致 2. NrR spsp ? 發(fā)光機理 第 15 頁 X 受激輻射 當晶體中有光場存在 ， 且光子能量 hf= EiEj （ Ei和 Ej分別為導(dǎo)帶和價帶上的能級 ） 時 ， 處于導(dǎo)帶 Ei能級的電子在光場感應(yīng)下躍遷到價帶 Ej能級上 ， 同時發(fā)射一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子 ，這個過程稱為光的受激輻射 。 ji EEhfE ??? 發(fā)光機理 自發(fā)輻射 處在導(dǎo)帶 Ei能級上的電子 ， 按照一定的概率自發(fā)地躍遷到價帶 Ej能級上 ， 并發(fā)射一個頻率為 f、 能量為 的光子 ， 這個過程稱為光的自發(fā)輻射過程 。 光躍遷 交換的能量是光能 。 原子的電離 、 以及電子和空穴的復(fù)合發(fā)光等過程 ，主要在導(dǎo)帶和價帶之間 。 導(dǎo)帶 價帶上面鄰近的空帶 （ 自由電子占據(jù)的能帶 ） 。 發(fā)光機理 第 10 頁 X 發(fā)光機理 能帶 晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運動的不同分裂成若干組 ， 每組能級彼此靠得很近 ， 組成有一定寬度的帶 。 發(fā)光機理 第 8 頁 X 電子按量子態(tài)運動所遵循的包里不相容原理 電子在原子中的 微觀運動狀態(tài) —— 量子態(tài)的一個最根本的特點是 量子態(tài)的能量只能取某些特定的值 ， 而不能隨意的 ， 原子中的電子只能在一定大小的彼此分隔的一系列軌道上運動 ， 原子中能夠?qū)崿F(xiàn)的電子軌道是量子化的 ， 它必須滿足下列條件： 2πr .MV=nh —— 電子軌道的量子條件 發(fā)光機理 第 9 頁 X 三．晶體中的能帶 制造光源和檢測器的材料 :共價晶體 。 第 7 頁 X 二．原子的能級 ? 原子是由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成 ， 原子中的電子只有在一定的 量子態(tài) 中運動 。 光子是光的最基本單位 ， 它的能量由光的頻率決定 ， 并且只能作為一個整體 ， 一次性地被吸收或產(chǎn)生 。但若用紫外光照射 ， 即使時間很短 ， 也可產(chǎn)生光電效應(yīng) 。 第 3 頁 X 發(fā)光機理 解釋：光照射陰極 ， 感光層中的電子吸收了光的能量 ， 克服了逸出功 —— 沖向陽極 ， 最后形成了電流 。第 1 頁 X 第 4章 通信用光器件 第 2 頁 X 4． １ ． １ 發(fā)光機理 一 ． 光子 光電效應(yīng) 真空二極管由陽極和陰極組成 ,在陰極上涂有感光層 (鋅 ,銀 )， G為電流表 。這個實驗得出結(jié)論：當有光照射時 ， 有電流產(chǎn)生 ， 沒有光照射時 ， 無電流產(chǎn)生 ，這種現(xiàn)象稱之為光電效應(yīng) 。 光 陽極 陰極 光電實驗 第 4 頁 X 發(fā)光機理 光電實驗 如果用可見光 （ 紅 紫 ） 照射 ， 不論光強多大 ， 照射時間多長 ， 均無光電效應(yīng)產(chǎn)生 。 電磁波的波動理論 光量子學說 第 5 頁 X 發(fā)光機理 光量子學說 光的能量是不連續(xù)的 ， 光本身是由一粒粒運動的粒子組成 ， （ 稱之為光子 ） ， 光可以看成是一種以光速 C運動的粒子流 。 E=hf 其中 E——光子能量 ， h——普朗克常數(shù) ， f——光的頻率 第 6 頁 X 發(fā)光機理 光量子學說解釋光電效應(yīng) ?當用可見光頻率較低或波長較長 )照射時 ,由于光子能量不夠故而無法產(chǎn)生出電流 . ?當紫外光照射時 ,由于其光頻較高 ,光子能量較大 ,所以陰極中的電子吸收了這一能量后 ,克服了逸出功 ,最后形成電流 。 ? 以硅原子為例 ， 原子中共有 14個電子環(huán)繞帶正電荷的原子核旋轉(zhuǎn) ， 14個電子運動的軌道是有區(qū)別的 ， 各代表不同的量子態(tài) 。 （ 能帶結(jié)構(gòu) ） 共價晶體：每個原子最外層的電子和鄰近原子形成共價鍵 ， 整個晶體通過這些共價鍵原子聯(lián)系起來 。 價帶 形成化