【正文】 的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22?? ?長(zhǎng)軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22?? ?長(zhǎng)軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 37 圖中在橫軸方向上 可容許模式間的間距 Δλ是相當(dāng)于 m與m+1波長(zhǎng)的差 。因此模式間的間距 Δλ可得到很好的近似值： Lnm 2??對(duì) λ 微分可得 ?? ?長(zhǎng)軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22?? ?長(zhǎng)軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22?? ?長(zhǎng)軸模式?光增益光衰減發(fā)光光譜自發(fā)輻射衰減腔中的激光腔中的共振模式)( a 自發(fā)輻射光譜)( b光增益波長(zhǎng))( c激光模式?圖 8. 22?????? ????????????????????dndnLnm12.2Ln22?? ??半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 38 下圖所示為三種激光器的結(jié)構(gòu) 。 沿著 垂直于＜ 110＞軸的方向劈成一對(duì)平行面 ，外加適當(dāng)?shù)钠珘簵l件時(shí) ， 激光就能從這些平面發(fā)射出來 (圖中僅示出前半面的發(fā)射 )。 基本的激光器結(jié)構(gòu) ： 橫向縱向金屬接觸GaAspG aAsn接觸Lxy?? 110z橫向縱向同質(zhì)結(jié)激光)( aAsGaAlp 1 xx ?AsGaAln 1 xx ?GaAsp激光雙異質(zhì)結(jié) )DH()( b金屬氧化物Ga Asp ??AsGaAlp 1 xx ??G aAsp ?AsGaAln 1 xx ??襯底G aAsLsd激光長(zhǎng)條狀 DH)( c圖 3 法布里 波羅腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 39 圖 (b)是雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) (DH)激光 ， 此結(jié)構(gòu)類似于三明治 。 圖 (a)及圖 (b)所示的激光結(jié)構(gòu)為大面積激光 ， 因?yàn)檠刂Y(jié)的整個(gè)區(qū)域皆可發(fā)出激光 。 典型的條狀區(qū)寬度 s約 5至 30μm。 橫向縱向金屬接觸GaAspG aAsn接觸Lxy?? 110z橫向縱向同質(zhì)結(jié)激光)( aAsGaAlp1 xx ?AsGaAln1 xx ?GaAsp激光雙異質(zhì)結(jié) )DH()( b金屬氧化物Ga Asp ??AsGaAlp1 xx ??G aAsp ?AsGaAln1 xx ??襯底G aAsLsd激光長(zhǎng)條狀 DH)( c圖 3 法布里 波羅腔形態(tài)的半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 40 域值電流密度 ：激光工作中最重要的參數(shù)之一是域值電流密度 Jth， 亦即 產(chǎn)生激光所需的最小電流密度 。 值得注意的是 ， 當(dāng)溫度增加時(shí) ， DH激光增加的速率遠(yuǎn)低于同質(zhì)結(jié)激光增加的速率 。 100 200 300210310410510m300 ??? L波羅腔法布里)cm/A105(24?約結(jié)傳統(tǒng)的 np ?)cm/A10(23約)( ??d雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)波羅腔法布里約結(jié)傳統(tǒng)的約雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)K/T圖 4 圖 20 中兩種激光結(jié)構(gòu)的域值電流密度與溫度關(guān)系圖)cmA(2??域值電流密度半導(dǎo)體激光 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 41 在半導(dǎo)體激光中的 增益 g是每單位長(zhǎng)度的光能通量增加量 ， 它與電流密度有關(guān) 。 實(shí)際的電流密度 為 其中 d是有源層的厚度 ，以 μm為單位 。 在 50cm1≤g≤400cm1內(nèi) ， 增益是隨著 Jnom成線性增加的 。μm/A， 而 J0= 103A/(cm2 ? ?? ?000 JJJgg nom ??現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 42 0 2 4 6 8 10 12 140100200300400500G aAsK297?T317DAcm104???? NN)mA/cm10/(23nom??J額定電流密度圖 5 增益系數(shù)與額定電流密度的變化圖 . 虛線部分表示其線性關(guān)系1cm/g?增益系數(shù)在 低電流 時(shí) ， 會(huì)在各個(gè)方向上產(chǎn)生 自發(fā)輻射 。 為了降低 Jth， 必須增大 η、 Γ、 L、 R及減小 d、 α。 已知前方與后方鏡面的反射率分別為 ， 光學(xué)腔的長(zhǎng)度與寬度分別為 300 μm與 5 μm， α=100cm1，β= 圖 a顯示當(dāng)溫度在 25℃ 至 115℃ 之間變化時(shí) ， cw的光輸出與注入電流的關(guān)系 ， 注意此光 電流曲線的完美線性關(guān)系 。 圖 b則是域值電流對(duì)溫度的關(guān)系圖 。 而對(duì)此激光 ， T0是 110℃ 。 光探測(cè)器的工作包括三個(gè)步驟： ① 由入射光產(chǎn)生載流子； ② 通過任何可行的電流增益機(jī)制 ， 使載流子傳導(dǎo)及倍增； ③ 電流與外部電路相互作用 ， 以提供輸出信號(hào) 。 在這些應(yīng)用中 ， 光探測(cè)器必須在所工作的波長(zhǎng)中具有高靈敏度 、 高響應(yīng)速度及低噪聲 。 光敏電阻 光敏電阻包含一個(gè)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體平板 ，而在平板兩端則具有歐姆接觸 ， 如圖 。 ?hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體圖 由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意圖光探測(cè)器 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 47 在本征光敏電阻中 ， 電導(dǎo)率為 而在光照射下 ， 電導(dǎo)率的增加主要由于載流子數(shù)目的增加而引起的 。 在 非本征 光敏電阻中 ， 能帶邊緣及禁帶內(nèi)的能級(jí)之間也會(huì)產(chǎn)生光激發(fā) 。 考慮光敏電阻在光照射下的工作 ， 在 t=0時(shí) ， 單位體積內(nèi)由光通量所產(chǎn)生的載流子數(shù)是 n0． 經(jīng) 過一段時(shí)間后 ， 載流子數(shù)目 n在相同的體積內(nèi)由于復(fù)合而衰減為 ()npq n p? ? ???)e x p(0 ?tnn ??其中 τ是載流子的壽命 。 假如探測(cè)器的厚度 D遠(yuǎn)大于光穿透深度 1/α， 則 每單位體積內(nèi) 全部的穩(wěn)態(tài)載流子產(chǎn)生率為 其中 η是量子效率 ， 亦即每個(gè)光子產(chǎn)生載流子的數(shù)目； n是載流子濃度 ， 亦即每單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目 。 將前式的 n代入上式可得 WL DhPtnG opt )/( ????WDqnvWDnEqWDEI dnP )()()( ??? ??))(( L EhvPqI noptP ????光探測(cè)器 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 49 若我們定義原來的 產(chǎn)生的光電流為 則 光電流增益 G為 hvPqI o ptPh ??rnphptLEIIG ??? ???其中 為載流子渡越時(shí)間 。 ELvLtndr ??? 對(duì)于 少數(shù)載流子壽命很長(zhǎng) 且 電極間的距離很小 的樣品 ， 其增益會(huì)大于 1。 而光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間是由渡越時(shí)間tr來決定 。 一般光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為 103s~1010s， 它們被大量應(yīng)用于紅外光偵測(cè) ， 尤其是波長(zhǎng)大于幾微米以上的區(qū)域 。少數(shù)載流子的壽命為 ， 且此器件的 μn=2500cm2/(V 解 : 由式 得 ))(( L EhvPqI noptP ????AAcmcmVssVcmsqI P?41041010/5000105)/(2500)/(6410212????????????????????個(gè)光子因此 50001052500 410?? ????? ??LEG n ??光探測(cè)器 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 51 光電二極管基本上是一個(gè)工作于 反向偏壓 的 pn結(jié)或金屬 半導(dǎo)體接觸 。 為了能在 高頻 下工作 ， 耗盡區(qū)必須盡可能地 變薄 以減少渡越時(shí)間 。 一 、 量子效率 η ：每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)數(shù)目 . 決定 η的重要因素之一是 吸收系數(shù) α。 長(zhǎng)截止波長(zhǎng) λ c是由禁帶寬度決定的 ， 當(dāng)波長(zhǎng) 大于 λc時(shí) ，α值太小 ， 以致無(wú)法造成明顯的本征吸收 。 每一種材料對(duì)光響應(yīng)存在一個(gè)合適的范圍 光電二極管 1 110210310410510610 3102101101110?210?m)(0. 51C dS?m)(0. 82Si?? ?m)Si( ?m)(0. 87Ga As?m)(1 .4PAsInGa.?m) 4/EGe(gC?? ??K300m/ ?波長(zhǎng)圖 數(shù)種半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù) ( 括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為截止波長(zhǎng) )eV/?hm/1??透光深度1cm/??吸收系數(shù)現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 52 下圖是一些高速光電二極管的典型的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系 。 在近紅外光區(qū)時(shí) ， 硅光電二極管 (具有抗反射層 )在 ， 可達(dá)到 100％ 的量子效率 。 而在更長(zhǎng)的波長(zhǎng) ， 為了高效率地工作 ，可將光電二極管予以冷卻(如冷卻至 77K)。 二 、 響應(yīng)速度 在 耗盡區(qū)外 產(chǎn)生的載流子會(huì)擴(kuò)散到結(jié) ， 造成相當(dāng)大的時(shí)間延遲 。 如果耗盡區(qū)足夠?qū)挼脑?， 絕大部分的光線都會(huì)被吸收 ,然而 耗盡區(qū)不能太寬 ， 因?yàn)槎稍綍r(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng) 。 最理想的 折衷辦法是選擇一個(gè)寬度 ， 使耗盡層渡越時(shí)間大約為調(diào)制周期的一半 。 光電二極管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 54 pin光電二極管 pin光電二極管是最常用的光探測(cè)器之一 ， 其 耗盡區(qū)厚度 (本征層 )可予調(diào)制以優(yōu)化量子效率及頻率響應(yīng) 。 圖 (b)、 (c)分別是反向偏壓條件下 ， pin二極管的能帶圖及光吸收特性 。在耗盡區(qū)或其擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的電子 空穴對(duì)終會(huì)被電場(chǎng)所分開 ， 導(dǎo)致載流子漂移出耗盡層而產(chǎn)生外部電路電流 。 當(dāng)電池暴露在太陽(yáng)光譜時(shí) ，能量小于禁帶寬度 Eg的光子對(duì)電池輸出并無(wú)貢獻(xiàn) 。 太陽(yáng)能電池 正面指狀條形接觸 1cm cm 2 n p m 4 / 1 ? 正面指狀條形接觸? h 抗反射涂層 mm 5 . 0 m 4 / 1 ? Si p cm 1 型 ? W 背面接觸 結(jié) n p 抗反射涂層型背面接觸結(jié)現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 天津工業(yè)大學(xué) 光電器件 56 圖 (a)和 (b)分別為太陽(yáng)輻射下的 pn結(jié)能帶圖及其等效電路 。 此電流源 IL是由于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的多余 載流子的激發(fā)所造成的 ， IS是二極管飽和電流 ， 而 R是負(fù)載電阻 。 選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載 ， 可以得到接近 80％ 的 ISCVOC乘積 。 圖中也分別定義了在 最大輸出功率Pm(=Im Vm)時(shí)的電流 Im與電壓 Vm。 若要使效率最大 ， 必須使 η表達(dá)式 分子中的三項(xiàng)全都最大化 。 短路電流 IL為 q與太陽(yáng)光譜中能量 hν的光子數(shù)目的乘