低维异质结构与新型Ⅲ-Ⅴ族半导体发光器件的研究
半导体低维异质结构早已成为构筑高性能半导体发光器件的基石,该领域的前沿创新研究经久不衰地持续了几十年,但研究热点已
从早期的二维的量子阱、超晶格转变至一维的量子线(或更广义的纳米线)和零维的量子点。特别是,基于自组织量子点的新型半导体发光器件因电注入工作容易、具备某些特有的优异性能譬如高温度稳定性并且具有重要的应用前景而尤为受到关注。然而,目前绝大多数量子点发光器件譬如量子点激光器依赖分子束外延(MBE)生长,金属有机
化学气相沉积(MOCVD)生长量子点激光器的进展则大幅滞后且与MBE 生长存在显著差距,仅有少数几个国外研究组掌握MOCVD生长量子点激光器的核心技术,鉴于MOCVD所拥有的半导体器件产业化优势,在
国内深入系统开展量子点激光器的MOCVD生长研究具有十分重要的
意义。除激光器外,基于半导体低维异质结构的发光器件中另外一种重要的类型是超辐射发光二极管(超辐射管),当前基于半导体低维异质结构的超辐射管作为光纤陀螺等系统的光源对于系统性能的提高
起着不可替代的作用,开展超辐射管的研究对光纤陀螺等实际应用具有重要价值。此外,半导体低维异质结构除了前述的几种整数维度外,近年来本实验室提出了能级弥散这一新颖的概念,继而发展出分数维度电子态系理论,即半导体异质结构中不仅仅存在前述的三维、二维、一维、零维等整数维度,还存在着介于这些整数维度之间的分数维度,譬如介于二维与三维之间、介于一维和二维之间等等。分数维度理论的提出者还发现,这一理论有望引入超辐射管中并充分发挥其优势—
—分数维度半导体异质结构较整数维度异质结构会显著提升超辐射
管的性能,并且此发现已经得到初步的实验证实,这样就亟需运用分
数维度电子态系理论指导超辐射管的设计与性能优化。基于上述这一科学认知,为验证分数维度电子态系理论在超辐射管中的优越性,进
而运用该理论指导超辐射管的设计与优化,我们首先需要进行相应的典型整数维度超辐射管的制备,掌握超辐射管的制备工艺等,从而为
进一步研制分数维度超辐射管打下基础。本论文以半导体低维异质结构为出发点,依托科技部国际合作项目以及国家自然科学基金项目,
在分数维度电子态系理论方面取得了新的进展,在实验方面重点围绕Ⅲ-Ⅴ族量子阱和量子点展开,进行了二维的量子阱、零维的量子点等整数维度下激光器及超辐射管的研究工作,这既为MOCVD生长量子点器件积累了技术经验,也为后续进行分数维度(譬如从二维到三维、从零维到三维等)超辐射管或其他相关器件的研究奠定了基础。本论文已开展的研究工作以及主要的结果如下:1.研究了在应用不同线型(指数线型和洛伦兹线型)的弥态允率密度函数的情形下电子态密度
曲线的变化。针对指数线型和洛伦兹线型两种弥散线型对电子态密度进行了计算分析,对于不同的弥散宽度值绘制了电子态密度曲线,并
进一步阐述了实际情况中可能的复合弥散线型,为基于能级弥散的分数维度理论的进一步发展提供了支持。2.制备了基于典型量子阱的激光器与超辐射管,包括1.3μm波段InP基量子阱以及1.1μm波段GaAs基InGaAs量子阱,取得了一些重要的实验结果,为进一步制备性能更加优异的介于二维到三维间的分数维度超辐射管奠定了基础。(1)
采用InGaAsP啁啾量子阱作为有源区,进行了激光器和超辐射管的制备。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为0.8kA/cm2,同样脊宽与长度采用弯曲波导的超辐射管在350mA时功率为5.9mW,光谱半宽为27nm。(2)采用A1GaInAs量子阱作为有源区,进行了激光器和超辐射管的制备。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为460A/cm2,同样脊宽与长度采用弯曲波导的超辐射管功率达到30mW 以上,光谱半宽在10nm左右。(3)利用MOCVD进行了 InGaAs多量子阱器件结构的生长,然后制备了相应的发光器件,发光波长位于1.1μm处。脊宽10μm、腔长2mm的激光器阈值电流密度为450A/cm2。在超辐射器件制备中,我们比较了不同波导形状(弯曲、倾斜等)对于超辐射的影响,脊宽10μm、长度2mm的采用倾斜基础上弯曲波导的超辐射管功率达到20mW以上,光谱半宽在10nm左右。3.制备了基于典型量子点的激光器与超辐射管,在器件性能优化方面进行了深入的探索并取得了重要的进展,为进一步制备性能更加优异的介于零维到三维间的分数维度超辐射管提供了技术支撑。此外还在硅衬底上生长了高质量的多层量子点,为后续利用MOCVD生长硅衬底上的分数维度器件打下了一定的基础。(1)MOCVD生长并制备了 GaAs基InAs量子点激光器。首先利用MOCVD开展InAs量子点的生长条件优化,比较了单层/多层、InGaAs底层/盖层、Ⅴ/Ⅲ等对于量子点的影响,利用优化后的条件生长出了光致发光波长接近1.3μm的多层量子点,量子点密度达到4X 1010/cm2。之后利用此多层量子点作为有源区进行了激光器结构的生长并制备了量子点激光器,在分别采用无偏角及2°偏
角的衬底上均实现了量子点激光器的室温连续激射,激光器的脊宽均
为10μm,腔长均为2mm。由于器件工作在激发态,波长明显短于1.3
μm。无偏角衬底上的激光器阈值电流密度为700A/cm2,激射波长位
于1.19μm处;2°偏角衬底上的阈值电流密度为950A/cm2,激光器波长位于1.16μm。(2)基于MBE工艺,制备了两种不同外延结构的
InAs/GaAs量子点激光器和超辐射管,其中基于第一种外延结构制备
的激光器激射波长位于1.3μm处,阈值电流密度低至117A/cm2;采用弯曲波导的超辐射管在室温脉冲条件下工作,发光波长位于1.3μm 处,光谱宽度在20nm以上,功率达到10mW以上。基于第二种外延结构制备的激光器激射波长位于1.27μm,阈值电流密度低至118A/cm2;
采用直波导镀膜的超辐射管在室温连续电流下工作,发光波长位于
1.27μm,光谱宽度在10nm左右,功率在3mW以上。(3)生长了 Si衬
底上InAs/GaAs多层量子点。利用MOCVD设备在获得高质量Si基GaAs 外延层的基础上,对Si上多层量子点的生长进行了优化实验。将GaAs/Si“三步法”异变外延生长技术与GaAs基多层量子点生长技术相结合,生长出了发光波长位于1.3μm波段的Si基InAs/GaAs多层
量子点,通过原子力显微镜测试发现生长出的量子点形貌很好,密度
较高,可达5 × 1010/cm2,通过光致发光谱测试发现其发光性能较好。
第一章： 基本概念与名词解释 1、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等； 2、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率； 3、原子、分子的微观结构，固体的能带； 4、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式； 5、简述辐射跃迁的三种过程：自发辐射、受激吸收、受激辐射； 6、谱线加宽的类型及定义：均匀加宽、非均匀加宽、碰撞加宽；
第二章： 基本概念与名词解释 １、一般概念：激发态能级寿命、亚稳态能级、粒子数反转、 负温度、激活介质、增益饱和； ２、三能级系统、四能级系统的粒子数反转的形成过程； ３、关于介质中的烧孔效应、气体激光器中的烧孔效应的论述。理论推导与证明 1、粒子数密度的差值（式2-1-17，2-1-22）； 2、均匀加宽与非均匀加宽的小信号增益系数（式2-2-14，2-2-15）； 3、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号反转粒子数密度、烧孔面积（式2-3-3，2-3-7）； 4、均匀加宽与非均匀加宽情况下的大信号增益系数（式2-3-10，2-3-17）；
第三章： 基本概念与名词解释 １、激光的几个特性：包括时间相干性、空间相干性、相干时间、相干长度、相干面积、相干体积、光子简并度； ２、有关谐振腔的基本概念：谐振腔、稳定腔、不稳定腔、介稳腔； ３、激光振荡的几个现象和过程：纵模、横模、模的竞争、空间 烧孔、兰姆凹陷、频率牵引、高斯光束、激光器最佳透过率。 理论推导与证明 1、普通光源相干时间与相干面积（式3-1-5，3-1-12）； 2、激光产生的阈值条件（式3-3-11）； 3、粒子数密度的差值的阈值（式3-3-18）； 4、均匀加宽情况单模激光器的输出功率与最佳透过率（式3-6-9） 5、非均匀加宽情况单模激光器的输出功率（式3-6-18）。
第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；
《半导体器件原理》课程复习提纲 2017.12 基础：半导体物理、半导体器件的基本概念、物理效应。 重点：PN结、金半结、双极型晶体管、JFET、MESFET、MOSFET。根据物理效应、物理方程、实验修正等，理解半导体器件的工作原理和特性曲线，掌握器件的工作方程和各种修正效应，了解器件的参数意义，能够进行器件设计、优化、应用、仿真与建模等。 第一章：半导体物理基础 主要内容包括半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、非本征载流子、本征与掺杂半导体、施主与受主、漂移扩散模型、载流子输运现象、平衡与非平衡载流子。 半导体物理有关的基本概念，质量作用定律，热平衡与非平衡、漂移、扩散，载流子的注入、产生和复合过程，描述载流子输 运现象的连续性方程和泊松方程。（不作考试要求） 第二章：p－n结 主要内容包括热平衡下的p－n结，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电场等概念，p－n结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。 耗尽近似条件，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电势等概念，讨论pn结主要以突变结（包括单边突变结）和线性缓变结为例，电荷分布和电场分布，耗尽区宽度，势垒电容和扩散电容的概念、定义，直流特性：理想二极管IV方程的推导；
对于考虑产生复合效应、大注入效应、温度效应对直流伏安特性的简单修正。PN的瞬态特性，利用电荷控制模型近似计算瞬变时间。结击穿机制主要包括热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。要求掌握隧道效应和碰撞电离雪崩倍增的概念，雪崩击穿条件，雪崩击穿电压、临界击穿电场及穿通电压的概念，异质结的结构及概念，异质结的输运电流模型。高低结的特性。 第三章：双极型晶体管 主要内容包括基本原理，直流特性，频率响应，开关特性，异质结晶体管。 晶体管放大原理，端电流的组成，电流增益的概念以及提高电流增益的原则和方法。理性晶体管的伏安特性，工作状态的判定，输入输出特性曲线分析，对理想特性的简单修正，缓变基区的少子分布计算，基区扩展电阻和发射极电流集边效应，基区宽度调制，基区展宽效应，雪崩倍增效应，基区穿通效应，产生复合电流和大注入效应，晶体管的物理模型E－M模型和电路模型G－P 模型。跨导和输入电导参数，低频小信号等效电路和高频等效电路，频率参数，包括共基极截止频率fα和共射极截止频率fβ的定义，特征频率f T的定义，频率功率的限制，其中少子渡越基区时间，提高频率特性的主要措施。开关特性的参数定义，开关时间的定义和开关过程的描述，利用电荷控制方程简单计算开关时间。 开关晶体管中最重要的参数是少子寿命。异质结双极型晶体管的结构及优点。
半导体发光器件 一、1. 590nm波长的光是黄光；380nm波长的光是紫光（填颜色）,可见光的波长范围是380－780 nm。 2. LED TV背光源常用到的LED芯片型号为2310，其尺寸为 23mil×10mil，即 584.2 um×254 um。1mil＝25.4um 3. 发光二极管的亮度用__L_符号表示,单位是cd/m2 . 4、目前市场主流的白光LED产品是由蓝光芯片产生的蓝光与其激发YAG荧光粉产生的黄光混合而成的，且该方面的专利技术主要掌握在日本日亚化学公司手中。 5、色温越偏蓝，色温越高（冷），偏红则色温越低（暖）。 6、对于GaAs、SiC衬底的大功率LED芯片，采用银胶来固晶；对于蓝宝石绝缘衬底的LED 芯片，采用双电极或V型型电极，利用绝缘胶来固定芯片。 7. 银胶的性能和作用主要体现在：固定芯片、导电性、导热性。 二、1. ＬＥＤ灯具的光是聚光还是散光的？（A） A. 两者都有 B. 聚光 C. 散光 D. 两者皆无 2. 对于多芯片集成的大功率LED进行封装时，下列说法错误的 是（ B ）p57 A. 要对LED芯片进行严格挑选，正向电压相差应在±0.1V之内，反向电压要大于10V B. 排列芯片时，要让芯片之间没有间隙 C. LED芯片要保持高度一致， D. 铝基板挖槽的大小和深度，要根据芯片的多少和出光角度大小来确定 3. 下列关于数码管说法中，不正确的是（D）p41 A. 数码管是一种平面发光器件 B. 反射罩式数码管具有字形大、用料省、组装灵活的优点 C. 数码管一般采用共阴极或者共阳极电路 D. 4位0.4英寸的单色数码管需要用到28个LED芯片，组成4个“日”字4. 大功率LED的L型电极封装方式中，芯片与热沉之间用的粘结材料为（B）P54 A. 金锡合金或银锡合金 B. 导热硅胶 C. 环氧树脂 D. 绝缘胶 5. 光效和照度的单位分别是？（B）P104 A. Lm, lux B. Lm/w, lux C. Lm, lm/w D. Lm/w,MCD 6. 以下哪种指的是反向电压（D）P97 A. IR B. VF C. IF D. VR 7. LED路灯的设计中，需要注意的是（B） A. 灯具到达路面的亮度应该均匀 B. 路面的照度应该均匀一致 C. 灯具的配光曲线要符合朗伯曲线 D. 路灯的亮度越高越好 8.以下哪种不是LED的正极表示方式 (D ) A. + B. P C. 阳极 D. 阴极 9.以下哪种不是发光二极管的优点 ( B ) A. 体积小 B. 色彩丰富 C:节能 D:单颗亮度高 10.LED作为汽车的刹车灯是因为 ( C ) A. 体积小 B. 色彩鲜艳 C. 反应速度快 D. 省电 11.目前我国常用蓝光芯片的材质为 ( C ) A. InGaP B. InGaAs C. InGaN D. InGaAl 12．下列哪种材料不能作为LED的衬底材料。（D ） A．砷化镓 B.硅 C. 蓝宝石 D.PPV 三、1.使用普通的线性稳压器MC7809，可以实现对直流电的降压，如下图所示，电路图中的MC7809输入电压为17V，输出恒压9V，每只白光LED的正向工作电压V F=3.5V，工作电流I F=350mA，求解：
几种新型半导体发光材料的研究进展 摘要：概述了三种新型半导体发光材料氮化镓、碳化硅、氧化锌各自的特性，评述了它 们在固态照明中的使用情况，及其研究现状，并对其未来的发展方向做出了预测。 关键词：LED发光二极管；发光材料；ZnO, SiC，GaN 1引言 在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导 体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利 于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重 中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。 本文综述了近几年来对ZnQ SiC, GaN三种新型半导体发光材料的研究进展。 2几种新型半导体发光材料的特征及发展现状 在半导体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅(包括锗)材料为主元素半导体占统治地位?但随着信息时代的来临，以砷化镓(GaAS 为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性?而以氮化物(包括SiC、ZnO等宽禁带半导体)为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征正成为最重要的半导体材料之一.以下对几种很有发展前景的新型发光材料做简要介绍? 2.1氮化傢(GaN) 2.1.1氮化镓的一般特征 GaN是一种宽禁带半导体(Eg=3.4 ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙，川族氮化物半导体InN、GaN和A lN的能带都是直接跃迁型，在性质上相互接近，它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV,这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围?实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙? GaN!优良的光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示，强的原子键，高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaNM有较高的电离度，在川-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下，GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS勺一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材 ：1
课题4.1 半导体器件基本结构 4.2晶体二极管 教学目标【知识目标】掌握PN结单向导体的原理 【能力目标】1.懂得什么是半导体 2.理解PN结的单向导电性 3.掌握半导体的分类 4.懂得半导体的主要参数【德育目标】培养学生的抽象理解能力 教 学重点半导体的主要参数 教 学 难 点 PN结单向导体的原理 教 学时间2课时（第11周） 教 具 准 备 半导体、电阻、电流表 教学组织与实施 教师活动学生活动 【新课导入】 提问1： 【新课讲授】 1.导体绝缘体和半导体 各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力，这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能。 通常把电阻系数小的（电阻系数的范围约在0.01~1欧毫米/米）、导电性能好的物体叫做导体。例如：银、铜、铝是良导体。 含有杂质的水、人体、潮湿的树木、钢筋混凝土电杆、墙壁、大地等，也是导体，但不是良导体。 电阻系数很大的（电阻系数的范围约为10~10欧姆·毫米/米）、导电性能很差的物体叫做绝缘体。例如：陶瓷、云母、玻璃、橡胶、塑料、电木、纸、棉纱、树脂等物体，以及干燥的木材等都是绝缘体（也叫电介质）。 举例说明哪些是导体哪些是绝缘体哪些是半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。例如：硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。半导体在电子技术领域应用越来越广泛。 2.PN结 PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。 P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴； N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。 3.PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 (2)PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 分清楚P型半导体和N型半导体
实验六半导体发光器件的电致发光测量 081190088 杨静 一．实验内容与目的 （1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。 （2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。 （3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。 二．实验原理概述 1．辐射跃迁 半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。 导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k 空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。
如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r 成正比，所发射的光子能量为： ην＝E g －(E D +E A )＋r πεε402q 式中E D 和E A 分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。 对简单的替位施主和受主杂质，r 只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r 的增大，成为一发射带。 2.电致发光 根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。 半导体的电致发光（EL ），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL 包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED ）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL 谱的测量。 发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半
半导体发光器件（led常识） 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （二）LED的特性 1．极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED 发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2．电参数的意义
半导体光电子学 一、1.声子：晶格振动的能量量子，假想粒子，与晶格振动相联系，不能独立存在。 光子：传递电磁相互作用的规范粒子，无静止质量，具有能量和动量，能够独立存在。 2.量子阱：两种禁带宽度不同的但晶格匹配的单晶半导体薄膜以极薄的厚度交替生长，使得宽带隙材料中的电子和空穴进入两边窄带隙半导体材料的能带中，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为量子阱。 超晶格：当量子阱结构中单晶薄层的厚度可与德布罗意波长或波尔半径相比拟时，由于量子尺寸效应，量子阱之间会发生很强耦合效应。 3.光子晶体：是指具有光子带隙特性的周期性电介质结构的人造晶体。 纳米线：一种具有在横向上被限制在100纳米以下，纵向无限制的一维结构材料。 4.施主杂质：半导体中掺杂的杂质能够提供电子载流子的特性。 受主杂质：半导体中掺杂的杂质能提供空穴载流子的特性。 杂质能级：半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。 5.激子复合：所谓激子是指处于束缚态的电子和空穴，激子复合的能量将以光的形式 释放。 俄歇复合：电子和空穴复合后将能量传递给另一个电子或空穴的现象。有 CHCC（复合后的能量给导带的电子并使其激发到导带更高能态）和 CHHS（复合后的能量给价带的空穴并使其激发到自旋-轨道裂带上）过 程。 二、采用能带图和文字描述导体，半导体和绝缘体的异同。 导体：价带全满，导带部分填充 半导体：价带全满，导带全空，但是禁带宽度较窄，电子易于激发到导带中去。 绝缘体：价带全满，导带全空，禁带宽度较大 三、光波导结构的实例，并进一步说明光波导在光电器件中的工作原理。 光波导主要有平面波导和条形波导，而条形波导又有增益波导，折射率波导，分布反馈波导实例： 如折射率波导：有源区和两侧限制区的折射率不同，有源区两侧解理面构成反射镜，在有源区电子受激发射出的光子由于有源区和限制区折射率的不同构成全反射，将光场限制在有源区内，光子只能在两侧解理面来回反射，激发出更多的光子，并在输出方向上传播。 四、双异质结未加偏压和加偏压的能带图 双异质结在激光器中的作用： (1)pn结处于正向电压时，异质结势垒降低，n区电子能够越过势垒和隧穿势垒而注入窄
西安工程大学产品造型材料与工艺 半 导 体 发 光 材 料 氮 化 镓 学校：西安工程大学 班级：13级工设01班 姓名：陈龙 学号：41302020103 日期：2015 05 10
新型半导体发光材料氮化镓(GaN)分析及发展 摘要：概述了新型半导体发光材料氮化镓的特性, 评述了它在固态照明中的使用情况,及其研究现状，并对其未来的发展方向做出了预测。 关键词：LED发光二极管；发光材料 GaN 1引言 在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们的生活中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式、思维方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。它们可用作信息传输，信息存储，信息探测，激光与光学显示，各种控制等等。半导体照明是一种基于半导体发光二极管新型光源的固态照明，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃。固态照明是一种新型的照明技术，它具有电光转换效率高、体积小、寿命长、安全低电压、节能、环保等优点。发展固态照明产业可以大规模节约能源，对有效地保护环境，有利于实现我国的可持续发展具有重大的战略意义。从长远来看，新材料的开发是重中之重。发光材料因其优越的物理性能、必需的重要应用及远大的发展前景而在材料行业中备受关注。 本文综述了近几年来对GaN新型半导体发光材料的研究进展。 2新型半导体发光材料氮化镓(GaN)的特征及发展现状 在半导体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素半导体占统治地位.但随着信息时代的来临，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性.而以氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体）为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征正成为最重要的半导体材料之一.以下对其中一种很有发展前景的新型发光材料做简要介绍. 2.1 氮化镓(GaN) 2.1.1 氮化镓的一般特征 GaN 是一种宽禁带半导体(Eg=3.4 ev),自由激子束缚能为25mev,具有宽的直接带隙,Ⅲ族氮化物半导体InN、GaN 和A lN 的能带都是直接跃迁型, 在性质上相互接近, 它们的三元合金的带隙可以从1.9eV连续变化到6.2eV，这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙. GaN是优良的光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示,强的原子键,高的热导率和强的抗辐射能力，其光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级.GaN具有较高的电离度,在Ⅲ-V的化合物中是最高的(0.5或0.43).在大气压下,GaN一般是六方纤锌矿结构.它的一个原胞中有4个原子,原子体积大约为GaAS的一半.GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700?C.文献［1］列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性
半导体发光材料具有优异的光电催化及光电转化活性等特性, 已应用于光学材料, 太阳能材料,压电晶体和激光材料等领域。近年来，由于纳米材料科学的兴起人们对半导体发光材料的制备方法，性能及其应用进行了大量的研究，取得了重要的成就。 ZnSe半导体发光材料的研究进展 美国贝尔实验室在所制备的CdSe纳米粉体中发现，随着CdSe颗粒尺寸的减小发光带的波长逐渐变小，通过控制CdSe纳米颗粒的大小，制得了可在红、绿、蓝光之间变化的可调谐发光管。 1991年，美国3M公司研制成功了世界上第一个ZnSe基电泵浦蓝绿色激光器，引 起了国际上学术界极大的轰动。 近年来，对ZnSe基蓝绿色半导体激光器的研究，取得了里程碑式的研究成果。用ZnSe材料制成的半导体蓝色激光器和发光二极管在水下通讯、通信、复印、高密度的信息储存、高分辨率的图像显示、信号指示以及医学、基础研究、环境检测、战地生 化检测等方面有着极为广阔的应用前景。蓝色激光器用于彩色高分辨率的图像传真，在海底等一些特殊环境下通信更为安全可靠以蓝色激光取代目前激光打印机上普遍采 用的红外激光或红色激光，由于其感应灵敏度的提高，可使打印速度提高一到二个量级。 在当前材料科学研究中ZnSe 半导体发光材料的制备技术倍受关注，追求获得成分纯正、结晶良好、光电性能稳定、低欧姆接触电阻、长寿命的ZnSe材料，成为21世 纪引人注目的焦点。经过40 多年的漫长探索，人们打破传统的“热平衡生长”材料制备方法，ZnSe材料的制备技术已取得了长足的进步。 尽管ZnSe基蓝绿色半导体激光器在四到五年内，连续工作时间由秒级提高到现 在的400h，工作电压也由最初的20v左右降低到目前的3.7v取得了长足的进步与发 展!但如何获得高净空浓度的p型掺杂，实现良好的低阻欧姆接触，延长器件使用寿命，使之达到实用化，仍然存在大量的课题，还需要不懈的努力与探索。 LED用半导体发光材料的产业现状 半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命， 其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般 P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是
在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关， 即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV 之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （二）LED的特性 1．极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
半导体器件原理简明教程习题答案 傅兴华 1.1 简述单晶、多晶、非晶体材料结构的基本特点. 解 整块固体材料中原子或分子的排列呈现严格一致周期性的称为单晶材料。 原子或分子的排列只在小范围呈现周期性而在大范围不具备周期性的是多晶材料。 原子或分子没有任何周期性的是非晶体材料. 1.6 什么是有效质量，根据E(k)平面上的的能带图定性判断硅鍺和砷化镓导带电子的迁移率 的相对大小. 解 有效质量指的是对加速度的阻力.k E h m k ??=2 1*1 由能带图可知,Ge 与Si 为间接带隙半导体,Si 的Eg 比Ge 的Rg 大，所以Ge μ>Si μ.GaAs 为直接带隙半导体,它的跃迁不与晶格交换能量,所以相对来说GaAs μ>Ge μ>Si μ. 1.10 假定两种半导体除禁带宽度以外的其他性质相同,材料1的禁带宽度为1.1eV,材料2 的禁带宽度为 3.0eV,计算两种半导体材料的本征载流子浓度比值,哪一种半导体材料更适合制作高温环境下工作的器件? 解 本征载流子浓度:)exp( )( 1082.42 15 T dp dn i k Eg m m m n ?= 两种半导体除禁带以外的其他性质相同 ∴)9.1exp()exp()exp(0.31.121T k k k n n T T ==-- T k 9.1>0 ∴21n n >∴在高温环境下2n 更合适 1.11在300K 下硅中电子浓度330102-?=cm n ,计算硅中空穴浓度0p ,画出半导体能带图,判 断该半导体是n 型还是p 型半导体. 解 3 173 21002 02 0010125.1102)105.1(p -?=??==→=cm n n n p n i i ∴>00n p 是p 型半导体 1.16硅中受主杂质浓度为31710-cm ,计算在300K 下的载流子浓度0n 和0p ,计算费M 能级相 对于本征费M 能级的位置,画出能带图. 解 3 17 010-==cm N p A 2 00i n p n = T=300K →310105.1-?=cm n i 330 2 01025.2-?==∴cm p n n i 00n p > ∴该半导体是p 型半导体 )105.110ln(0259.0)ln(10 17 0??==-i FP i n p KT E E
半导体发光器件_一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 作者：佚名文章来源：不详 点击数：440 更新时间：2005-11-13 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用 （一）LED发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N 区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图 1所示。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （二）LED的特性
半导体光电效应及其应用 量子力学无疑是20世纪最伟大的科学成就之一，它的诞生是人类对自然界，尤其对微观世界的认识有了质的飞跃，对许多造福人类的高新技术的发展起了奠基、催生和巨大的推动作用。 自20世纪中期开始，电子工业取得了长足的进步，目前已成为世界上最大的产业，而其基础为半导体材料。为了适应电子工业的巨大需求，从第一代半导体材料：硅、锗（1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质硅。）发展到第二代半导体材料：Ⅲ——Ⅴ族化合物，再到现在的第三代半导体材料：宽带隙半导体。半导体领域取得了突飞猛进的发展。 一、光电效应 光照射到某些物质上，引起物质的电性 质发生变化，也就是光能量转换成电能。这 类光致电变的现象被人们统称为光电效应 （Photoelectric effect）。这一现象是 1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论 时偶然发现的。1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不溢出物体表面，而是仍留在内部，称为内光电效应。内、外光电效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用，根据这些效应可制成不同的光电转换器件（光敏器件）。 通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律： 1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长
8. Semiconductor lasers 8Semiconductor lasers yp A typical semiconductor laser is formed from a semiconductor diode and a pair of plane-parallel mirrors. In operation, the diode is forward biased In operation the diode is forward biased The populations are so large that f e+ f h> 1 for some photon energy (above the bandgap energy), thereby giving gain in the semiconductor material. If the gain per pass exceeds the mirror transmission loss and any other losses experienced by the beam (e.g, diffraction, absorption loss in nominally transparent parts of the structure, loss from scattering off material, or structure imperfections) the structure will lase.
Semiconductor laser structures There are two basic configurations edge-emitting edge emitting surface emitting.
异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。 异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。 禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制 半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。 光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光 光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收 在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。 发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。 发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。 电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示 发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型 超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。 发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。 有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。 纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。 F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。 按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器 同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器 AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。 有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构 异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。 分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等） 分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合 DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围 垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高 通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。 QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高 由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点： （1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。 （4）温度稳定性大为改善。 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小 近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。 光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成 光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率 特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。 PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管 PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。