半导体发光器件及其应用于光纤通信中的LED

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：半导体在外界激发下，可将价带中的电子激发到导带中去，同时在价带中留下空穴，所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶，这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射称为无辐射跃迁。与此同时，导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合，并同时发射光子。下面主要介绍光纤通信中采用的半导体发光二极管LED，相对激光器而言，其原理和构造都比较简单。

（一）发光基理

1.能带结构与载流子的统计分析

半导体材料是晶体，晶体的最大特点是其原子呈周期性排列。如Ga As晶体就是由大量的Ga（镓）和As（砷）原子按一定周期排列而成。晶体中的电子的运动状态与单个原子不同。电子除了绕该原子核运动外，还需在相邻原子间作共有化运动。因此，晶体中的能量级与单个原子的能级不同，晶体中的能级按其共有化程度的不同分为若干组，每一组中有若干靠得很近的能级。这些彼此靠得很近的能级组成具有一定宽度的能带，如图5 11所示。

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图5-11　半导体能带结构

（a）半导体的导带、价带及禁带；（b）半导体的能带简图

半导体内部自由运动的电子（简称自由电子）所填充的能带称为导带，导带的能量最高，在原子没有被激发时，没有电子占据，所以又称为空带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位是电子伏特。如果导带底的能量为Ec，价带顶的能量为Ev，则禁带宽度Eg=Ec-Ev的大小代表电子挣脱原子核束缚所需的能量的多少。在禁带的范围中不包括任何的能级，也就是没有任何电子活动，电子可以在价带或者导带所对应的轨道上活动，但是不可以在它们之间的禁带上活动。

在绝对零度时（T=0 pagenumber_ebook=91,pagenumber_book=85 ），这些价电子都分布在价带内，当T＞0时，由于热激发，价带中的电子可能被激发到导带中成为导带电子，同时价带中留下一空穴。导带中的电子和价带中的空穴称为载流子，在热平衡条件下，载流子的能量分布遵守费米统计规律。一个电子占据一个能量为ε的能级几率为

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式中 f（ε）——费米分布函数；

T——绝对温度；

k——玻尔兹曼常数；

εF——费米能级，即化学势。

由式（5-33）可知，当ε-εF≫kT 时，则费米分布简化为玻尔兹曼分布，即

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由半导体物理学可以得到各种半导体中的费米能级在能带中的位置和载流子的分布，如图5-12所示。本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度，费米能级处于禁带的中心，价带中所有的状态都是电子（用黑点表示）填充，而导带中所有的状态都是空着（用空心圆表示）。本征半导体的费米能级和电子分布如图5-12 （a）所示。P型半导体由于受主杂质的掺入，空穴成为多数载流子，而电子成为少数载流子，费米能级的位置比本征半导体低。对于轻掺杂，则εF位于禁带中间与价带之间，这样半导体称为非兼并P型半导体。对于重掺杂，则杂质能级和价带连成一片，费米能级进入价带，这种半导体称为兼并P型半导体，如图5-12 （b）所示。N型半导体与P型半导体正好相反，兼并N型半导体如图5-12 （c）所示。

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图5-12　半导体中的电子的统计分布

（a）本征半导体；（b）兼并P型半导体；（c）兼并N型半导体；（d）双兼并型半导体

2.非平衡载流子的产生

半导体的发光根据激发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生平衡载流子，实际上是将光能变成另一种能的过程。电致发光是用电学方法，将非平衡载流子直接注入到半导体中而产生光，这常借助于PN结等来完成。半导体在外界激发下，可将价带中的电子激发到导带中去，同时在价带中留下空穴，所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶，这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射称为无辐射跃迁。与此同时，导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合，并同时发射光子。

3.自发发射

占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合，同时发射一个光子，这一过程称为自发辐射发光。

（二）发光二极管

半导体发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）所采用材料可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85μm、1.31μm及1.55μm。

发光二极管其颜色有红的、绿的等，主要是用于显示，如数码管。LED发光二极管与光纤通信中用的半导体LED发光机理基本相同，其差别是：LED发光二极管发出的是可见光，而通信用半导体LED发出的是不可见的红外光；LED发光二极管采用多元化合物半导体，生产工艺要求较低。下面主要介绍光纤通信中采用的半导体发光二极管LED，相对激光器而言，其原理和构造都比较简单。

1.工作原理

发光二极管是非相干光源，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，发光过程中PN结不一定需要实现粒子反转，当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，这就是发光二极管的基本原理。因此，发光二极管的输出功率基本上与注入电流成正比。

2.基本性质

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，造成自发发射谱线较宽，发射角大。因此，在光纤中传输时，材料色散和波导色散严重，而发射角大使LED与光纤的耦合损耗大。(https://www.chuimin.cn)

发光二极管的响应速度受载流子自发复合寿命时间限制，为了减少载流子的寿命时间，复合区往往采用高掺杂，或使LED工作在高注入电流密度下。

发光二极管最突出优点是寿命长、可靠性高、成本低、调制电路简单，所以它在一些速率不太高、距离短的系统中得到广泛应用。

（三）半导体激光器（LD）

1.激光产生的物理基础

光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，这与物质内部粒子的状态变化密切相关。由原子的能级结构可知，当粒子由高能级向低能级跃迁时，将发射光子。相反，当粒子从低能级向高能级跃迁时，则吸收光子。归纳起来，光与物质的相互作用存在着以下三种基本过程：

（1）自发辐射。处于高能级的粒子自发、独立地向低能级跃迁。其发射光子的频率不同，光辐射所占频率范围很宽，辐射的方向和相位也不相同。

（2）受激吸收。在光子的激发下，粒子可以从低能级跃迁到较高的能级上去。结果，光能被吸收而转换成其他形式的能量（如热能）。

（3）受激辐射。处于高能级上的粒子，当受到确定频率的光子激发时，也可以从高能级跃迁到较低能级，同时放出一个同频率的光子。受激辐射发射出来的光子，不仅频率相同，而且相位、偏振传播方向都相同，它们与激发辐射的光子叠加在一起，使光得到放大。这就是激光的形成。

要实现受激辐射，需要放大、选频、反馈等环节。

1）放大环节。外加泵浦源，使激光物质处于粒子数反转分布状态。

2）泵浦。所谓泵浦，就是为物质外加激励，把处于低能级上的粒子激发到高能级上去，使高能级上的粒子数目多于低能级上的粒子数目。只有这样，才能稳定地进行受激辐射。

3）选频和反馈。选频和反馈功能由光学谐振腔实现。光学谐振腔示意图如图5-13所示。在激光物质的两侧，置有两面相对的反射镜，其中反射镜1为全反射镜，反射率100%；反射镜2为部分反射镜，反射率为95%，另有部分光线透射输出。

谐振腔要稳定工作产生激光，必须满足阈值条件和相位平衡条件。阈值条件是指谐振腔的增益系数必须大于损耗系数。相位平衡条件是指一面镜射出的光由另一面镜反射回原地时，其形成的干涉必须是彼此加强的，即其相位差必须是2π的整数倍，这样就构成了正反馈，谐振腔即能起振。

2.LD原理及工作特性

半导体激光器即激光二极管（LD，Laser Diode），它是采用特殊的半导体物质构成的一种特殊的PN结，其空间电荷区组成激光谐振腔。工作时，外加较大的正向电压，在正向注入电流（泵浦）的激励下，产生受激辐射，输出恒定的激光。

（1）P—I特性。这是LD输出光功率与正向激励电流的关系，当激励电流I＜Ith时（Ith称为阈值电流），LD未起振，只是发出很弱的荧光。一旦突破Ith，则将发出相当强的激光，光功率随电流的增加而迅速增大，P—I特性曲线如图5-14所示。

（2）温度特性。当工作温度升高时，LD的P—I特性曲线将向右移动，且斜率减小，如图5-15所示。也就是说，若激励电流不变，则温度升高将使LD的输出光功率下降。要保持温度升高时光功率不变，必须加大激励电流。

器件老化时，P—I特性曲线也有类似于温度升高时的变化。正因为半导体激光器输出光功率受工作温度和器件老化的影响很大，所以在发射机中要采取多种辅助措施，如外部制冷、自动温度控制（ATC）、自动功率控制（APC）等，以稳定LD输出。

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图5-13　光学谐振腔

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图5-14　LD的P—I特性

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图5-15　不同温度下LD的P—I特性

（3）转换效率。LD中电功率转换成光功率的转换效率，用功率效率ηp表示，即

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式中 P——激光器输出的光功率；

U——LD的正向结电压；

I——LD的正向电流；

r——LD的串联电阻。

半导体发光器件及其应用于光纤通信中的LED

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