半导体光电子学第六章半导体发光二极管.pptx

半导体光电子学第六章半导体发光二极管;6.1概述;尽管与半导体激光器相比，半导体发光二极管有许多不足之处，但它却在中、短距离光纤通信中得到了广泛的应用。弥补了半导体激光器的某些不足。这是由它的以下特点所决定的：

1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；

2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点；3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精确的温度控制，因而驱动电源很简单；

4．由于不存在象半导体激光器那样的腔而退化，工作寿命可达109小时；

5．成品率高，价格便宜。

此外，由于其光谱线宽很宽(30nm)，这对光纤通信中波分复用的应用将带来好处。;半导体发光二极管可以分为三种型式:

表面发射(SE);

端发射或边发射(EE);

超荧光或超辐射(SL).

前两种是从发光的部位来区别的，而超辐射发光二极管则是根据发光特性来区分的。

图6.1-1表示半导体激光器、表面和端面发射发光二极管、超辐射发光二极管P-I特性的比较。;6.2LED的结构;一、边发光二极管;方法之一是将接触电极条控制在适当的长度范围，使电极条距某一端面形成非泵浦(注入)区或吸收区，使有源区中产生的光子在到达该端面之前已被吸收掉，光子在沿纵向运动中产生净吸收而不产生净增益。

以如图6.2-1所示的长波长1.3?m“v”槽边发光二极管为例来说明这种结构的特点。

;为了更可靠的防止激射和增加输出的斜率效率，在前端面(输出而)镀以增透膜是很有效的。用薄而窄的有源条，有利于在较低的住入电流下获得较高的载流子浓度；同时有源层内的部分光进入限制层，有利于改善在垂直于结平而方向上光束的方向性，从而有利于提高输出功率和光纤与发光管之间的藕合效率。窄的条宽有利子提高发光管的亮度。;防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜，以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。;二、面发光二极管;三、超辐射发光二极管;事实上，某些发光二极管也可能产生超辐射。因此，超辐射发光管波导结构的一端或两端的功率反射率对它的性能特点起了重要的决定作用。例如，在如图6.2-3所示的结构中，解理输出端面的反射率R(L)=0.3，这就会出现最坏的情况。而如果对该解理面增透，则输出功率可增加2～4倍；如取R(L)=0，而R(0)?0，则输出功率尚可进一步增加。因为有源区内存在净的增益时，能显著的增加输出功率，这可用解理面代替吸收区、甚至对该后端面进行增反来实现。;图6.2-4表示这种情况下的输出功率与有源层长度的关系。在一定的有源层长度下，后端面反射率R2越高，其输出功率越大。而且随着注入电流的增加，这种超辐射模所占的比率也增加，因而光谱宽度变窄，发散角变小，与光纤的耦合效率显著增加。目前已能用单模光纤从前端面耦合出25?W(I=100mA)。但正如上所述，对超辐射发光二极管的任何设计考虑都必须防止其转化为激光器的工作方式，因此必须适当地控制端面的反射率和注入电流。超辐射发光二极管将在要求光源既无明显偏振特性又有较大功率输出的地方(如光纤陀螺)得到应用。;6.3半导体发光二极管的性能;一、温度稳定性;由图可以看出，在同样的电流和温度变化范围(20~70℃)内，InGaAsP/InP发光管的输出功率降低将近一半，而GaAlAs/GaAs发光管则只降低约1/3。导致这一差别的原因可归结为在InGaAsP/InP发光管中存在较为严重的热载流子泄漏和俄歇非辐射复合。;二、发光二极管的远场特性及其与光纤的耦合;边发光二极管在结构上与半导体激光器有一定的相似性，所以在垂直于结平面方向与双异质结半导激光器的远场特性相同，即在该方向的光束发散角??也和半导体激光器相一致，对GaAlAs/GaAs边发光二极管有;尽管边发光管通常也采取和半导体激光器相同的条形电极结构，但由于它没有谐振腔的反馈，因而在平行于结平面方向也按朗伯型发射。即远场图近似按cos?变化，而在垂直于结平面方向的远场图是按cos7?变化。图6.3-3表示边发光二极管这种远场分布，它比图6.3-2(b)更具体地反映了在垂直于和平行于结平而方向的远场图，如图中实线所示，在垂直于结平面方向出现的几个小瓣是由于有源层在n型-边界面处材料成分变化所致，图中虚线表示按朗伯分布和cos7?分别对平行和垂直于结平面方向测量数据的拟合。;也正是由于边发光管所表现出的部分方向性，使它比面发光