[经济学]第05章 光源与光发送机

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1、第五章光源与光发送机5.1半导体光源的物理基础5.2半导体光源的工作原理5.3光源的工作特性5.4光发送机5.5驱动电路和辅助电路5.1半导体光源的物理基础5.1.1孤立原子的能级和半导体的能带1.孤立原子的能级原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。2.半导体的能带在单个原子中，电子是在原子内部的量子态运动的。当大量原子结合成晶体后，邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠，原子间的影响将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去

2、，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动，如图5-1所示。图5-1晶体中电子的运动gongyh.swf在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图5-2所示。内层电子态之间的交叠小，原子间的影

3、响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。图5-2晶体中的能带nengdai.swf锗、硅和砷化镓GaAs等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为Eg的禁带所分开，如图5-3所示。原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在导带和价带之间。图5-3导带和价带jiada

4、i.swf2.半导体的能带分布抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价带和导带是我们最感兴趣的两个能带，原子的电离和电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间，当导带(能级E2)被电子占据，价带(能级E1)是空的，即被空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据几率由费密一狄拉克分布给出式中Efc和Efv是费密能级。5.1.2光与物质的相互作用1.自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放

5、出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。zffushe.swf根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：hν12=E2-E1式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；ν12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。2.受激辐射在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。3.受激吸收在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。sjxishou.swfsjfushe.swf5.1

6、.3粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。2.粒子数反转分布状态为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率，这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。5.2半导体光源的工作原理5.2.1PN结的形成及其能带结构1.PN结的形成半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。而P型半导体和N型半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导

7、体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。对N型半导体，过剩电子占据了未掺杂(本征)半导体中空的导带，占据几率由费密一狄拉克分布决定。对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充(黑圆点)，而导带中所有位置都空着，如图5.3(a)所示。当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，对重掺杂N型半导体，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型N型半导体，如图5.3(b)所示。类似地对P型半导体，费密能级Efv向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型P型半导体．如图5．3(c)所示。在非热平衡状态时，价带中载流子分布与兼并型P型半导体的分布相似

8、，而导带中则与兼并型N型半导体分布相似，称为双兼并型半导体，如图5。3(d)所示