蔣玉龍半導體器件講義 器件特性測試實驗講義

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1、蔣玉龍半導體器件講義器件特性測試實驗講義導讀：就愛閱讀網(wǎng)友為您分享以下“器件特性測試實驗講義”的資訊，希望對您有所幫助，感謝您對92to.com的支持!區(qū)價帶有許多空穴，但勢壘很高，很少有粒子越過勢壘進入結(jié)區(qū)，它們復合便產(chǎn)生光子發(fā)射，如圖３所示，光子的波長分布在數(shù)百埃范圍內(nèi)，其峰值近似禁帶寬度，但與其攙雜濃度和類型有關(guān)。發(fā)射的光子各向同性，光子之間沒有固定的位相關(guān)系，是自發(fā)輻射。要使半導體發(fā)射的光子具有相同的能量，方向，光子間具備固定的位相關(guān)系的受激發(fā)射，所需滿足的條件與上述討論不同的地方是：其一，將電子從能量低的價帶激發(fā)到能量高的

2、導帶，產(chǎn)生粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布；其二，提供光學放大系統(tǒng)，即形成諧振腔，使光的增益大于損耗。要使半導體形成離子數(shù)反轉(zhuǎn)分布就必須使受激發(fā)射大于受激吸收。如果有一束平行光，沿正z方向33傳播，受激吸收時，價帶中能量為（E-hv）的電子，吸收能量為hv的光子而產(chǎn)生受激躍遷，它只能躍遷到導帶中能量為E的未被電子占據(jù)的空能級上。那么受激吸收的光子數(shù)與價帶中能量為(E-hv)能級上的電子數(shù)[Nv(E-hv)fv(E-hv)]成比例，還與導帶中能量為E的能級上未被電子占據(jù)的空能級數(shù)[Nc(E)(1-fc(E))]成正比，其中Nv(E-hv)和Nc(E)

3、表示能量為（E-hv）和能量為E的價帶和導帶的能級密度，fv(E-hv)和fc(E)表示能量為（E-hv）和E的電子占有價帶和導帶的幾率。它們服從費米分布規(guī)律。這樣在dt時間內(nèi)、單位體積內(nèi)由于受激吸收而減少的光子數(shù)為?dNa?Nv(E?hv)Nc(E)fv(E?hv)[1?fc(E)]Bvc?(v,Z)dt（14）其中Bvc是受激吸收的愛因斯坦系數(shù)，ρ（v,z）是輻射能量密度。在受激發(fā)射時，導帶中能量為E的能級上電子受激發(fā)射出能量為hv的光子，同時下落到價帶中能量為(E-hv)的未被電子占據(jù)的能級上。帶dt時間內(nèi)，單位體積因受激發(fā)射

4、而增加的光子數(shù)為dNe?Nc(E)Nv(E?hv)fc(E)[1?fc(E?hv)]Bcv?(v,Z)dt（15）式中Bcv是受激發(fā)射愛因斯坦系數(shù)?？梢宰C明半導體中有Bvc=Bcv（16）在激活介質(zhì)中同時存在受激發(fā)射和受激吸收，引起光子數(shù)總變化為dN=dNa+dNe（17）將11.14.15.16代如17式得dN?Nc(E)Nv(E?hv)[fc(E)?fv(E?hv)]Bcv?(v,z)33（18）dt6光要得到放大的必要條件是受激發(fā)射大于受激吸收，即（19）dN?0dt由此得到fc(E)>fv(E-hv)亦即(EF)n–(EF)

5、p>hv（20）(EF)n和(EF)p表示電子和空穴的準費米能級。20就是表示達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生光放大作用的條件。它的物理意義就是導帶能級被電子占據(jù)的幾率應大于由輻射躍遷相聯(lián)系的價帶能級上被電子占據(jù)的幾率。由于半導體是能帶結(jié)構(gòu)，不能用粒子數(shù)的多少來表示粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，只能用20式來表示，發(fā)射的光子能量基本上等于禁帶寬度Eg。20式表明非平衡的電子和空穴的準費米能級之差要大于禁帶寬度。圖４給出了雙異質(zhì)結(jié)激光器的能帶圖。其次，要實現(xiàn)20式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，還要求正向偏壓必須很大，因為準費米能級間的差距與外加偏壓V滿足(EF)n-(EF)p=

6、qV的關(guān)系，要求qV>Eg。圖．４雙異質(zhì)結(jié)型激光器能帶圖半導體激光器產(chǎn)生激光的另一個條件是必須有諧振腔，其諧振腔一般由天然解理面構(gòu)成。沿諧振腔軸向形成的穩(wěn)定駐波稱為縱膜，相鄰兩縱膜間距可以由駐波條件得到?????2??n2nL(1?)n??（21）33式中L為半導體激光器腔長，λ為波長，n為半導體材料的折射率。7?n是??色散項。由于半導體激光器發(fā)射的光子能量hv接近禁帶寬度Eg,n隨λ變化很大，因此討論縱膜間距必須考慮色散的影響。下面討論半導體激光器的一些光譜特性。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增加，激光器發(fā)出的光譜分布會發(fā)生變化，如圖5所

7、示。工作電流低于閾值時，如圖5所示，熒光光譜很寬，一般為幾百埃。電流達到或大于閾值時，如圖所示，譜線變得很窄，并且出現(xiàn)一個或幾個強烈變窄的峰。這些峰剛出現(xiàn)時的電流值為閾值。這也就是半導體激光器閾值的光譜測量法。這些峰的位置，間隔與激光器的縱膜有關(guān)。圖．６砷化鎵激光器的發(fā)射光譜（a）低于閾值時（b）高于閾值時實驗儀器與裝置：光探測器圖７．試驗裝置示意圖實驗儀器：單色儀，光探測器，激光器，微型電子計算機。33半導體激光器發(fā)出的光經(jīng)過光譜儀狹縫后，照射到準光鏡后成為平行光束投射到平面反射光柵上進行分光。分光后的單色光經(jīng)會聚物鏡聚焦，8按波

8、長排列于接收系統(tǒng)的焦平面上。用光探測器作為接收元件，使光信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸入微型電子計算機，自動掃描畫出發(fā)射光譜圖。波長掃描由同步轉(zhuǎn)動平面光柵的角度來實現(xiàn)。光譜圖的縱坐標為譜線的相對強度，橫坐標為波長。三、實驗步驟：1．確保實驗儀器