半导体激光器与发光二极管

什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些半导体器件是指在半导体材料基础上制造的电子器件。

它具有介于导体与绝缘体之间的特性，既能够传导电流，又能够控制电流的大小和方向。

半导体器件广泛应用于电子、通信、计算机、光电等领域，是现代科技发展的基础之一。

半导体器件的种类繁多，涵盖了许多不同的功能和应用。

下面将介绍一些常见的半导体器件：1. 整流器件整流器件用于将交流电转换为直流电，常见的整流器件有二极管和整流桥。

二极管是最基础的半导体器件之一，通过正向电压使电流通路畅通，而反向电压则阻止电流流动。

整流桥由四个二极管组成，可以实现更高效的电流转换。

2. 放大器件放大器件可以将输入信号信号放大输出，常见的放大器件有晶体管和场效应晶体管（FET）。

晶体管通过控制输入电流，改变输出电流的放大倍数，广泛应用于各种放大和开关电路中。

FET则是利用场效应原理，通过控制栅极电压来调节输出电流。

3. 逻辑器件逻辑器件用于实现逻辑运算和数据处理，常见的逻辑器件有门电路、触发器和寄存器。

门电路包括与门、或门、非门等，用于实现与、或、非等逻辑运算。

触发器和寄存器则用于存储和传输数据，实现时序逻辑功能。

4. 可控器件可控器件可以通过控制信号来改变器件的电特性，常见的可控器件有可控硅（SCR）和可控开关。

可控硅是一种具有双向导电性的半导体器件，可以实现高压大电流的控制。

可控开关通过改变输入信号的状态，控制输出电路的导通和断开。

5. 光电器件光电器件将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号。

常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻和光电晶体管。

光电二极管具有较快的响应速度，可用于光电转换和光通信。

光敏电阻对光信号具有较大的灵敏度，常用于光控开关和光敏电路。

光电晶体管通过光控电流来控制电流的通断，常用于光电触发器和光电继电器。

除了以上提到的常见半导体器件，还有诸如二极管激光器、发光二极管（LED）、MOSFET、IGBT等。

这些器件在不同的应用领域发挥着重要的作用，推动着科技的不断进步和创新。

第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。

光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。

3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。

当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。

二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。

1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。

激光器分类可以有两种方法对激光器进行分类。

一种是从激活媒质的物质状态面分类。

这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。

各类激光器各有特色。

气体激光器的单色性强，如氦—氖激光器的单色性比普通光源要高1亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。

但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。

这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。

另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。

氦——氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的。

另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。

而且可以覆盖很宽的频率范围。

各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。

一般来说可分为三种方法：使用高强度的光，从带电源来的电子，以及较少用的第三种方法——核辐射。

光纤通信所用的激光器在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。

在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。

而非半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，只用于一些特殊场所。

半导体激光器半导体激光器即为激光二极管，记作LD。

它是前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明的。

半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。

半导体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。

处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光子，受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同，而且相位、方向也相同。

这样由弱的入射光激励而得到了强的发射光，起到了光放大作用。

实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；二、实验原理：光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。

1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。

LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。

LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。

LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30％—50％)，辐射光谱线窄(Δλ=0.1-1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(>20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。

在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。

当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。

如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。

(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。

LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。

1. semiconductor: 半导体，常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。

2. light-emitting diode (LED): 发光二极管3. laser diode (LD): 半导体激光器4. photodiode: 光电二极管5. electrons: 电子6. holes: 空穴7. energy gap: 能隙8. photon: 光子9. insulator: 绝缘体10. transistor: 晶体管11. solar cell: 太阳能电池12. quantum dot: 量子点13. doping: 掺杂。

14. Pauli exclusion principle: 泡利不相容原理。

15. Fermi level: 费米能级16. valence band: 价带17. conduction band: 导带18. optical fiber: 光纤19. energy level: 能级。

20. electron–hole pair: 电子-空穴对。

21. impurity: 杂质。

22. dopant: 掺杂剂。

23. intrinsic (pure) semiconductor: 纯半导体。

24. p-type semiconductor: P 型半导体25. n-type semiconductor: N 型半导体。

26. p–n junction: PN 结27. space charge region(depletion layer): 空间电荷区(耗尽层)。

28. forward-bias voltage: 正向偏置电压29. ground state: 基态30. upper level: 上能级31. lower level: 下能级33. electromagnetic radiation:电磁辐射。

第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。

光经过调变后便能携带资讯。

光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。

1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。

(2)频带极宽，通信容量大。

(3)抗电磁干扰能力强。

(4)损耗低，中继距离长。

(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。

除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。

1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。

参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。

其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。

(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。

发光二极管的功能
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种半导体电子器件，它能把电能转换成光能，发出可见的光束。

LED可以用于指示、显示、通信、辐射图形、吸收光等。

最重要的是，它具有长寿命、高效率、低功耗、耐久的特点。

LED由P型半导体和N型半导体共同构成，P型半导体由正极阴极
和n型半导体由负极阳极构成，中间由注入大量载流子构成，形成两
极之间的电压差，使能释放出可见光线。

当接入电源时，电流穿过PN 结，使激光模式同时产生集一定的能量，从而产生发光。

LED晶体管可以用于大多数电子应用，包括电脑桌面，电话，手机，无线网络，超连接，蓝牙，无线网络和数码摄像机等。

LED的功能还包
括它可以用作指示灯或信号灯，表示电源是否处于活动状态。

它还可
以用来制作时钟，DVD，VCD和其他电子产品。

此外，LED还可用于家居装饰和照明，这给人们带来了色彩缤纷的
灯光享受，甚至可以增加室内的温度和气氛。

LED电脑显示器在电脑显
示方面也发挥了重要作用，LED显示器提供更多的颜色，亮度更高，更
清晰，使用更加宽广。

总而言之，发光二极管的功能非常强大，可以用于指示、显示、
通信、辐射图形、吸收光等；它有很高的效率，低功耗，耐久性和长
寿命，并可以用于家居装饰和照明，LED电脑显示器也发挥着重要作用。

概述：一、光源在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。

光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。

下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。

1 发光二极管（LED ）发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。

其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。

驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。

发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。

发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。

LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。

自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为()int int /P w q η= (2.1)式中，ω 为光量子能量。

假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的发射功率为()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.2) ηext 亦称为外量子效率。

由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。

半导体激光器介绍什么是半导体激光器？半导体激光器又称半导体激光二极管（LD），是指以半导体材料作为工作物质的一类激光器。

激光产生的过程比较特殊，常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

按激励方式分类则分为三种：电注入、电子束激励和光泵浦。

按照结构分类，半导体激光器件又可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

半导体激光器工作的三大要素为：增益大于等于损耗、谐振腔和受激光辐射。

半导体激光器具有体积小、寿命长、便于集成、光电转换效率高等优点，在激光通信、激光显示、激光打孔、激光切割、激光焊接、激光指示、激光打印、激光打标、激光测距、激光医疗等方面具有非常广泛的应用。

半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由薄的有源层、P型、N型限制层构成。

有源层处在P型和N型之间，产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。

以GaAs激光器为例，散热及点接触部分对材料的选择有一定的要求，陶瓷电路板陶瓷基金属化基板拥有良好的热学和电学性能，是功率型LED封装、激光、紫外的极佳材料，特别适用于多芯片封装(MCM)和基板直接键合芯片(COB)等的封装结构；同时也可以作为其他大功率电力半导体模块的散热电路基板，大电流开关、继电器、通信行业的天线、滤波器、太阳能逆变器等。

目前，GaAs激光器基本采用的是陶瓷电路板，而陶瓷电路板中又以氧化铝、氮化铝陶瓷电路板最为常用。

半导体激光器封装工艺流程半导体激光器封装工艺流程大致分为如下几个过程：清洗、蒸镀，共晶贴片，烧结，金丝，球焊，焊引线，目检，老化前测试，老化，老化后测试，封帽，包装入库。

1.清洗的作用主要包括对热沉、管座、陶瓷片及芯片盒的清洗，包括一些仪器的日常清洗，如：全玻璃钢通风柜、超纯水机、烘箱、超声波清洗机等。

2.蒸镀主要用于热沉蒸镀焊料，陶瓷片蒸镀金属电极。

软焊料要求焊接应力小，主要指热膨胀系数与芯片差别较大的热沉材料；硬焊料要求有较大的焊接应力，良好的抗疲劳性和导热性，主要指适用于热膨胀系数与芯片差别较小的热沉材料。

半导体发光二极管测试方法摘要 系统地介绍了与发光二极管测试有关的术语和定义,在此基础上,详细介绍了测试方法和测试装置的要求。

1 前 言 半导体发光二极管是一种重要的光电子器件,它在科学研究和工农业生产中均有非常广泛的应用.发光二极管虽小,但要准确测量它的各项光和辐射参数并非一件易事.目前在世界范围内的测试比对还有较大的差异.鉴于此,CIE(国际照明委员会) TC2-34小组对此进行了研究,所提出的技术报告形成了CIE127-1997文件. 中国光学光电子行业协会光电器件专业分会根据国内及行业内部的实际情况,初步制定了行业标准"发光二极管测试方法",2002年起在行业内部试行.本文叙述了与发光二极管测试有关的术语和定义,在此基础上,详细介绍了测试方法和测试装置的要求,以期收到抛砖引玉之效果. 本文涉及的测试方法适用于紫外/可见光/红外发光二极管及其组件,其芯片测试可以参照进行。

2 术语和定义 2.1发光二极管 LED 除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。

严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,Infrared Emitting Diode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。

2.2光轴 Optical axis 最大发光（或辐射）强度方向中心线。

2.3正向电压V F Forward voltage 通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。

2.4反向电流I R Reverse current 加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。

2.5反向电压V R Reverse voltage 被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。

2.6总电容C Capacitance 在规定正向偏压和规定频率下，发光二极管两端的电容。