under (a) open circuit, Thermal generation of
(b) forward electron hole
pairs in the depletion region results in a small reverse current.
受激发射速率 自发发射速率

B21 N2
A21N2
f
B21 f
A21
3-1-15
结论2：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强
பைடு நூலகம்
的输入光场f
5.1.2 半导体中的光发射
1、pn结及电致发光
能带 费米能级及载流子分布的规律 掺杂 能带图及pn结的电流电压特性 载流子的复合与发光
V different scales)
D V I = Very Small r
nA
反向击穿电压V V-I曲线 Ebinaesragnydb(acn)dBrdeivaegrrsSgaeepmnabescireafasoctihcroaoanrn.gpdeintliajouynnesrc.ti(odn)
原子壳层结构：
材料基基态本：性在质没：有外由最加外激层发电子条决件定 下最外层电子处于原子的能量最低状态
激发态： 在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态
光子与物质（电子）的相互作用
5.1.1 光的吸收与发射
☆普朗克定律：电子在两个能级之间的跃迁是能量为 hf=E2-E1的光子被吸收和发射的过程
激发态
图3.1.1
基态
(a)、光的受激吸收
dN2 dt
W12 N1
3-1-1
W12 ---受激吸收几率【1/s】
W12 B12 f 3-1-2
B12 ---爱因斯坦受激吸收系数
f ---入射光波的能量密度【W/m3Hz】
普朗克公式：
f

8 hf
c3
3
1 f dnR nR df
☆ 基态及激发态的表述、 分布规律？
☆ 如何实现粒子数反转？
半导体？
☆ 导电特性介于导体与绝缘体之间 ☆ 一种晶体
pn结能带图与单向导电特性
势垒高度
VD

kT e
ln(
Na N ni2
d
)
Eg / e
p
Ec np0
EFp Ev
p
Eo
n
M
pn0
n
SCL
(a) np0
Eo–E
(b)
eVo Ec EFn
exp( hf ) 1
kT
入射光波的能量密度
nR : 半导体材料的折射率，若色散为0，则：
f

8 hf
c3
3
1 exp( hf
) 1
kT
k : 普朗克常数
3-1-3
入射光波的波长
推导思路：利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件--
每个波矢k（E）决定了光子的两个状态（TE、TM），求出
单位体积与单位波矢间隔的光子状态数，在乘上每个状态被
受激发射速率 自发发射速率

B21 f
A21
31013
普通光源热平衡下 发的光是自发发射
产生受激发射(激光）的基本条件
受激发射速率 受激吸收速率

B21N2 f B12 N1 f
N2 N1
3-1-14
结论1：热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足
N2 >> N1----粒子数反转
☆ 由原子系统与入射光信号决定 ☆ 与入射光同态---相干光
(d)、爱因斯坦关系
热平衡时上下能级处的原子数目一定---
单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发 射和自发发射而在E2能级减少的原子数
B12 f N1 A21N2 B21 f N2
求出
f

A21N2 B12 N1 B21N2
Ev
Ec
np
EFp Ev
p
Ec e(Vo–V)
eV
EFn
pn0
Ev
n pn
I V
正向偏置V 正向特性
Eo+E
(c)
I I exp(eV / k T) 1 反向偏置0
Ec
Ec
EFp Ev
B
e(Vo+Vr)
I
Ec
EFp
EFn
Ev
Eo+E
(d)
Thermal
I = Io[exp(eVe(/Vo+kVBrT) ) 1]
正向扩散电流 generation
Ec
EFn
反向特性 反向漏电p 流
Ev n
mA
p
VB
反向击穿
Shockley equation
Vr
Ev
n
Reverse I-V characteristics of a
pn junction (the positive and
V negative current axes have
第五章 半导体激光器原理
深圳大学 光电工程学院
目录
5.1 半导体中的光发射 5.1.1 光的吸收与发射 5.1.2 半导体的光发射 5.2 半导体激光器原理与结构 5.3 半导体激光器的特性 5.4 光源与光纤的耦合
5.1 半导体中的光发射
原子：
原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子 和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克
比较普朗克公式 得：
f

8 hf
c3
3
1 exp( hf
) 1
kT
B12 (g2 / g1)B21
两能级兼并度相同g1=g2，受激发射几率B21=受激吸收几率B12
B12 B21
3-1-12
自发发射几率A21比上受激发射几率B21为常数
(
A21 B21
)

8 hf
c3
3
3-1-13
书中例题3.1.1（p82），白炽灯发出光的成分
3-1-9
3-1-8
热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布
Ni

gi Ni0
exp(
Ei kT
)
N1
/
N2

( g1
/
g2 ) exp(
E1 E2 kT
)
g1
、g
为两能级的兼并度
2
f

A21 B21
1
g1B12 g2 B21
exp(
E2 kT
E1
)
1
hf E2 E1
---E2的自发发射寿命。意义？
☆上能级处的原子数目减少到初始值的1/e所需要的时间 ☆完全由原子系统决定 ☆与入射信号无关的随机发射非相干光
(c)、光的受激发射
dN2 dt
W21N2
3-1-6
W21 ---受激发射几率
W21 B21 f 3-1-7 B21 ---爱因斯坦受激发射系数
光子占据的几率（玻色-爱因斯坦分布）就可得到公式3-1-3
(b)、光的自发发射
dN2 dt
A21N2
3-1-4
A21 ---爱因斯坦自发发射系数【1/s】，
表示每个原子单位时间内从上能级
跃迁到下能级的自发发射几率
dN2 N2
A21dt
sp 1/ A21
N2 (t) N20 exp(A21t) N20 exp( tsp )