电子科学与技术专业实验之四
器件特性测试
(试用本)
大连理工大学物理系电子科学与技术实验室
二O O八年二月
实验一:半导体激光器的发射光谱测量
一、实验目的:
掌握发射光谱的分析原理、方法与操作。通过对室温下砷化镓半导体激光器的发射光谱线宽的测量和工作电流与发射光谱关系的实验,对半导体激光器的发射光谱特性有一个感性的认识,并对有关参数的测试方法有所了解。
二、实验原理和装置:
E
基本原理晶体中的原子是按结晶点阵周期性排列的,所以电子在这种周期性的作用下,其能量不再是一些分立的值,而是扩展到某个能量范围,称为能带,。能带是由许多靠的很近的能级组成,电子的运动不再局限于某一个原子核附近,而可以在整个晶体中运动。
不同掺杂情况下的费米能级
(a)强p型(b)弱p型(c)本征情况(d)弱n型(e)强n型
讨论光与半导体内电子的相互作用,可以“晶体动量”模型,即认为导带中的电子具有晶体动量
(1)
式中K是电子状态的波矢,,h为普朗克常数。矢量P不再是自由电子的经典动量,晶体动量P包含了晶体原子对电子的影响。晶体中电子的运动方程可以从真空中自由电子的经典运动方程类推,只是P中电子质量用有效质量m*代替。价带中的空穴,也可象导带中的电子一样,定义其晶体动量和有效质量。只不过一般材料中,电子的P和m*不同于空穴的P 和m*。
光子能与半导体中的电子和空穴相互作用,光子的能量和动量是这样定义的,首先考虑真空中的光子,其能量E为
(2)
式中c 和为光子在真空中的速度和波长。
由相对论可知,一般离子的能量和它的静止质量的关系为
(3)
由2、3式可得
可得到光子的质量为
(4) 与光子的动量(5)
式中为光子传播方向的单位矢量。由式4 ,5也可以写出光子的动量为
(6), 式中K为光子波矢,等于
由式6可以看出,在“晶体动量”模型中,光子可以等效地由其能量、波长、频率、动量和质量的任何一量来描述,而半导体激光器发射的光子与半导体中电子和空穴的相互作用看作是粒子的相互作用,这样就可以用能量和动量守恒定律来讨论光的吸收和辐射。
半导体中光的吸收是其中一低能级上电子吸收光子后,激发到较高的能态。跃迁服从选择定则,电子和光子的能量和动量必须守恒,即
(7)
和PI +P光子=Pf 或者(8)
式中脚标i和f 是指电子的初态和终态。在可见光或红外光谱范围内,光子的动量比热激发电子的动量小的多,可以认为在跃迁过程中电子的动量没有变
即(9)
若在跃迁过程中,仅包含电子和光子的跃迁称为直接跃迁,因为电子能量为,因此在E-K图中表现为竖直跃迁,如图2所示。
若在跃迁过程中,光子不仅能量和动量传递给电子,而且有声子参加,则电子跃迁过程中将出现K值的变化。换句话说,光子将能量传递给晶格或被晶格原子吸收,晶格原子的振动能量是量子化的,用表示。为角频率,声子的波矢以q表示。这时跃迁的电子和光子能量与动量守恒关系为
和,
跃迁过程的E-K关系表示于图2,亦即电子吸收光子,并同时吸收或发射声子,这种跃迁称为间接跃迁。由于间接跃迁需要光子和声子两者参加,而直接跃迁仅需要光子参加,故间接跃迁几率很小。
从上述讨论可知,光的吸收是电子吸收光子并跃迁到较高的能态,而光的发射正好相反,是电子从较高能态跃迁到较低能态的过程中伴随着发射光子而损失能量。半导体中重要的光发射跃迁是带间跃迁,它发生在导带与价带或由掺杂、缺陷在带隙内形成的某些能态之间。其跃迁过程中能量和动量必须守恒,对于直接跃迁
(10) ; (11)
式中为光传播方向上的单位矢量。对于直接跃迁由于〈〈||和||,因此
≈(12) 对于间接跃迁,则为(13)
式中q是吸收和发射的声子波矢。由于间接跃迁必须有声子参加,大大减少了跃迁几率,从而减小产生光子的几率。
对于光发射的另一个条件是跃迁必须发生在充满的初始态和相应的空白终态上,即电子必须回到下能态的空能级上。两能态的能量差等于发射光子的能量。按通常的热平衡状态,本征半导体在室温时价带上空穴很少,导带上电子很少。N型掺杂半导体在导带上有许多电子,但在价带上空穴很少。P型掺杂则与n型掺杂正好相反。因此,在热平衡状态下,导带上的电子与价带空穴复合发出的光子很少,且在光子离开晶体之前有可能被晶体吸收,因此发出的荧光很弱。为了得到半导体的有效发光,必须设法使其偏离热平衡,即导带上产生更多的电子,价带上有更多的空穴。其中最常用的办法是激励,用能量大于禁带宽度的高强度的光照射半导体,发生带间吸收,产生电子-空穴对,当电子与空穴复合时发出荧光。另一种办法是利用
p-n结特性。当p-n结加偏压时,n区导带有许多电子,p
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