量子阱半导体激光器的模拟研究分析
量子阱半导体激光器的模拟研究分析
孙涛章双玉陈小霞熊廷文文晋吾刘波吴国阳朱善林郭旭
( 华中科技大学电子科学与技术系003班武汉430074 )
Simulation of Single Quantum Well Laser Diode
Sun Tao Zhang Shuang-yu Chen Xiao-xia Xiong Ting-wen Wen Jing-wu Liu Bo Wu Guo-yang Zhu Shan-lin Guo Xu (Dept of Electronics of Science & Technology, Hua Zhong Univ. of Science &
Technology, Wuhan 430074, P.R.China )
Abstract: The principle of single quantum well laser diode（SQW－LD）was reviewed．Discussion was given on the functionality of the gate－way state（quasi-2 dimensional state）which was introduced to describe the transportation of carriers and photons between the separated confinement heterostructure (SCH) and the quantum well．A relative complete set of the equations was presented through a equivalent circuit model ．By means of simulink，which is a functional module of Matlab，a mathematical model for digital analysis of SQW－LD was proposed．The Model i s easy to use．It provides with the advantages of short computation time，real-time supervision and control，convenience for parameter modification．It was used to simulate the opto－electronic behaviors of SQW－LD，such as carrier/photon establishment under step drive current，optical power-drive current relationship，and frequency response to small signal modulation．The results are in good agreement with the reported data．The model can be used for the purpose of device technique improvement and for automatic design and performance simulation of optical fiber networks.
Key words: Super lattice Quantum well Single quantum well laser diode (SQW－LD) rate equation Simulation
摘要：
分析了单量子阱激光器（SQW－LD）工作原理．阐述了载流子和光子在器件内部运动过程中，分别限制异质结构和量子陕之间引入过渡态（准二维态）的作用及必要性．在此基础上，通过量子阱激光器的等效电路模型，给出了完整的速率方程．使用simulink软件建立了SQW－LD的数值分析模型．对SQW－LD在阶跃驱动电流作用下载流子和光子浓度的建立过程、输出光功率与驱动电流之间的关系、小信号调制时的频率响应特性等进行了数值模拟分析．文中提出的数学模型及分析结果可用于量子阱激光器的工艺完善和制作、光纤通信网络的模拟设计和分析．
关键词．超晶格量子阱单量子阱激光器速率方程模拟分析
一．引言
超晶格是一种新型结构的半导体化合物，它是由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层，由于这种特殊结构．半导体超晶格中的电子或空穴能量将出现新的量子化现象，以致产生许多新的物理性质。
对电子和空穴的运动来说，GaAs和AlAs材料构成超晶格最重要的特点是能带在a、b界面的突变。图1中a代表宽禁带隙的材料，a层中的电子和空穴将进入两边的b层，能量将处于b材料的禁带隙内，只要b层不是十分薄，它们将基本被反射回去。换言之，电子和空穴将被限制在b层内，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为“量子阱”。超晶格则是包含了许多个这样的量子阱，且阱之间能够相互作用，形成小能带。
图 1 量子阱
Figure 1.Quantum Well
量子阱激光器具有阈值电流低、调制速率高、谱线宽度窄、温度特性好、光增益大等优
点，因此受到广泛重视．将成为光通信的重要光源之一．根据量子阱的工作原理和特点．采用速率方程能完整地描述器件电、光转换的内部物理过程（包括寄生参数）和外部电、光特性．有关量子阱激光管的模拟分析己有报道．但鉴于方程的复杂性．在数学处理上一般采用一些简化和近似方法尽管结果相差不甚远，其完整性有待探索。本文针对单量子阱激光器（Single Quantum Well Laser Diode ， SQW －LD ）提出了一套速率方程，井利用Matlab 中的Simulink 软件迸行了数值分析，所得结果与文献报道相吻合．
二． 理论分析
量子阱激光器速率方程分析描述量子阱区域和SCH 区域的载流子密度和光腔内光子密度情况的单量子阱激光器速率方程可以写为：
其中s N 和w N 分别为SCH 区和量子阱区载流子浓度,S 为光子密度,w α为电子电荷和量子阱区体积的乘积,s α为电子电荷和SCH 区体积的乘积,s τ为SCH 区载流子渡越时间,e τ为热离子辐射寿命,n τ为双分子复合寿命,p τ为光子寿命,Γ为光限制因子,ξ为增益压缩因子,β为自发辐射系数。
由上述公式可知,速率方程由三个微分方程组成,其中第一个方程表征了由于外部电流注入和量子阱区载流子热辐射引起的SCH 区域的载流子密度的增加以及由于SCH 区渡越时间s τ引起的载流子密度的降低;第二个方程表征了SCH 区载流子热辐射引起的S 量子阱区域的载流子密度的增加以及由于n τ、e τ和光增益引起的w N 的减少;第三个方程表征了由于光增益以及自发辐射引起的光子浓度的增加和光子寿命引起的光子浓度的减少。
由此给出量子阱激光器的等效电路模型如下：
该模型考虑了热辐射效应和分离限制异质区（SCH）内的载流子工作情况。其特点是仅利用一个受控源来表征热辐射效应对SCH区域和量子阱区域载流子的影响，以及用一个RC 并联网络来表征SCH区电荷的存储与损耗。在大信号量子阱激光器的等效电路模型的基础上，利用速率方程的傅立叶变换给出相应的小信号等效电路模型。
由等效电路模型利用电路模拟程序SPICE对其小信号频率相应特性和大信号瞬态特性进行计算机模拟：
左图给出频率响应特性模拟结果。右图给出开关延迟特性示意图。
三．模型建立
量子阱激光器的特性主要取决于载流子（电子、空穴）在分离限制异质区（Separate
Confinement Heterostructure ，SCH ）中的运动和载流子及光子在量子阱中的运动。载流子和光子的运动过程由速率方程描述。载流子在不同区域内运动方式各不相同。在SCH 中包括注入、扩散、漂移（在有外电场存在时）和复合等，此时载流子的运动与在普通半导体中相似，因此也被称为三维（3D ）态或自由态。在量子阱中，载流子的运动则主要有俘获、逃逸、自发和受激辐射复合、非辐射复合、阱间隧道相应等。由于在量子阱中不存在与外加电场方向一致的扩散和漂移运动，因此也称此时载流子处于二维（q －2D ）态或束缚态。以上两种状态都有明确的物理结构和物理过程与之相对应。相应的速率方程也有不同形式，因为二维与三维的态密度有本质的差别，三维的态密度与12E （E 为能量）成正比，二维运动的态密度是常数。为了更完整描述载流子的运动，Brum ．McDonald 等提出一个介于3D 和2D 之间的态，称为准二维态（q －2D ）或过渡态(Gateway)，尽管没有实际的结构与q －2D 态相对应，然而有关理论和实验研究表明，当载流子在3D 和2D 不同能级间转换时，确有这样的中间过程介入。反之，如不考虑q －2D 态，则所得的理论结果（尤其对多量子阱而言）往往与实验结果有较大差异。在q －2D 态，载流子运动方式主要是起过渡作用，如载流子被量子阱俘获，或从量子阱逃逸出来的载流子吸收声子后回到3D 态；也伴有少量的载流子复合及在量子阱之间扩散（对多量子阱结构）。因此，其速率方程也有相应的不同形式。引入q －2D 对多量子阱激光器显得尤为重要，它使得各量子阱能相互独立地进行处理。量子阱激光器的发光特性由完整光子速率方程描述： g w s s s s n d g s
n V dn n n I dt eV V τττ=--+ （1） g
g g g s s w d g cap esc g n
dn n n n n V n dt V τττττ=-+-- （2） 1g w w w g cap esc n n dn n n s v G dt s
τττ=---+∈ （3） []1w g w sp w p
ds s s v G R n dt s βετ=Γ-+Γ+ （4） 00
[1ln()]w n G G N =+ （5） 2[]sp w w
R n Bn = （6）
根据以上分析，本文采用完整速率方程，对单量子阱激光器进行模拟：式中：n 为载流子浓度；下标 s ，g ，w 分别表示 SCH ，q －2D （Gateway ）和量子阱，s 为光子密度，G 为光增益； w L =8 nrn ，为量子阱厚度, SCH L =300nm 。为SCH 层厚度, I 为偏置电流，W=3m μ 为有源区宽度, L=259m μ为腔长, Γ=0.0174为光限制因子, 0G =1?5101
m -为增益参数, 0N =1.8 ?24310m -为载流子基准密度, g v ＝7.5?7110ms - 为群速, p τ=2.47 ps 为光子生存时间, n τ=1ns 为载流子生存时间, B =1?173110m s --为二阶复合系数, d τ=4.5ps 为 SCH 漂移时间, g τ=1ps 为 Gateway 态生存时间, cap τ=0.1 ps 为空穴捕获时间, esc τ=5.6ps 为逃逸时间, ∈=1?23310m --为增益压缩系数。
四．数值分析结果
本文数值分析采用Matlab 软件中的Simulink 工具箱．Matlab 软件除了具有强大的数值计算能力及绘图功能外，其Simulink 采用模块化设计，类似电路设计软件（Electrical Design Automation EDA ）中的各种元件，对各个节点具有实时监控功能，易于调试．本文设计的数学模型使用Simulink 工具很容易转换为类似EDA 的模型，从而可与其他元件（包括电子元件）集成在一起，进行模拟设计和分析；也能用作光学设计和分析的光源．图 2所示为 SQW －LD 的数值分析模型．其中：SCH 模块用于模拟式（l ）．Gateway 模块模拟式（2）； QW 模块模拟式（3）－（6）；i n j I 表示输入电流．
图2． SQW －LD 的数值分析模型
． Figure 2.Mathematical model of SQW －LD
图3所示为（开关在t－0时刻合上）光子浓度的变化．可以看出，光子浓度的建立相对于驱动电流有一定的时延．所示为在t－0时刻加上60mA偏置电流时，SQW－LD光子浓度的瞬态响应．（开关效应）．
图 3
Figure 3 Photon density response
图4可见，阈值电流约为40mA
图 4
Figure.4 Optical output versus drive current
图5所示为小信号调制频率响应曲线．驱动（偏置）电流为44 mA，调制电流是振幅为4 mA的正弦信号．输出下降3 dB处所对应的调制频率为6．5 GH z，即该器件的调制带宽在6．5 GHz左右．
图5
Figure 5. Frequency response to small signal modulation
五．结论
本文对SQW－LD迸行了建模和模拟分析．所建立的模型反映了器件的实际物理过程，数值分析结果与文献报道相吻合．在使用Simulink进行模拟分析时．具有模拟速度快一次模拟只需几秒、能进行实时监控、修改参数方便等优点．该模型及有关结论可用于量子阱激光器的工艺制作和完善，光纤通信系统和网络的模拟计算和分析。
六．致谢
衷心感谢在本次研究过程中给予我们支持和帮助的所有的同学，特别感谢华中科技大学电子科学与技术系计算模拟材料中心的江建军老师给予的指导和帮助！
【1】RossiG,PaolettiR,MeligaM.SPICE simulation for analysis and design of fast 1.55μm MQW laser diodes [J].Journal of Lightwave Technology,1998,16(8):1509～1516.
【2】McDonald D,O'Dowd https://www.360docs.net/doc/b47641959.html,parison of two-and three-level rate equation in the modeling of quantum lasers [J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1995,31(11):1927～1934. 【3】Lu M,Juang C, Jou M, etal. Equivalent circuit of quantum well lasers [J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1995,31:1414
【4】阎明. 半导体超晶格及其量子阱的原理2000.3. 上海海运学报第21卷
【5】张励, 陈建平. 单量子阱(SQW)半导体激光器模拟分析上海市第九届光纤通信会议论文集, 上海,1999.8
【6】高建军，高葆新，粱春广．一个简单的量子阱激光器等效电路模型1999．４固体电子学研究与进展第19卷第3期
【7】刘卫国，陈绍平，张颖著MATLAB程序设计与应用高等教育出版社2002．6
有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告
有关双异质结激光器与量子阱激光器的基础报告 xxx （xxxxxxxxxxxxxxx） 摘要：异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构,具有巨大的开发潜力和应用价值。 关键词：双异质结半导体激光器；量子阱激光器；泵浦 About double heterostructure lasers andreport on the basis of quantum well laser xxx (xxxx) Abstract:Heterojunction semiconductor laser is an important breakthrough in the history of the development of semiconductor laser, it make the optical fiber communication and network technology become a reality and rapid development. Heterostructure has become the contemporary typical structure of high performance semiconductor optoelectronic devices, has huge development potential and application value Key words: double heterojunction semiconductor lasers; Quantum well laser; pump 0 引言 双异质结激光器和量子阱激光器在我们的当代的科研中都取得了一定的成绩，有很多相关的资料供我们查看和研究，这些惊人的成就给我的生活带来的巨大的改变，我们作为新一代的基础人员，有义务去发展，将这些激光器的研究壮大和深入。 1 双异质结基本结构 双异质结基本结构是将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm的半导体激光器在室温下能连续工作。图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注进有源区。它们在该区的扩散又分别受到P－p异质结和N－p异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。同时，窄带隙具有源区有高的折射率与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。 异质结激光器激光器的供应商是半导体半导体的供应商激光发展史上的重要突破,它的出现使光纤光纤的供应商通信及网络技术成为现实并迅速发
量子点的制备及应用进展
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/b47641959.html, 量子点的制备及应用进展 作者：于潇张雪萍王才富倪柳松等 来源：《科技视界》2013年第29期 【摘要】本文分别从量子点的概念、特性、制备方法、表面修饰等方面对量子点进行了 描述及讨论，在此基础上，对量子点在生物传感器方面的应用进行了，最后分析了量子点生物传感器的存在的问题，对其未来发展趋势进行了展望。 【关键词】量子点；光学；生物传感器 量子点主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗粒，又称半导体纳米晶体。由于发生结构和性质发生宏观到微观的转变，其拥有独特的光、电、声、磁、催化效应，因此成为一类比较特殊的纳米材料。国内外关于量子点传感器的研究非常广泛，例如在生命科学领域，可以用于基于荧光共振能量转移原理的荧光探针检测，可以用于荧光成像，生物芯片等；在半导体器件领域，量子点可以用于激光器，发光二极管、LED等。本文对量子点 的制备方法和应用领域及前景进行了初步讨论。 1 量子点的基本特性及其制备方法 1.1 量子点的特性及优势 量子点的基本特性有：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应，除此之外，量子点具有一些独特的光学效应，这使得量子点较传统的荧光染料用来标记生物探针具有以下优势： （1）量子点具有宽的激发光谱范围，可以用波长短于发射光的光激发，产生窄而对称的发射光谱，避免了相邻探测通道之间的干扰。 （2）量子点可以“调色”，即通过调节同一组分粒径的大小或改变量子点的组成，使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。尺寸越小，发射光的波长越小。 （3）量子点的稳定性好，抗漂白能力强，荧光强度强，具有较高的发光效率。半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料，可以对核心进行保护和提高发光效率，从而进一步提高光稳定性。正是由于量子点具有以上特性使其在生物识别及检测中具有潜在的应用前景，有望成为一类新型的生化探针和传感器的能量供体，因此备受关注。 1.2 量子点的制备方法 根据原料的不同分为无机合成路线和金属-有机物合成路线，两种合成方法各有利弊。
半导体量子结构的生长方式
科研训练报告 题目：半导体量子结构的生长方式学生姓名： 学院：理学院 班级： 指导教师： 2012年09 月12 日
一、国内外研究进展及研究意义 1.1 国内外研究现状和发展动态 半导体量子结构的生产方式有三种，包括量子点、量子线，量子点三种方式，量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。美国科学家首度利用光将胶状(colloidal)半导体量子点(quantum dot)磁化，且其生命周期远远超过先前的记录。这个结果除了能激发更多基础研究，对于同时利用自旋与电荷的自旋电子元件(spintronics)领域，也是一项重大的进展。 直到目前，半导体只能在相当低温下呈现磁性，原因是磁化半导体纳米微粒需要靠激子(exciton)之间的磁性交互作用，但此作用的强度在30 K附近就不足以对抗热效应。 最近，华盛顿大学的Daniel Gamelin等人制造出掺杂的纳米微晶，它们的量子局限效应(quantum confinement effect)使激子具有很大的磁性交互作用，且生命周期可长达100 ns，比先前的记录200皮秒(picosecond, ps)高出很多。研究人员利用光将激子注入胶状纳米微晶中，产生相当强的光诱发磁化(light-induced magnetization)现象。 华大团队成功的关键在于以磁性锰离子取代镉化硒(CdSe)半导体纳米微晶中的部份镉离子。这些悬浮在胶状溶液中的微晶大小不到10 nm，照光时内部产生的强大磁场可将锰离子的自旋完全排正。Gamelin表示，排正的过程非常快，此效应在低温时非常强，且可维持到室温。这要归功于第一次在研究中被观察到的高温磁激子(excitonic magnetic polaron, EMP)。 上述团队舍弃以传统的分子束磊晶法(MBE)，而改用新的化学方法直接合成磁性半导体量子点。Gamelin解释，由于掺质-载子间的交互作用够强，EMP稳定性因而增强超过100倍，所以才能在300 K下观察到磁化效应。 美国科学家开发出一种新型的电子胶(electronic glue)，能将个别的纳米晶体(nanocrystals)连接在一起。这种电子胶还能用来制作大面积的电子元件和光伏(photovoltaics)元件。 利用旋转或浸泡涂布(dip coating)和喷墨印刷等溶液类制程来制作大面积太阳电池，例如便宜的屋顶太阳能面板，是高成本效益的方法。不过这些技术必须让半导体溶解，以方便做为墨水(ink)使用。半导体纳米微晶是微小的半导体块状物，是制作此类墨水的理想材料。 然而，在纳米微晶表面由庞大、绝缘有机分子组成的表面配位基，会阻隔纳米晶体间的电荷转移，造成印刷阵列内的个别纳米微晶彼此连结不佳，这点大大降低了纳米微晶在太阳电池和其它的元件上的应用。 最近，芝加哥大学的Dmitri Talapin等人开发出一种新的化学材料，能让个别
半导体量子点发光
. 半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能 级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表 示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K 空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K 空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
. 对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加 量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子 化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合 ,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用 ,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺 陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生 成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整 的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效 地直接复合发光。
半导体超晶格
半导体超晶格 材料的制造、设计是以固体能带结构的量子力学理论为基础的，也 就是说，人为地改变晶体的周期势，做出具有新功能的人工超晶格 结构材料。半导体超晶格材料具有一般半导体材料不能实现的许 多新现象，可以说是超薄膜晶体制备技术，量子物理和材料设计理 论相结合而出现的第三种类的半导体材料。利用这种材料，不仅可 以显著提高场效应晶体管和半导体激光器等的性能，也可以制备 至今还没有的功能更优异的新器件和发现更多的新物理现象，使 半导体器件的设计和制造由原来的“杂质工程”发展到“能带工 程”。因此，半导体超晶格是属于高科技范畴的新型功能材料。 电子亲和势是指元素的气态原子得到一个电子时放出的能量，叫做电子亲和势。（曾用名：电子亲和能EA）单位是kJ/mol或eV。电子亲和势的常用符号恰好同热力学惯用符号相反。热力学上把放出能量取为负值，例如，氟原子F（g）+e→F-（g），△H=-322kJ/mol。而氟的电子亲和势（EA）被定义为322kJ/mol。为此，有人建议元素的电子亲和势是指从它的气态阴离子分离出一个电子所吸收的能量。于是，氟离子F-（g）-e→F（g），△H＝322kJ/mol。两者所用符号就趋于统一。可以认为，原子的电子亲和势在数值上跟它的阴离子的电离能相同。根据电子亲和势数据可以判断原子得失电子的难易。非金属元素一般具有较大的电子亲合势，它比金属元素容易得到电子。电子亲和势由实验测定，但目前还不能精确地测得大多数元素的电子亲和势。元素的电子亲和势变化的一般规律是：在同一周期中，随着原子序数的增大，元素的电子亲和势一般趋于增大，即原子结合电子的倾向增强，或它的阴离子失去电子的能力减弱。在同一族中，元素的电子亲合势没有明显的变化规律。当元素原子的电子排布呈现稳定的s2、p3、p6构型时，EA值趋于减小，甚至ⅡA族和零族元素的EA都是负值，这表明它们结合电子十分困难。在常见氧化物和硫化物中含有-2价阴离子。从O-（g）或S-（g）结合第二个电子而变成O2-（g）或S2-（g）时，要受到明显的斥力，所以这类变化是吸热的。即O-（g）+e→O2-（g），△H＝780kJ/mol；S-（g）+e→S2-（g），△H＝590kJ/mol。这些能量能从形成氧化物或硫化物晶体时放出的晶格能得到补偿。 电子亲和势与原子失去电子需消耗一定的能量正好相反，电子亲和势是指原子获得电子所放出的能量。 元素的一个气态原子在基态时获得一个电子成为气态的负一价离子所放出的能量，称为该元素的第一电子亲和势(First electron affinity)。与此类推，也可得到第二、第三电子亲和 势。第一电子亲和势用符号“E”表示，单位为kJ·mol·L，如： Cl(g) +e → Cl(g)E= +348.7 kJ·mol·L 大多数元素的第一电子亲和势都是正值（放出能量），也有的元素为负值（吸收能量）。这说明这种元素的原子获得电子成为负离子时比较困难，如： O(g) +e → O(g)E= +141 kJ·mol·L O(g) +e → O(g)E= -780 kJ·mol·L 这是因为，负离子获得电子是一个强制过程，很困难须消耗很大能量。
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器 ：本文主要叙述了量子阱半导体激光器发展背景、基本理论、主要应用与发展现状。一、发展背景 1962年后期，美国研制成功GaAs同质结半导体激光器，第一代半导体激光器产生。但 这一代激光器只能在液氮温度下脉冲工作，无实用价值。直到1967年人们使用液相外延的方法制成了单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，贝尔实验室有一举实现了双异质结构的在室温下连续工作的半导体激光器。至此之后，半导体激光 器得到了突飞猛进的发展。半导体激光器具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围 广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。其发展速度之快、 应用范围之广、潜力之大是其它激光器所无法比拟的。但是，由于应用的需要，半导体激光 器的性能有待进一步提高。 80年代，量子阱结构的出现使半导体激光器出现了大的飞跃。量子阱结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料 后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电 子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完
全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变 化，发展起来了应变量子阱结构。这种所谓“能带工程”赋予半导体激光器以新的生命力， 其器件性能出现大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器 (DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、 寿命长、激射波长可以更短等等优点。目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。 其发展历程大概为：1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。对于激光腔 结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈结构，它能以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了用光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(DBR)。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了所谓的面 发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。目前，垂直腔面发射激光器(VECSEL)已用于千兆位以太网的高速网络。自从Nakamura实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激 光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器、DVD系统和高密度光存储器。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器研制成功，且最近，在此又基础上
半导体电子元器件基本知识
半导体电子元器件基本知识 四、光隔离器件 光耦合器又称光电耦合器，是由发光源和受光器两部分组成。发光源常用砷化镓红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。受光器引出的管脚为输出端。光耦合器利用电---光----电两次转换的原理，通过光进行输入与输出之间的耦合。 光耦合器输入与输出之间具有很高的绝缘电阻，可以达到10的10次方欧姆，输入与输出间能承受2000V以上的耐压，信号单向传输而无反馈影响。具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点，因而用途广泛。如在：高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中。 光隔离常用如图： 五、电容 有电解电容、瓷片电容、涤纶电容、纸介电容等。 利用电容的两端的电压不能突变的特性可以达到滤波和平滑电压的目的以及电路之间信号的耦合。电解电容是有极性的（有+、-之分）使用时注意极性和耐压。 电路原理图一般用C1、C2、C？等表示。 半导体二极管、三极管、场效应管是电路中最常用的半导体器件，PN结是构成各种半导体器件的重要基础。 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。具有热敏、光敏、掺杂特性；根据掺入的杂质不同，可分为：N型半导体、P型半导体。 PN结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性，即在P端加正电压，N端接负时PN结电阻很低，PN结处于导通状态，加反向电压时，PN结呈高阻状态，为截止,漏电流很小。 一、二极管 将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。 P结引出的电极称为阳极（正极），N结引出的电极称为阴极（负极），原理图中一般常用D1、D2、D？等表示。 二极管正向导通特性（死区电压）：硅管的死区电压大于0。5V，诸管大于0。1V。用数字式万用表的二极管档可直接测量出正极和负极。利用二极管的单向导电性可以组成整流电路。将交流电压变为单向脉动电压。 使用注意事项： 1、在整流电路中流过二极管的平均电流不能超过其最大整流电流； 2、在震荡电路或有电感的回路中注意其最高反向击穿电压的使用问题； 3、整流二极管不应直接串联（大电流时）或并联使用，串联使用时，每个二极管应并联一个均压电阻，其大小按100V（峰值）70K左右计算，并联使用时，每个二极管应串联10
半导体量子点及其应用概述_李世国答辩
科技信息2011年第29期 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 0引言 近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一[1]。 1量子点制备方法 目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel 和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法 外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法
量子阱原理及应用
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态 和其他元激发过程以及它们之间 的相互作用，与三维体状材料中的 情况有很大差别。在具有二维自由 度的量子阱中，电子和空穴的态密 度与能量的关系为台阶形状。而不 是象三维体材料那样的抛物线形 状[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
自组装InAs_GaAs量子点材料和量子点激光器
自组装InAs GaAs 量子点材料和量子点激光器 * 王占国 刘峰奇 梁基本 徐 波 (中国科学院半导体研究所,半导体材料科学实验室,北京100083)摘要 利用分子束外延技术和Stranski _Krastanow 生长模式,系统研究了In(Ga)As Ga As,InAlAs AlGaAs Ga As,In(Ga)As InAlAs InP 材料体系应变自组装量子点的形成和演化.通过调节实验条件,可以对量子点的空间排列及有序性进行控制,并实现了InP 衬底上量子点向量子线的渡越.研制出激射波长 =960nm,条宽100 m,腔长800 m 的InAs GaAs 量子点激光器,室温连续输出功率大于1W,室温阈值电流密度218A c m 2 ,0.53W 室温连续工作寿命超过3000h. 关键词 量子点 空间有序 量子点激光器新型固态电子、光电子器件的发展依赖于半导体低维量子结构材料的发展.人们在追求更新、更小、性能更优越的量子器件的研究中发现,为了更好地按需对材料(及相应的器件)进行人工剪裁,仅在一个维度上对载流子实现限制常常是不够的.如在侧向共振隧穿器件、单电子输运以及量子干涉器件等,都要求对载流子在侧向实现限制.这要求在二个或三个维度上对载流子实现量子限制而构成一维量子线或零维量子点. 初期量子点的制备是利用光刻技术在二维异质结构材料上形成图案,通过湿法或干法刻蚀得到纳米尺寸的三维限制结构.由于该方法制备的量子点横向尺寸远比纵向尺寸大,界面损伤严重,致使相关器件的研制进展缓慢.后来,人们借助于图形衬底上的外延、解理面二次外延等方法制备量子线、量子点,但该类方法的缺点是难以制备高密度的低维结构材料,且存在严重的质量退化.近几年来,利用Stranski Krastano w (S K)应变自组织生长模式原位生长量子点取得突破性进展.类似于水蒸气在玻璃片上凝结成小水珠,在MB E 或MOC VD 外延高应变材料S K 生长模式的过程中,外延生长最初是二维层状生长,随着外延层厚度的增加产生应变积累,导致在临界厚度时外延层由层状生长转变为岛状生长以便降低系统能量(岛状结构通过弹性形变释放应力),形成了纳米量级尺寸均匀的无位错小岛.这种自发形成的小岛被用于半导体自组装量子点结构材料[1~3],它在大功率半导体激光器、光纤通讯以及光计算等方面有着广泛的应用前景.理论预言量子点激光器与量子阱激光器相比,具有更低的阈值电流密度,更高的特征温度,更高的微分增益和更宽的调制带宽[4].目前,人们已经实现In(Ga)As GaAs 量子点激光器的室温连续激射,在降低阈值电流方面已取得了很大进展,多层耦合In(Ga)As GaAs 量子点激光器的阈值电流密度已降至60A cm 2[3],然而在提高量子点激光器输出功率方 1999 09 01收稿,2000 02 03收修改稿 *国家自然科学基金资助项目(批准号:69736010)第30卷 第7期中国科学(A 辑) SCIENCE IN CHINA (Series A)2000年7月
量子阱半导体激光器简述
上海大学2016～2017 学年秋季学期研究生课程考试 （论文） 课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911 论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述 研究生姓名: 陈卓学号: 16722180 论文评语: （选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处） 任课教师: 张兆春评阅日期: 课程考核成绩
量子阱及量子阱半导体激光器简述 陈卓 （上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444） 摘要: 本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。 关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化
一、引言 半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。 20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。[4] 量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。 减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。 二、量子阱的结构与特性 1、态密度、量子尺寸效应与能带 量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。
新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件
项目名称：新型高性能半导体纳米线电子器件和量 子器件 首席科学家：徐洪起北京大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：教育部中国科学院
一、关键科学问题及研究内容 国际半导体技术路线图（ITRS）中明确指出研制可控生长半导体纳米线及其高性能器件是当代半导体工业及其在纳米CMOS和后CMOS时代的一个具有挑战性的科学任务。本项目将针对这一科学挑战着力解决如下关键科学问题：（1）与当代CMOS工艺兼容、用于新型高性能可集成的纳电子器件的半导体纳米线阵列的生长机制和可控制备；（2）可集成的超高速半导体纳米线电子器件的工作原理、结构设计及器件中的表面和界面的调控；（3）新型高性能半导体纳米线量子电子器件的工作模式、功能设计和模拟、载流子的基本运动规律。 根据这些关键科学问题，本项目包括如下主要研究内容： (一)新型半导体纳米线及其阵列的可控生长和结构性能表征 在本项目中我们将采用可控生长的方法来生长制备高品质的InAs、InSb 和GaSb纳米线及其异质结纳米线和这些纳米线的阵列。 生长纳米线的一个重要环节是选取衬底，我们将研究在InAs衬底上生长高品质的InAs纳米线，特别是要研究在大晶格失配的Si衬底上生长InAs纳米线的技术。采用Si衬底将大大降低生长成本并为与当代CMOS工艺的兼容、集成创造条件。关于InSb和GaSb纳米线的制备，人们还没有找到可直接生长高品质InSb和GaSb纳米线的衬底。我们将研究以InAs纳米线为InSb和GaSb纳米线生长凝结核的两阶段和多阶段换源生长工艺，探索建立生长高品质InSb和GaSb纳米线及其InAs、InSb和GaSb异质结纳米线的工艺技术。本项目推荐首席徐洪起教授领导的小组采用MOCVD 技术已初步证明这种技术路线可行。我们将进一步发展、优化InSb和GaSb纳米线的MOCVD生长工艺技术，并努力探索出用CVD和MBE生长InSb和GaSb纳米线的生长技术。CVD是一种低成本、灵活性高的纳米线生长技术，可用来探索生长大量、多样的InSb、InAs和GaSb纳米线及其异质结，可为项目前期的纳米器件制作技术的发展提供丰富的
量子点激光器
量子点激光器 量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料，量子点的尺寸一般在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”。 在一般块材料中，电子的波长远小于块材料尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点。 图1一般块材料、量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图 量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵浦源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构如下图所示。 图2量子点激光器示意图
对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为δ函数的形式，即 ρ3D(E)=∑δ(E-E i) 其中Ei是体系的能量可取值，可表示为 由此可以得出量子点的能态为分离线，如下图所示。 图3量子点能级图 量子点有源区的高能态和基态的能级间距△足够大(即满足△E>>kBT)，器件的阈值电流密度对温度的依赖就会完全消失；量子点中态密度函数的尖锐化，也使得其峰值增益变窄。 同常规的激光器相比，由于有源区为量子结构，器件特性便具有下列新特点：(1)态密度线状分布，导带中第一个电子能级E1c。高于原价带中第一个空穴能级E1，低于原价带顶Ev，因此有E1c-E1v>Eg，所产生的光子能量大于材料的禁带宽度．相应地，其发射波长出现了蓝移。 (2)量子激光器中，辐射复合主要发生在E1c和E1v之问，这是两个能级之间电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复合，因而量子激光器的光谱的线宽明显地变窄了。 (3)在量子激光器中，由于尺寸通常小于电子和空穴的扩散长度，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大为提高，甚至可高达两个数量级． 早在80年代初，理论就已预言量子点激光器的性能与量子阶激光器或量于线激光器相比，具有更低的阂值电流密度，更高的特征温度和更高的增益等优越特性。这主要由于在量子点材料中，载流子在三个运动方向上受到限制，载流子态密度与能量关系为δ函数因而具有许多独特的物理性质，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等，极大地改善了材料的性能。因此，不但在基础物理研究方面意义重大，而且在新型量子器件等方面显示出广阔的应用前景。目前，零维材料
半导体超晶格能带结构2
本科生毕业论文（设计）册 学院汇华学院 专业物理学 班级2007级 学生侯敏娟 指导教师李玉现
河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书 编号： 论文（设计）题目：半导体超晶格的隧穿特性 学院：专业：物理学班级： 学生姓名：学号： 2 指导教师：职称： 1、论文（设计）研究目标及主要任务 研究目标：提高学生个人的调研能力，锻炼语言组织能力，培养对物理学的研究兴趣，了解物理学的发展进程，在实践中达到物理思想的熏陶。 主要任务：简单介绍半导体的概念、分类、应用，重点解释半导体的隧道效应（势垒贯穿），提高对其的认识和了解，明白怎样总结出其微观粒子的波动性及传播过程，激发研究热情并加快其研究进度。 2、论文（设计）的主要内容 早在19世纪三十年代，英国巴拉迪首先发现了半导体之后，半导体行业就开始不断发展，本文首先介绍了半导体是如何被发现的并且有怎样的意义，随着研究的深入，人们发现了半导体的物理结构，随后提出了超晶格概念，超晶格概念的提出使得量子物理的研究量级从埃扩大到纳米，这一现象的发现为量子物理的进程做出了伟大的贡献，随后发现隧道效应，本文主要就隧道效应的推导过程作了详细的计算，并计算出透射系数，透射系数随着势垒的加宽或电压的增大而迅速减小，得出结论：宏观条件下观察不到隧道效应。 3、论文（设计）的基础条件及研究路线 基础条件：已经搜集了大量的相关材料，学习了其中与论文题目相关的内容并加以理解。认真整理材料和个人的学习体会，对论文相关内容有了统筹的把握。 研究路线：需在原有材料基础上进行总结归纳，介绍其研究方法并适时加入自己的观点和看法，对有关原理进行必要理论分析，并揭示其研究应用前景，突出研究半导体重要意义。 4、主要参考文献 1、周世勋．量子力学教程[M]，北京：高等教育出版社，2009：34-44 2、杨福家．原子物理学[M]，高等教育出版社，2000：106-110． 3、黄昆．固体物理学[M]，高等教育出版社，2001：325-351． 5 指导教师：年月日 教研室主任：年月日
量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器的原理及应用 刘欣卓（06009406） （东南大学电子科学与工程学院南京 210096） 光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏 置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。 关键词：光电调制器；模拟偏置法；误差 High-speed Optical Modulator Bias Control LIU XinZhuo 2) (06009406) (1)Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096 Abstract: The optical modulator bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into account the changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second: it can realize adjustable bias by fine-tune magnification. The bias control is a proportional integral part of the output of the modulator bias. Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube; Zeeman effects; error 作者的个人学术信息： 刘欣卓，1991年，女，南京市。大学本科，电 子科学与工程学院。liuxinzhuo@https://www.360docs.net/doc/b47641959.html,. 1.量子阱半导体激光器的发展历程 1.1激光器研制的现状 随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。 为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。 1. 2半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。 半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)
半导体量子点发光
半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。