11有机半导体材料与器件概论
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半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
半导体物理与材料
E1
允带
Ec
E(K)Energy
E2
禁带
简化为 电 子
能 量
Eg
E3
K
Ev
Eg EC EV
Einstein光电效应实验。我们简单回顾一下。这个实验引入了重 要的一个关系。图1-5c 中的直线的斜率是h/q。因此h可以通过这个实 验测得。Y轴的截止电压由金属的功函数（work function）W决定。 光子（photon）的能量为E=hν，只有当入射光的能量大于W时，才 使电子从金属表面逸出，并产生光电流。
世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的 GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低位错密 度生长的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。
InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快； 但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技 术尚未完全突破，价格居高不下。
半导体电导率的特征：
1、 变化范围很宽； 2、 随温度上升明显； 3、 随掺杂浓度增加（其中少量杂质电离，载
流子浓度剧增），电导率急剧增加）； 4、 波长合适的光照射，光激发会使载流子浓
度和电导率增加（这实际上就是半导体的光 电导现象）。
➢ 除了半导体的电导率具有以上几方面特征之外， 许多半导体材料述还有比金属明显得多的温差电效 应、磁电效应和压电效应。此外，半导体的pn结、 金属与半导体的接触、不同种半导体材料的接触 (即异质结)等由界面所表现出来的结特性以及电场 对半导体表面的场效应等也是半导体的一些重要特 性。
The band gap of the most commonly used semiconductors is of order 1eV,for Si,Eg=1.1eV.
半导体概论-中文
非存储器半导体 – “ 想 “ 微型处理器 (CPU), Alpha chip
订购型半导体 ( ASIC ) – 把决定电子产品特性的主要功能设计到一个CHIP内 电子产品企业委托半导体公司制作 例)快捷拨号盘 , 除噪功能, 短路防止技术等
12/39
何谓Memory ?
Memory 分类 ▶ Volatile Memory : 除去电源时Data将消失的Memory ( RAM)
2) Mask (掩膜)
为了在Wafer上印制所希望的电路而设计的底片，通过拍摄该底片在Wd Frame)
作为用于连接完成的wafer芯片(chip)和其他电路的连接线 的制作基础， 使用导电性好的铜丝.
19/39
半导体的制造工程
◈ 半导体由原材料、装备(设备)、实用程序(去离子水,化学药品,气体,电)等制作而成.
Diff T/F Photo ETCH C&C 制造 YA/PI/FA
18/39
检查/Test
PKG Test/ 检查
封装/PKG
半导体的3大原材料
1) Wafer
作为制造半导体的硅基板(Wafer)，可通过工程实现期望的电路
使其具有电特性.
200 300 mm ( 8 INCH 12 INCH)
- DRAM ( Dynamic Random Access) – Main Memory
- SRAM ( Static Random Access) – Cache, 游戏机
▶ Non-volatile Memory : 即使电源Off也能保持Data (ROM)
- Mask ROM – Not erasable ( 电子词典, 电子乐器, 游戏机) - EPROM - Erased by UV - EEPROM – Electrically erasable & Program ROM - Flash Memory – 克服EEPROM的界限 ( 存储大容量信息)
半导体光电子器件讲解ppt
包括外延生长型、集成型、混合型等。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
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目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
半导体器件基础最新课件
半导体器件基础最新课件
2、三极管的开关特性 截止工作状态
c b
e
调节偏流电阻RP的阻 值，使基极的电流为零 或很小时，三极管的两 个PN结都处于反向偏置， 集电极中没有电流通过， 三极管处于截止状态， 集电极与发射极之间电 阻很大，相当开关断开。
半导体器件基础最新课件
饱和工作状态
调节偏流电阻RP的阻值， 使基极电流充分大时，集电 极电流也随之变得非常大， 三极管的两个PN结则都处于 正向偏置。集电极与发射极 之间的电压很小，小到一定 程度会削弱集电极收集电子 的能力，这时Ｉb再增大， Ｉc也不能相应地增大了， 三极管处于饱和状态，集电 极和发射极之间电阻很小， 相当开关接通。
放大、截止和饱和三种工作状态。
1、三极管的放大作用
三极管的放大作用是在一定的外部条件控 制下，通过内部载流子的传输体现出来。
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。
半导体器件基础最新课件
三极管内部载流子的传输过程
▪发射区：发射载流子 ▪集电区：收集载流子 ▪基区：传送和控制载流子
发射区的多数载流子自 由电子不断通过发射结扩 散到基区，形成发射极电
半导体器件基础最新课件
2、反向截止特性：
给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管 两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关 断开。
当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小 基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和 电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。
硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一 或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。
半导体器件基础最新课件
3、二极管反向击穿：
当所加的反向电压增大到一定数值时， 反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿， 二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电 压叫反向击穿电压。此时如果没有适当的限流 措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。
第01章半导体器件失效分析概论
第一章半导体器件失效分析概论1*失效分析的产生与发展随着微电子学的飞速发展，半导体器件已广泛应用于宇航/军事/工业和民用产品中。
所以对半导体器件的可靠性研究也更加重要。
半导体器件的可靠性的研究主要包括两方面：一是评价可靠性水平（如可靠性数学/可靠性试验/可靠性评估等）；二是如何提高可靠性（如失效分析/失效物理/工艺监控/可靠性设计等）。
虽然器件可靠性研究首先是从评价可靠性水平开始的，但研究重点逐渐在转向如何提高可靠性方面。
因为可靠性研究不仅是为了评价器件可靠性，更重要的是为了提高可靠性，所以失效分析的失效物理研究越来越受到广大可靠性工作者的重视。
失效分析和失效物理研究的迅速发展并不单是为了学术研究的需要，更重要的是为了满足可靠性工程迅速发展的需要。
特别是60年代以后，随着可靠性研究的发展和高可靠半导体器件及大规模集成电路的出现，可靠性研究遇到了难以克服的困难（例如失效率10-7意味着10000个器件作1000小时试验之后才能得出这一结果）。
第二，半导体器件和集成电路的品种及工艺更新速度很快，使得过去取得的可靠性数据常常变得不适用。
第三。
当代电子设备和系统的日益复杂化/综合化，并对器件提出了高可靠的要求。
为了解决以上的问题，迫切需要一种既省时间，又省费用的可靠性研究方法。
失效分析和失效物理研究就是为了达到这一目的而迅速发展起来的，发展的情况如表1-1所示。
路两项发明，开辟了利用集成电路的新时期，使集成电路的可靠性得到了很大提高，并成功地用于“民兵”洲际弹道导弹，成为美国宇航局在阿波罗计划中广泛使用集成电路的典范。
集成电路用于“民兵”导弹在可靠性方面的意义可定量说明如下：在1958年，要求微型电路的平均失效率为7*10-9。
然而，那时侯晶体管的失效率大约是1*10-5。
“民兵”计划的改进措施（主要是以失效分析为中心的元器件质量保证计划）致使集成电路的失效率降低到3*10-9。
其中失效分析对半导体器件可靠性的提高发挥了很大的推动作用。
有机高分子半导体材料的导电与工作原理
有机⾼分⼦半导体材料的导电与⼯作原理有机⾼分⼦半导体材料的导电与⼯作原理及与硅基材料的⽐较摘要：本⽂从原理⾓度出发，对有机⾼分⼦半导体材料的导电模型与原理，有机⾼分⼦半导体材料器件的简要⼯作原理进⾏阐述，并将该材料的性能与硅基半导体材料相⽐较，最后对有机⾼分⼦半导体材料的发展提出⾃⼰的看法。
关键词：有机⾼分⼦半导体原理器件性能⽐较1.背景：随着⽆机半导体材料的发展、成熟与产业化，有机半导体材料以其种类多样性与巨⼤的应⽤潜⼒逐渐受到⼴泛关注。
在有机电⼦领域的⼏项杰出成就，如1986年和1987年由Eastman Kodak 的Tang[4,5]等提出的有机光⽣伏打电池（OPVC）和有机发光⼆极管(OLED)，为有机半导体的实际应⽤打下了基础。
1986年有机场效应晶体管（OFET）也随之出现。
与此同时，关于有机半导体的结构模型与导电原理的研究也成为了进⼀步解决其不⾜与优化其性能的基本出发点。
⾼分⼦链紧束缚模型（SSH）的建⽴，⾼分⼦⼆聚现象的发现，1979年Su,Schrieffer与Heegerd对于孤⼦、极化⼦、双极化⼦等载流⼦概念的提出，激⼦在有机材料中的重新定位，跃迁机制对于迁移率的解释等，使⼈们对其基本规律有了⼀定程度的认识,并在积极地发展与完善。
2.有机⾼分⼦导体材料的分⼦结构与基本特征有机⾼分⼦半导体，如聚⼄炔，普遍存在共轭⼤π键结构，由成键π轨道与反键π*轨道构成。
两者可分别相当于能带理论中的导带与价带，两个轨道之间的能级差称为带隙。
许多⾼分⼦半导体的带隙处于1.5~3.0eV之间，处于可见光范围，⼗分合适作为太阳能电池。
然⽽从整体来看，诸多较长的分⼦链通过范德华⼒相互纠缠在⼀起形成⽆序结构，⼀条分⼦链⾃⾝也有许多扭转变形，产⽣的结点破坏了共轭作⽤，由此关联的导电机制也更加复杂。
SSH模型认为，有机⾼分⼦固体可简化为具有⼀维特性的⾼分⼦弱耦合⽽成，并且电⼦在某⼀个碳原⼦附近时，将较紧地被该碳原⼦束缚⽽其他碳原⼦对其影响较⼩，及“紧束缚近似”，通过⼀系列计算描述晶格原⼦(碳原⼦)的移动和与电⼦的相互作⽤。
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PRB64_25211
3 有机半导体激光研究 OLED器件阵列及其不同方向的EL输出 光刻好的OLED的基底
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有机半导体材料与器件概论
(Outline of Organic Semiconductor Materials and Devices)
专题之三
Email: gyzhong@ Department of Material Science, Fudan University,200433, Shanghai, China
思考：
1 激光的基本原理 2 几种激光器的结构和原理 （含无机半导体激光器） 3 有机半导体激光研究现状 （含光泵 电泵有机激光） 4 有机电致激光的前景 还没实现
作业： 阅读参考书中与本次课有关的内容
APL69_04168.pdf
3 有机半导体激光研究 强场电激发产生电吸收造成能量损失，阻 碍有机半导体二极管激光器的实现 吸收变化
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3 有机半导体激光研究
吸收谱 吸收谱APLFra bibliotek4_01057
3 有机半导体激光研究
电泵有机激光器件存在的问题： 强场电激发产生电吸收造成能量损失， 阻碍有机半导体二极管激光器的实现， 可能的办法是选择合适的长寿命发光 材料和脉冲驱动
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3 有机半导体激光研究
不同激发强度下的光谱
SCIENCE279_00553 SCIENCE279_00553
3 有机半导体激光研究
4 有机电致激光的前景
1 找到量子效率不受电流密度和电场影响的激光材料，并满足：
ext J 5 A / cm
2
2 激发强度增加使非辐射能量损失增加，阻碍有机电致激光 的实现。晶态材料容易因为单线态激子间的双分子反应引起 非辐射能量损失，无定形材料由高浓度三线态激子和极化子 引起能量损失。 3 指出SCIENCE上一篇关于有机电致激光的报道不可信， 除非器件中形成电子-空穴的等离子体 4 目前不清楚能否在有机材料中形成电子-空穴等离子体 ，如 果无法避免薄膜材料中高激发强度下的能量损失，那么把电致 发光作为泵浦光的发光区和产生激光的增益区在空间上分离是 得到电致激光的一种可能途径。
DH
SW
垂直微腔表面发射结构
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3 有机半导体激光研究 通过能量转移产生光泵受激辐射实物照片
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3 有机半导体激光研究
通过能量转移产生受激辐射
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3 有机半导体激光研究
通过能量转移产生受激辐射
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3 有机半导体激光研究 通过能量转移产生受激辐射
2 几种激光器的结构和原理
有机材料在里面 反射导致光放大
圆盘边缘的反射导致光放大
2 几种激光器的结构和原理
不同发光层内的某些波长的发 光干涉增强，可能导致激光 一层发光一层不发光 最上面的 界面干涉增强
2 几种激光器的结构和原理
不同点的发光在某个方向上的干涉增强导致该 方向上可能产生激光，不同的角度可能产生的 激光波长不同
可作为有机发光 器件的聚合物光 泵微激光器
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3 有机半导体激光研究 可作为有机发光器件的聚合物光泵微激光器
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3 有机半导体激光研究
可作为有机发 光器件的聚合 物光泵微激光 器激发强度与 光谱
PRB64_25211
3 有机半导体激光研究
可作为有机发光 器件的聚合物光 泵微激光器的PL 和EL光谱
辐射跃迁 E2
hv
受激辐射 E2
hv hv hv
E1
E1
1 激光的基本原理
能量 快 能量
慢
E2 E1
N2
N1
E0
N0
粒子数
三能级系统的粒子数反转
处于粒子数反转状态的材料为激活介质，如有适当光子射入 激活介质，可产生辐射大于吸收的情况，从而实现光放大
1 激光的基本原理
一直循环加强来回 多次，某个频率
3 有机半导体激光研究
电流密度增大， 量子效率降低
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4 有机电致激光的前景
Prospects for electrically pumped organic lasers
M. A. Baldo, R. J. Holmes, and S. R. Forrest
PRB66-035321
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3 有机半导体激光研究 通过能量转移产生受激辐射
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DCM:红光染料 接受Alq 发光DCM
3 有机半导体激光研究 通过能量转移产生受激辐射的器件结构
银 镜面
平板波导结构
垂直微腔表面发射结构 双异质节结构
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3 有机半导体激光研究 通过能量转移产生受激辐射能量输入输出关系 平板波导结构
3 有机半导体激光研究
PPV光泵激发 辐射模式和自 发辐射模式
AM11_00363
3 有机半导体激光研究
聚合物光泵激光器举例 激光器结构
条状分布，光致发光 APL82_02203
3 有机半导体激光研究
聚合物光泵激光
激光性能：半高宽窄好 能量密度w/th 阈值
开始产生激射 的泵浦能量密 度：阈值
3 有机半导体激光研究 脉冲激发后的平均激子密度和电荷密度
APL74_02764
3 有机半导体激光研究 发光与电吸收
APL74_02764
3 有机半导体激光研究
APL84-01401
具有透明载流子注入电极的有机半导体激光器光泵自发辐射放大
Amplified spontaneous emission under optical pumping from an organic semiconductor laser structure equipped with transparent carrier injection electrodes
3 有机半导体导电： 载流子迁移 迁移率定义 两种基本的导电模型: 载流子在导带中共有化运动导致的传输 跳跃 (hopping) 传输（有机半导体） 与有机发光器件电流电压特性有关的两种模型： 电流注入限制电流模型 空间电荷限制电流模型 (SCLC)
空间电荷限制电流 (SCLC) “Space Charge Limited Current”
－
+
本次课主要内容： 1 激光的基本原理 2 几种激光器的结构和原理 （含无机半导体激光器） 3 有机半导体激光研究 （含光泵，电泵有机激光） 4 有机电致激光的前景
有机半导体激光器的优点：
制备容易，成本低，体积小，可选的 激光材料多，可弯曲 应用前景广阔！
1 激光的基本原理
Laser: light amplification by stimulated emission of radiation 受激 放大 辐射
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3 有机半导体激光研究 不同激发强度的光谱以及激光的半峰宽
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3 有机半导体激光研究
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3 有机半导体激光研究
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3 有机半导体激光研究
(光，电)
研发用电能激发
激光器结构
腔长为半波长的整数倍时光放大
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2 几种激光器的结构和原理
无机半导体激光器结构
2 几种激光器的结构和原理
波带片
波导DBR,DFB：负反馈 AM11_00363
2 几种激光器的结构和原理
H 高折射率 L H L
入射光在不同界面上的反射光发生干涉 使反射光增强，从而起到反射镜的作用
1
简要复习前几次课内容：
回顾前面2次课内容： 1 有机发光器件的界面: 界面能带结构:肖特基势垒，三角形势垒，镜像势 隧穿电流的计算: 态密度，费米迪拉克分布，隧穿几率 界面效应: 真空能级对齐，费米能级对齐，界面偶极层 电子和空穴重新分布 形成一定电场 增强载流子注入的方法: 改善材料、利用低功函数的金属、插入缓冲层（增强载流 子注入） 插入缓冲层增强载流子注入的原理: 化学反应，界面偶极 层，减小隧穿势垒（宽度 加一层绝缘层 很波宽度就下来了） 界面有偶ji