半导体激光器的原理

1、半导体激光器的原理 半导体激光器的原理 主要内容主要内容 第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识 第二章第二章 半导体激光器的原理半导体激光器的原理 第三章 半导体激光器的发展、运用 半导体激光器的原理 第一章 半导体的基础知识 定义：在绝对零度时无任何导电能力，但其导定义：在绝对零度时无任何导电能力，但其导 电性随温度升高呈现总体上升趋势，且对光照电性随温度升高呈现总体上升趋势，且对光照 等外部条件和材料的纯度与结构完整性（是否等外部条件和材料的纯度与结构完整性（是否 有缺陷）等内部条件十分敏感的物质。有缺陷）等内部条件十分敏感的物质。 （1 1） 当受外界热和光的作用时，它的导电能

2、当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 （2 2） 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。 （3 3）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价 键环境，改变其导电能力键环境，改变其导电能力 半导体激光器的原理 能带理论：对导体，半导体，绝缘体本质上科 学区分的理论 晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再 属于某一个原子，而是属于整个晶体共有 晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由 于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集， 认为是准连续的，即形成能带 电子总是先填充低能

3、级，0K时，价带中填满 了电子，而导带中没有电子 半导体激光器的原理 半导体激光器的原理 在绝对零度时，半导体中的能带以一条特征 能隙分界，其下的能带全部被电子占满，其 上的能带全部空着，这条能隙就是禁带，紧 邻其下的满电子因其中的电子全是价电子， 称为价带，紧邻其上的空带因为在在非零温 度下出现少量与金属中的自由电子相似的、 可参与导电的电子，称为导带。这些电子有 可能全部或者部分产生于价电子的热激发， 但在实际器件的应用中，它们主要来自于外 来杂质 半导体激光器的原理 满带电子不导电理论 导体、半导体、绝缘体能带理论讨论中，认 为只有未被电子填满的能带中的电子才能参 与导电，尽管绝对零度时

4、的半导体和绝缘体 中都存在为数众多的电子，但因其皆处于满 带之中，因此对材料的电导率还没有贡献。 金属良导体在T=oK时，其全部价电子只能填 满能带的下半部，上半部空着，上下之间没 有能量间隙，电子容易跃迁，易导电。而半 导体和绝缘体相似，空带距离能带之间有一 定禁带，需要外界作用才能导电，因此不易 导电。 半导体激光器的原理 本征半导体和掺杂半导体 本征半导体：本征半导体：在热力学温度在热力学温度T=0K和没有外界和没有外界 影响的条件下，半导体的价电子均束缚在共价键中，影响的条件下，半导体的价电子均束缚在共价键中， 不存在自由运动的电子。但当温度升高或受到光线不存在自由运动的电子。但当温度

5、升高或受到光线 照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够的照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够的 能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自 由电子，同时，在共价键中留下了相同数量的空位，由电子，同时，在共价键中留下了相同数量的空位， 这种现象称为本征激发。其中自由电子和空位称为这种现象称为本征激发。其中自由电子和空位称为 载流子，半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子载流子，半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子 导电的物质，把主要依靠本征激发获得载流子的半导电的物质，把主要依靠本征激发获得载流子的半 导体称为本征半导体。导体称为本征半导体。

6、 导带电子和价带空穴相等是本征半导体的主要特点导带电子和价带空穴相等是本征半导体的主要特点 半导体激光器的原理 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 半导体激光器的原理 掺杂半导体： 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就 成为杂质半导体。成为杂质半导体。 按掺入的杂质不同，杂质半导体分为按掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型和型和P型型 两种。若掺入五价元素的杂质两种。若掺入五价元素的杂质(磷、锑或砷等磷、锑或砷等)， 则可使晶体中的自由电子浓度大大增加，故将则可使晶体中的自由电子浓

7、度大大增加，故将 这种杂质半导体称为这种杂质半导体称为N型半导体，五价元素称型半导体，五价元素称 为施主杂质，起施主作用。为施主杂质，起施主作用。 若掺入三价元素的杂质若掺入三价元素的杂质(硼、嫁、铜或铝等硼、嫁、铜或铝等)， 则可使晶体中的空穴浓度大大增加，故将这种则可使晶体中的空穴浓度大大增加，故将这种 半导体称为半导体称为P型型半导体，三价元素称为受主型型半导体，三价元素称为受主 杂质，起受主作用杂质，起受主作用。 实际半导体几乎是掺杂半导体，其载流子密度实际半导体几乎是掺杂半导体，其载流子密度 靠掺杂浓度的精确调控来控制靠掺杂浓度的精确调控来控制 半导体激光器的原理 +4+4 +5+4

8、 N型半导体型半导体 多余电子多余电子 磷原子磷原子 半导体激光器的原理 +4+4 +3+4 空穴空穴 P型半导体型半导体 硼原子硼原子 半导体激光器的原理 半导体pn结原理 独处的n型和p型半导体依靠电离杂质和少数载流 子与多数载流子保持电中性，但当这两块半导体 紧密结合成pn结时，二者之间载流子密度的悬殊 差异引起空穴从P区向n区、电子从n区向p区的 扩散。对p区，空穴离开后留下了不可动的带负 电的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保 持电中性，从而在pn结附近的p型侧形成一个负 的空间电荷。同样，电子的扩散在pn结附近的n 型侧形成一个正空间电荷区 半导体激光器的原理 导体中只有自由电

9、子一种载流子，它在导体中只有自由电子一种载流子，它在 电场作用下产生定向的漂移运动，形成电场作用下产生定向的漂移运动，形成 漂移电流。而半导体中有自由电子和空漂移电流。而半导体中有自由电子和空 穴两种载流子，它们除了在浓度差的作穴两种载流子，它们除了在浓度差的作 用下产生定向的扩散运动，形成相应的用下产生定向的扩散运动，形成相应的 扩散电流，还会在电场作用下形成漂移扩散电流，还会在电场作用下形成漂移 电流。电流。 半导体激光器的原理 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E

10、 漂移运动 空间电荷区空间电荷区 PN结处载流子的运动结处载流子的运动 半导体激光器的原理 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。荷区越宽。 漂移运动 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动结处载流子的运动 内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。 半导体激光器的原理 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平扩散和漂移这一对相反

11、的运动最终达到平 衡，相当于两个区之间没有电荷运动，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。这个电荷空间电荷区的厚度固定不变。这个电荷 区在激光器中称为有缘区区在激光器中称为有缘区 半导体激光器的原理 PN结正向偏置结正向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变厚变厚 PN + _ 内电场被削弱，内电场被削弱， 多子的扩散加强多子的扩散加强 能够形成较大的能够形成较大的 扩散电流扩散电流 半导体激光器的原理 PN结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场内电场 外电场外电场 变变 薄薄 NP + _ 内电场被加强，内电场被加强， 多子的扩散受抑多子的扩散受抑

12、 制。少子漂移加制。少子漂移加 强，但少子数量强，但少子数量 有限，只能形成有限，只能形成 较小的反向电流较小的反向电流 半导体激光器的原理 稳压二极管稳压二极管 半导体激光器的原理 N型和P型硅本身就是一种导体，但是当它们 以如图方式组合在一起的时候却不会传导任 何电流。N型硅中的负电子会被吸引到电池的 正极，P型硅中带正电的孔则会被吸引到电池 的负极，不会有任何电流流过结合部，如果 将电池翻转过来，二极管就可以很好地传导 电流了。N型硅中的自由电子受电池负极的排 斥，P型硅中的孔则受正极的排斥。孔和电子 在N型硅和P型硅的结合部相遇，电子会填充 在孔中，这些孔和自由电子便会消失，并且 会有

13、新的孔和新的自由电子出来接替它们的 位置，这就会在结合部形成电流 二极管的基本工作原理就在于利用二极管的基本工作原理就在于利用PN结的单向导电结的单向导电 性这一主要特征性这一主要特征 半导体激光器的原理 半导体激光器半导体激光器 定义：半导体激光器是以一定的半导体材 料做为工作物质而产生受激发射作用的器 件。.其工作原理是通过一定的激励方式， 在半导体物质的能带（导带与价带）之间， 或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主） 能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转， 当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复 合时，便产生受激发射作用，产生激光。半 导体激光器的激励方式主要有三种，即电注 入式，光

14、泵式和高能电子束激励式。 半导体激光器的原理 自发光辐射和受激光辐射自发光辐射和受激光辐射 自发光辐射（自发光辐射（1）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态E2 向低能态向低能态E1跃迁并发射一个能量为（跃迁并发射一个能量为（E2-E1）的光子，这些光子）的光子，这些光子 位相和传播方向各不相同。（位相和传播方向各不相同。（2）当给器件加正向偏压时，）当给器件加正向偏压时，n区区 向向p区注入电子，区注入电子，p区向区向n区注入空穴，在结合区电子和空穴自发区注入空穴，在结合区电子和空穴自发 地复合形成电子地复合形成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式

15、释放出来，空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来， 所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。 受激光辐射（半导体激光器）电子在光辐射的激励下从激发态向受激光辐射（半导体激光器）电子在光辐射的激励下从激发态向 基态跃迁的辐射过程。发射光子的频率、位相、方向等全部特性基态跃迁的辐射过程。发射光子的频率、位相、方向等全部特性 与入射光子完全相同。如果激励光子原本就是由能级与入射光子完全相同。如果激励光子原本就是由能级E2到到E1的电的电 子跃迁过程产生的，则一个受激辐射过程同时发射两个同频率、子跃迁过程产生的，则一个受激辐射过程同

16、时发射两个同频率、 同位相、同方向的电子同位相、同方向的电子 半导体激光器的原理 分布反转 在热平衡下，低能级E1上的电子密度远高于高能 级E2上的电子密度，因而频率为V12的光子通常 在能级E1和E2之间引起光的吸收，然后，被激发 到E2的电子又自发跃迁回E1，发射出最多不超过 入射光子数的频率为V12的光子。但若E2上的电 子密度大于E1的电子密度，则受激辐射光子数就 会超过被吸收的光子数，这些光子数特性一样， 因此对光子数具有放大作用。通常把高能级比低 能级电子密度高的反常情况称为分布反转。分布 反转是产生激光的必要条件。为了让半导体发射 激光，必须在半导体中形成导带底比价带顶电子 密度

17、高的分布反转状态。 半导体激光器的原理 要在半导体中实现分布反转，必须使其导带 保持高密度的电子，价带保持高密度的空穴， 这种反常分布需要由外界输入能量来维持， 与水泵提升水到平面一样，靠外力将电子不 断激发并维持在高能级上的过程被称为“泵 浦”。半导体激光器一般采用pn结正向注入 的方式“泵浦”电子，因此我们主要讲一下 pn结激光器原理 结型激光器结构示意图 半导体激光器的原理 为了能够有效地通过注入式“泵浦” 实现分布反转，其p区和n区都必须 重参杂。然后，通过外加较高的正 向偏置，形成分布反转区，半导体 pn结激光器的分布反转区一般很薄， 厚度只有1微米，却是激光器的核心 部分，称为有缘

18、区 半导体激光器的原理 分布反转只是半导体激光器产生受激发射的 必要条件，要能稳定发射激光，还需要满足 其他条件。首先，半导体pn结激光器需要通 过自身的自发辐射产生激励光。在pn结处于 正向偏执状态的初期，其有源区中大量注入 额外载流子开始时完全是自发地复合，引起 自发辐射，发射一定能量的光子，但这些光 子的相位和传播方向各不相同。大部分光子 会穿出有缘区，但也有小部分平行于pn结结 平面方向传播，作为激励光源引起其他电子- 空穴对复合的受激辐射，产生更多能量、方 向相同的电子，这样的受激辐射随着注入电 流的增大而逐渐发展，形成高强度的光，但 还不是相干光。必须需要共振腔作用 半导体激光器的

19、原理 法布里-珀罗共振腔 定义：用垂直于结面的两个严格平行的晶体 解离面作为天然反射镜面 当一定频率的受激发射沿平行于结平面的方 向在反射面间来回反射且最终形成两列方向 相反的波叠加时，就会在共振腔形成驻波。 （两个振幅、波长、周期皆相同的正弦波相 向行进干涉而成的合成波） 半导体激光器的原理 受激辐射在共振腔内来回反射时，也会 因吸收、散射及反射面透射等损耗，不 过，注入电流则会使有源区内的受激辐 射不断增强，即使之获得增益。而损耗 和增益的消长决定着最终能否有激光的 发射。 我们把增益等于损耗时的注入电流密度 称为阀值电流密度。 半导体激光器的原理 综上所述，半导体激光器要能正常工 作必须具备以下3个基本条件： 1、通过高浓度参杂pn结的正向注入 形成载流子分布发转，使受激辐射占 优势 2、具有共振腔，以实现光量子放大 3、正向电流密度达到或者超过阀值， 即增益至少等于损耗 半导体激光器的原理 半导体激光器发展历史 初期：半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种 材料上制作的pn结二极管在正向大电流注入下，电 子不断地向p区注入，空穴不断地向n区注入.于是， 在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转， 由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区 发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生 激光，这是一种只能以脉