《激光原理》课件：c2-3

半导体激光器一、半导体激光器的能级（带）和P-N结1.半导体的能带。如下图所示。它是半导体中的电子的能级图。禁带价带导带Ef电子能量导带：电子能量大，处于自由状态。它的能量水平是在上一块阴影中，这里阴影实际上表示一系列横线，电子可以是横线中任一条的高度所代表的能量。费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假想能级，在费米能级被电子和空穴占据的几率相等。Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2；Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。价带：电子能量较小，具有的能量不足以挣脱原子核的束缚。这种由价电子所形成的能带称为价带，这也是一系列密密麻麻的横线，每一横线是一个电子可能具有的能量。禁带：在价带和导带之间，是由子所不能具有的能量值。几种半导体的能带和电子分布：

(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体电子浓度＝空穴浓度本征半导体：杂质、缺陷极少的纯净的半导体。2.费米统计（1）在一个由N个电子构成的物质系统中，任何两个电子都不能具有相同的能量。即在一个能级上不可能有两个以上的电子。（2）在上述物质系统中，能级E上被一个电子占据的概率为：上式说明能量值小于费米能级的每个能级上面基本上都有一个电子，而大于费米能级能量的能级，电子存在的可能性很小。本征半导体导带中：本征半导体价带中：因为导带所有能级都高于费米能级，所以整个本征半导体导带上电子是很少的（很少有电子有导带能量）。价带所有能级都低于费米能级，所以电子基本上都处于价带中（价带也就很少有空穴）。3.高掺杂半导体。掺杂使费米能级升高或下降。（1）在半导体GaAs中掺入Zn，将使这半导体中的费米能级下降，甚至降到价带里面去，由于电子在费米能级之下，所以在费米能级和导带之间缺少电子，出现空穴，这就是P型半导体。载流子：价带中电子激发至导带，留下空穴。临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴。空穴产生位移，统称载流子。（2）在GaAs中掺入碲（Te），将使GaAs费米能级上升到导带中去，在费米能级之上，则价带顶部将有大量电子填充在导带中，这就是N型半导体。电子（-）、空穴（+）称为载流子。4.PN结（1）结合。把一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起组成PN结。（2）扩散。P型半导体中空穴多，N型半导体中自由电子多，一旦它们连在一起就要发生扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散，P型的空穴向N型扩散。当两种材料接触时，过剩电子和空穴分别由N区和P区向对方扩散，空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定的杂质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移动，称为空间电荷区。（3）自建场的建立。有静电荷的出现就要形成电场，电场是从正电荷指向负电荷，这样的电场叫自建场（即势垒）。在PN结形成过程中，空间电荷区的两边的Ef逐渐接近，直到扩散停止时两者相等，如图所示。此时空间电荷区形成电压V0，从N区指向P区，相当一个高势垒，从而阻止扩散继续进行，在没有外电场的情况下，上述过程很快结束，扩散停止。P型区N型区(EF)P(EF)N(EF)N(EF)PPN结的能带结构变化在PN结区出现二条斜线：上边一条的意义是：在导带最低的能量处如果一个电子从P区走向N区，它所遇到的电位空间分布越来越低，＋→低→0→再低→－，但它的位能却越来越大；下边一条则表示在价带中最高能量的电子在空间的能量分布。这个斜坡就是一个电位的强势垒。PN结能带二、同质结半导体激光器的基本结构1、一块P型半导体。通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）2、一块N型半导体。通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm介质膜反射层激光3、P型半导体和N型半导体接触的附近的一个小区叫P-N结区。4、解理面。相对地有两个，两个解理面平行，构成一个谐振腔。5、导线。电流从“＋”的一端流向“-”的一端。工作过程：电流从“＋”极进入，从负极出。激光从解理面射出。三、半导体激光器的工作过程1.当P-N结加正向电压时（P加正电压，N加负电压），势垒降低，引起电子和空穴扩散。（1）外场是由P区指向N区，外场正电压将大部抵消结区P型半导体的负电位；外场负电压将大部抵消结区N型半导体的正电位。PN结能带（2）这样，结区两边的电位差大大降低了。即结区斜度下降，又导致在PN结区电子的位能远大于空穴位能。（3）此外，电子又重新由N向P运动。2.电子、空穴在PN结区相遇，导带电子的能量大于价带空穴能量，复合时，电子把多余的那部分能量释放出来形成光辐射。3.在反射镜的反馈下（即二解理面），光形成激光。四、半导体激光形成的条件1.半导体必须是高掺杂的，N区的掺杂使费米能级进入导带，P区的掺杂使费米能级进入价带。2.在P-N结上加的正向电压必须足够高，以便使结区空穴位能大大低于电子位能，这是形成“粒子数反转”的条件。导带价带导带价带正常分布反转分布五、异质结半导体激光器

1、同质结GaAs激光器的缺点就是要使这样的激光器工作需要注入很大电流，阈值电流为30000～50000安培/cm2。而一个如上激光器供电面积0.15mm×9.3mm=0.00045cm2，在这么小表面上要注入22.5安培的电流才能发光。造成这么大电流注入的原因：（1）发光区域d太宽。（2）在有源区，光有衍射损失。一旦加在PN结上的电流等于或超过阈值电流，激光就形成了。光实际上并不限于有源区，而要向有源区两侧（即无源区）衍射，在无源区中光只能被吸收，使电子从价带跑到导带中去。2、双异质结半导体激光器双异质结的概念：这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚0.1-0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三