2015第10课 第七章 半导体异质结激光器(2)
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体激光器ppt课件
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
异质结半导体激光器资料
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体 或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活 物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理 －化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和 高的荧光量子效率。 固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励 源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、 钾铷灯等。一些新的固体激光器也有采用激光激 励的。 固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分 为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转 换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
二、条形激光器的种类
按它们在侧向的波导机构，可分为两类，即增益
波导与折射率波导。增益波导是利用载流子密度在有源
层侧向的非均匀分布，而使有源层中心部分的增益（或 复介电常数的虚部）高于其两侧，形成所谓的“增益波 导”。侧向折射率波导是由有源层与其两侧材料的折射 率差来实现的。
按有效折射率变化的大小而产生波导作用的强弱
在很多应用中 要求LD有很好的 横模（包括侧模） 特性。一些应用中， 要求有尽可能圆对 称的远场光斑.可 行的途径是在LD 有源层的侧向也对 其内部的载流子和 光子施行限制。所 谓条形LD条形LD 是LD实现室温工 作后一个重要的发 展里程碑。
一、条形半导体激光器的优点
①由于有源区侧向尺寸减小，光场对称性增加，因 而能提高光源与光纤的耦合效率； ②因为在侧向对电子和光场有限制，有利于减少激 光器的阈值电流和工作电流，有利于提高电-光转换效 率 ③激光器的热阻减少，提高了激光器的热稳定性； ④由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无 缺陷的有源区，同时有源区与外界隔离，有利于提高 器件的稳定性与可靠性； ⑤有利于改善侧向模式。
形成的浓度梯度使其产生侧向扩散。
数理工具及结论：
数字工具：浓度扩散方程
半导体激光器（ＰＤＦ）
半导体激光器（济南福来斯光电技术有限公司，**************）1 前言当前人类正进入信息和智能化的时代。
以光电子、微电子为基础的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻地影响着国民经济、国防建设的各个领域，成为世界发达国家竞相发展的高新技术，其中以半导体激光器起着举足轻重的作用。
20世纪60年代到20世纪70年代[1-5]经过各国科学家的不懈努力，实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器的发展的新时期。
以其转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、能直接调制等特点成为信息技术的关键器件。
其发展速度之快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是任何其它类型激光器所不能比拟的。
目前已经是光纤通信、光纤传感、光盘信息存贮、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固体激光器泵浦（DPSSL）和光纤放大器（SLA）泵浦中不可替代的光源。
随着它的输出功率和相干性的不断提高，它也在材料加工、精密测量等方面一展宏图，显示出巨大潜力，正在迅速占领过去由气体和固体激光器占领的一些市场。
据统计国内半导体激光器的市场占有率正逐年递增，从90年代初期的不足10%到目前80%以上。
对于半导体激光器在任何领域的应用，总希望其能长期可靠的工作，例如海底通信系统由于维修更换成本很高，因此要求器件可靠工作20年以上[6]，而影响维修周期长短的关键器件就是半导体激光器的工作寿命。
因此从90年代初发达国家开始对半导体激光器的可靠性和寿命测试方法开始研究。
这些研究归纳起来有两种：第一、加速寿命测量法：如热应力加速测量法[7-9]、电应力加速测量法（包括大电流加速[10]和静电冲击[11]）等等。
第二、激光器参数测量法[12]：如电导数测量法、热阻测量法。
确定器件的可靠性和寿命原则上应在特定的工作条件下（电流、功率、温度等）对器件进行考核，直至器件失效。
对于高可靠性的电子元器件进行长时间的寿命试验，无论从成本还是时间上来看，都是不合算的，甚至是不可能的。
2015第9次课 第七章 半导体异质结激光器
同质结：需重掺 异质结：不需
产生激光的必要条件二：粒子数反转分布
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
产生粒子数反转的方法
• 注入载流子－半导体激光器 • 强光对激光物质进行照射－固体激光器
Electron energy Ec (a) EF Ev Eg p eVo n+ Ec EF eVo Distance into device p n+
r12 ( 吸收） 12 ( 吸收） B12 ( f1 f 2 ) (E21) F ( E ) P(E )v c/ n 21 21 g
(7.17)
(7.18)
某一能级E1到某一能级E2 =E1+hv 的跃迁。
1 e
hv kT
1
若hv=1eV ，,n 1017
受激辐射完全被受激吸收所掩盖.
需人为增加光子密度，以增大受激辐射程度. (谐振腔)
7.2.4半导体中受激发射的必要条件
r21=B21f2(1-f1)p(E21)>r12=B12f1(1-f2)p(E21) f2(1-f1) >f1(1-f2) f2>f1
This defines the population inversion in a semiconductor. The quasi-Fermi levels are determined by the pumping (injection) level (EFc – Efv）= eV > Eg, where V is the forward bias voltage)
异质结
耗尽层宽度分别是 2 ε pε N N DVD xp = ⋅ , e N A (ε p N A + ε N N D ) 由上面的分析，还可以得到结电容 1 2 ε p N A + ε N ND = ⋅ ⋅ VD C 2 e ε pε N N A N D j
2 ε pε N N AVD xN = ⋅ e N D (ε p N A + ε N N D )
N AND pn n ≈ k BT ln 1 2 = k BT ln 2 ni2 n1 p1 n1
即内建电势取决于两种半导体载流子浓度的比值。具体到pN结，取 决于N型半导体中的多子（电子）与p型中的少子（电子）浓度比。
§2.3 半导体异质结
根据《半导体物理》的结论，p区和N区各自的内建电势分别是 2 eN A x 2 eN N x N p , VDN = VDp = 2ε p 2ε N 若近似认为，正负电荷在耗尽层是均匀分布的，则电中性条件为
J = e⋅ X Ln1 exp − k T ⋅ exp k T − exp − k T B B B
在正向偏置时，方括号中第一项起主要作用，反向偏置时，第二项 起主要作用。所以，在正向偏置下，有
D N eV J = e ⋅ X n1 D 2 exp − DN k T L n1 B eV ⋅ exp 2 k T B
N A x p = N D xN
于是得
VDp VDN
=
ε N ND ε pNA
该式表明，内建电势主要降落在杂质浓度较低的一侧。结合以上各 式，得到内建电势分别为
§2.3 半导体异质结
VDp =
第10课第七章半导体异质结激光器
7.5.2 载流子限制
对于同质结：
第10课第七章半导体异质结激光器
* 采用异质结可以限制载流子。 * 限制能力与势垒高度，结温等有关。 * 载流子能量分布 *越过势垒泄漏。
第10课第七章半导体异质结激光器
1 异质结对电子和空穴的限制
由N区注入到p型有源层的电子将受到pP同型异质结势垒的 限制。阻挡它们向P型限制层内扩散。
问题：
异质结在半导体激光器中有那些应用？ 载流子限制 光限制 DBR 量子阱激光器有什么特点？ 微分量子效率?
目录
• 7.5 异质结在半导体激光器中的应用 • 7.5.1 超注入 • 7.5.2载流子限制 • 7.5.3光限制 • 7.5.4 布拉格反射作用 • 7.6 增益和电流的关系，量子效率和增益因子 • 7.7 量子阱激光器 • 7.8 半导体第1激0课第光七章器半导制体异备质结激光器
m=0）的方式工作。
第10课第七章半导体异质结激光器
n (x ) 3 .5 9 0 0 .7 1 0 x 0 .0 9 1 x 2
第10课第七章半导体异质结激光器
7.5.4 布拉格反射作用
29-pairAlN/GaNDBR
第10课第七章半导体异质结激光器
多层介质膜的反射率
同样，pN 异型异质结的空穴势垒限制p型有源层的多数载
流子向N限制区运动。
势垒：
E , E Ec 0.85Eg
c
v Ev 0.15Eg
GaAlAs/GaAs 异质结：
pP同型异质结势垒高度有Ec 决定。
第10课第七章半导体异质结激光器
电子分布
对电子的限制
c(E Ec) fc
(7.22)
(E E
1 2mn 3/2
单异质结半导体激光器.课件
交叉学科应用的前景
1 2
生物医学领域应用
利用单异质结半导体激光器的特性，开发用于生 物成像、光动力治疗和光热治疗等应用的激光器 。
光子集成与光通信
结合光子集成技术，实现单异质结半导体激光器 的片上集成和高速光通信系统中的应用。
3
量子信息技术
探索单异质结半导体激光器在量子信息处理、量 子密钥分发和量子纠缠光源等领域的潜在应用。
生物医学成像
单异质结半导体激光器在生物医学成像中发挥着重要 作用，可用于荧光显微镜、光谱仪等设备。
在生物医学成像中，单异质结半导体激光器作为激发 光源，能够提供高亮度、高纯度的单色光，用于激发 荧光标记物或特定组织中的荧光物质。通过荧光显微 镜或光谱仪等设备，可以观察和分析生物样本中的分 子结构和功能信息，为医学研究和临床诊断提供重要 依据。此外，单异质结半导体激光器还可应用于眼科 、皮肤科等领域，为患者提供高效、安全的治疗方法 。
应用研究进展
光通信
单异质结半导体激光器在光通信领域 具有广泛的应用前景，其研究主要集 中在提高器件的稳定性、降低阈值电 流密度以及实现可调谐波长等方面。
光互联
单异质结半导体激光器在光互联领域 也具有广泛的应用前景，其研究主要 集中在提高器件的光束质量、实现可 调谐波长以及降低成本等方面。
06
单异质结半导体激光器的挑战与 展望
宽禁带半导体材料
具有高热导率和抗击穿特性，如SiC、 GaN等。
异质结的结构设计
单异质结
由不同带隙的半导体材料 构成，形成能级差，用于 限制电子和空穴的流动。
双异质结
由两种不同带隙和折射率 的材料构成，形成波导结 构，用于控制光子的流动 。
多层异质结
通过多层的不同材料堆叠 ，实现能级结构和波导结 构的复合，提高激光器的 性能。
半导体激光器工作原理及基本结构ppt课件
1
半导体、固体激光器
工作原理及基本结构 器件分类（主要参数） 应用
2
半导体激光器工作原理及结构
半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激 光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或 异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集 居数反转。这类激光器由于容易实现电流直接调制输出，因此它 是目前使用最为广泛的一种半导体激光器，所以接下来我们来着 重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理。
一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
7
增益和阈值电流
增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增 强。
损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。 包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。
阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
11
半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
1. 光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激 光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源； 2. 光盘存取。半导体激光器已经用于光盘存储器，其最大优点就 是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘存储密度； 3. 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析， 监测大气污染、汽车尾气等； 4. 光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射 半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于 光计算和光神经网络。 5. 激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集 成电路进行切割、打孔等。
3
半导体激光器工作原理及结构
注入式半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、
异质结发展现状及原理
异质结发展现状及原理pn结是组成集成电路的主要细胞。
50年代pn结晶体管的发明和其后的发展奠定了这一划时代的技术革命的基础。
pn结是在一块半导体单晶中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。
一般pn结的两边是用同一种材料做成的(例如锗、硅及砷化镓等)，所以称之为“同质结”。
如果把两种不同的半导体材料做成一块单晶，就称之为“异质结“。
结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的为“同型异质结”。
掺杂类型不同的称为“异型异质结”。
另外,异质结又可分为突变型异质结和缓变型异质结,当前人们研究较多的是突变型异质结。
1 异质结器件的发展过程pn结是组成集成电路的主要细胞,50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。
1947年12月,肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。
1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献,共同获得了科学技术界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。
1949年肖克莱提出pn结理论,以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用,这就是著名的晶体管放大效应。
由于技术条件的限制,当时未能制成pn结型晶体管,直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。
这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。
1957年,克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结,比同质结具有更高的注入效率。
1962年,Anderson提出了异质结的理论模型,他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构,晶格常数和热膨胀系数,基本说明了电流输运过程。
1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。
1968年美国的贝尔实验室和RCA公司以及苏联的约飞研究所都宣布做成了GaAs—AlxGal—。
As双异质结激光器l；人5)．他们选择了晶格失配很小的多元合金区溶体做异质结对．在70年代里，异质结的生长工艺技术取得了十分巨大的进展．液相夕随(LPE)、气相外延(VPE)、金属有机化学气相沉积(MO—CVD)和分子束外延(MBE)等先进的材料生长方法相继出现，因而使异质结的生长日趋完善。
同质结和异质结半导体激光器
kT
2
F
1 e
EF E1 kT
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
1
E1 EF kT
1
e 1 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
f N (E2 ) f N (E1) EF EF E2 E1 Eg
n c2 A21 n c2 Gν f ν f ν 2 2 2 2 8 ν 8 ν t复合
半导体激光器的工作原理和阈值条件
3.半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴 复合数相等而达到平衡 c 2 f ν Gν J 2 2 nLwd I 8 ν ed t复合 e 1 G a ln r r 1 2 内 2 2 2 L n c A21 n c G ν f ν f ν 2 2 2 2 f (ν) ν 8 ν 8 ν t复合
由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重 复率工作都没有困难。
由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调 谐器件。 2.准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦:①横向泵浦 ②纵向泵浦 ③同轴电子束泵浦 快速放电泵浦: 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路
准分子的能级结构
2 2 1 8 ed J阈 a内 ln r1r2 2L c2
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。
阈值电流密度: 影响阈值的因素很多
方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间 分布示意图。
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out ( Pout h ) ( I e)
h Eg eVa
out Pout ( IVa )
（7.35）
微分量子效率
D
( P out pth )/ h ( I I th )/ q
(7.36)
(7.37)
For ηi = 100%, L = 300 μm, R1 = R2 = 32%, and αi = 20cm−1, we have ηd = 66%.
7.5 异质结在半导体激光器中的应用
前苏联科学院约飞物理研究所的Alferov等宣布研制成功双异质 结半导体激光器 （HD-LD）。该结构是将p-GaAs半导体有源区夹在宽禁带的nAlGaAs层和p-AlGaAs层之间，使得室温下的阈值电流降低到 4×103A/cm2。双异质结构半导体激光器阈值电流密度之所以能 够明显降低，主要是依靠双异质结的两个作用： （1） 有源区两边包层材料的带隙宽于有源区材料的带隙，这使得注 入双异质结半导体激光器的载流子被有效地限制在有源区内， 以利于产生高的增益； （2） 有源区材料的折射率大于两边包层材料的折射率， 形成的光波导结构能将大部分光限制在有源区内。 双异质结构激光器的问世标志着半导体激光器的发展进入了新 时期。
A quantum well laser is an improved LED. Electrons and holes are kept together inside the semiconductor at the center, which has a smaller gap. That makes it easier for electrons to find holes. It also creates quantized energy levels with a highly-concentrated density of states.
提高外量子效率的途径
1.
2.
3.
4. 5.
提高内量子效率； 尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外的吸 收损耗； 增大限制因子； 减少端面的反射率； 减小腔长。
7.7 量子阱激光器
Conduction band quantum well AlG aAs AlG aAs
GaA s
Valence band quantum well
2 d 2
d
2 Ey ( x, y, z )dx
E ( x, y, z )dx
2 y
（7.29）
对于对称波导来说，上式可 简化为：
d 2 0
d
2
0
2 Ey ( x, y, z )dx
2 2 Ey ( x, y, z )dx d E y ( x, y, z )dx 2
量子阱激光器的光增益-
red的影响
量子阱激光器的基本特征(1)
-发射波长与阱宽
基本特征(2)低阈值
阱宽
腔长根据阱宽的优化
基本特征(3)窄发射光谱
基本特征(4)高特征温度
热效应问题一直是人们关注 的焦点问题 。改善半导体激光器温度特 性是半导体激光器高温、高 功率工作的关键因素之一。 热效应对半导体激光器性能 的这种严重影响, 使人们在研究和改进激光器 件的过程中特别注 意采取各种办法降低热量的 产生或减弱器件对热的敏感 性。所以设计一种具有高特 征温度的激光器是改善半导 体激光器温度特性的重要环 节。
Comparison of the downward scattering of electrons,(in energy increments LO of in a quantum-well heterostructure and in a bulk semiconductor. Carriers injected in a bulk sample (parabolic density of states) at higher energy scatter downward in energy to a lesser density of states, which becomes constraining. Within each subband of a quasi two-dimensional structure, however, the step-like density of states is constant and downward electron scattering is not constrained, making possible phononassisted recombination (e.g., 1-LO) and laser operation
n( x) 3.590 0.710x 0.091x2
7.5.4 布拉格反射作用
29-pairAlN/GaNDBR
多层介质膜的反射率
• 有两种介质，如果其折射率分别为 n1 和 n2 ，并且 n1<n2，将其交替沉积在折射率为ns的衬底上，每一 种 介 质 层 的 厚 度 为 /4 ， 即 分 别 为 d1=0/4n1 和 d2=0/4n2。如果这两种介质的层总数为偶数2m时， 则其垂直方向上的反射率为：
h E1c E1v Eg
7.7.3 量子阱增益频谱的特点
gmax=ag(N-Nth) (7.38)
微分增益
要降低阈值电流J th ,最关键的是降低J0 ,也就是介质达到“透明”( g =α) 所需的 注入电流. 图2 中虚线分别是体材料[ (a) 图]和量子阱[ (b) 图]的态密度,体材料的 态密度与E成正比,而量子阱的态密度是常数,呈台阶状. n1 , n2 , n3 是逐渐增加 的注入载流子密度. 随着注入密度的增加,介质的增益也逐渐增加,但量子阱由于它的陡直的态密度, 增加得比体材料快. 因此较小的注入密度就能达到透明所需的增益gth.
nx
( 2 2
1
x 2 mn 3/ 2
h2
)
0
[ E ' ( Ec E )]1/ 2 dE ' 1 exp[( E ' Fc ) / kT ]
(7.25)
x E Eg Eg
n( E ) n nL nx
n n nL nx
(7.26)
Ec 0.318eV
J=Jnomd/i （7.31）
gmax ( J nom J 0 )m (7.32)
1 1 J th [i ln ] 2 L R1R2 1 (7.33)
内量子效率
激光器中注入的电子空穴对在体内复合发出 的光子数的效率：
单位时间内发出的光子 数 i 单位时间内有源区内注 入的电子 空穴对数
ns (n2 n1 ) 1 2 R { } 2m ns (n2 n1 ) 1
2m
• 可以看出: n2/n1的比值越大则越有利于获得高的R。 同样，介质层数目越多，即2m越大时R也会越大。
7.6 增益和电流的关系，量子效率和增益因子
注入的载流子进入有源层后，因异质结限制作用， 将主要在有源区中，我们引进“名义电流”的 概念： i为内量子效率。
（7.30）
• 光限制因子 与有源层厚度d和光场横向分布有关，后者又与有源层 与限制层的折射率差、光场模的阶次m有关。
• 一般来说，d越大，折射率差n越大，模的阶次 m 越低 光限制 因子 越大。
• 当有源层厚度d很大时， 趋近于1，这表明光场几乎全部约束在有源 层内。
• 对于模式阶数来说，当d一定时，显然 m 越大 便越小。双异质结 的通常 d 小于 0.2m ，为了获得很大的 值，光场就必须以基模（ m=0）的方式工作。
E , E
对电子的限制
电子分布
c ( E Ec ) f c
1 c ( E Ec ) ( 2 )(
2
(7.22)
3/ 2 1/ 2
2 mn h
2
) ( E Ec )
fc
n nL
1 {exp[( E Fc ) / kT ] 1}
( 2 2
1 1 2
1 异质结对电子和空穴的限制
由N区注入到p型有源层的电子将受到pP同型异质结势垒的 限制。阻挡它们向P型限制层内扩散。
同样，pN 异型异质结的空穴势垒限制p型有源层的多数载 流子向N限制区运动。 Ec 0.85 Eg 势垒： c v Ev 0.15 Eg GaAlAs/GaAs 异质结： pP同型异质结势垒高度有Ec 决定。
7.5.1 超注入
1. 实现激光 2. 粒子数反转--3. 实现这种反 转— 载流子注入
需要多高的注入
粒子数反转的要求可以通过重掺实现，但是
利用异质结实现超注入
7.5.2 载流子限制
对于同质结：
* 采用异质结可以限制载流子。 * 限制能力与势垒高度，结温等有关。 * 载流子能量分布
*越过势垒泄漏。
（7.34）
有源层内，由于有杂质、缺陷、界面态和俄 歇复合的存在，都会使部分注入的载流子 不能复合产生光，使得i<1。然而i通常 可达70%左右，因而它有效地将注入载流 子转换为光子。
外量子效率
它度量激光器真正向体外辐射的效率：
out
单位时间内向体外辐射 的光子数 单位时间内有源区中注 入的电子 空穴对数
q (VD Va ) Ec
/ 2 ( Ev E )1 dE 1exp[( Fv E ) / kT ]
(7.28)
p 7.11014 cm3
这些空穴可以漏进N型无源区。
7.5.3 异质结的光限制作用
θc = arc sin(n1/n2) θc = arc sin(n3/n2) 有：n2>n1; n2>n3 光波导---又称光子限定