半导体光电子学 §4.3 同质结及异质结激光器11
第4章 半导体激光器
2.同质结半导体激光器
PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、 N区具有相同的带隙、接近相同的折射率 （掺杂后折射率稍有变化，但很小），这 种PN结称为同质结。
P-GaAs N-GaAs
同质结
典型代表：GaAs激光器 基本结构
金属接触
电流
d
＋
P －GaAa
N －GaAa
有源层
＋
W 解理面
L
不同半导体材料的带隙及发光波长
4.2.2 态密度和电子的激发
• 电子占据能级的概率遵循费密－狄拉克统计规 律：在热平衡状态下，电子占据能量为E的能级 的概率为
e ( E )
1
1 e
( E E F ) / kT
费密能级
费密分布函数
• EF是表征电子在各个能级分布情况的参数，并不表示电 子可以实际占据的能级 • EF表示电子填充概率为50％的一个能级 • 费密能级之上,距离越远,被电子占据的几率越小,被空 穴占据的几率越大; • 费密能级之下,情况相反
• 跃迁发生在波失相差较大的两态之间,有声子参
加过程
k pn声子波失
k k k pn
/
k pn比k小 个量级左右 1
• 间接跃迁
目前广泛应用的半导体材料主要有
（1）硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料，属于间接 带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集
成电路和光电检测器的制作。
3.分布反馈式(DFB) 半导体激光器
利用特殊微电子工艺， 将激活层沿光传播方 向做成周期性的波纹 光栅结构，其腔内的 光反馈利用波纹光栅 的布拉格衍射而建立，
不再用解理面做光反
馈，称为分布反馈
2、工作原理
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%。
半导体光电子学第二章第四章
前言：半导体同质结
2.1异质结及其能带图
2.2异质结在半导体光电子学器件中的作用
2.3异质结中的晶格匹配
2.4 对注入激光器异质结材料的要求
2.5 异质结对载流子的限制
小结
前言：半导体同质结
p-n结：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在
一起，在二者的交界面处就形成了所谓的p-n结。 同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料构成 的结。
p n
突变结：在交界面处，杂质浓度由NA（p型）突变为
ND（n型），具有这种杂质分布的p-n 结称为突变结。
缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
。
空间电荷区－耗尽层
空间电荷 空间电荷区 内建电能带图
异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料，通
异质结的电流-电压特性
A1 exp[ (Ec eVDp ) kBT eVDN ] A2 exp[ ] kBT
J A2 exp[e(VDN V2 ) / k B T ] A1 exp[
(Ec (eVDp V1 )) k BT
]
J A2 exp(eVDN / kBT )[exp(eV2 / kBT ) exp(eV1 / kBT )]
4、在光电二极管探测器中，是如何利用异质结的窗口效应来提高其光 谱响应范围的？
5、异性异质结的性质是由 而同性异质结的性质则是由 决定的， 决定的。
第三节 异质结中的晶格匹配
形成理想的异质结，要求两种半导体材料在晶体 结构上应尽量相近或相同，晶格常数应尽量相同，以 前的异质结都是由晶体结构相同的半导体材料构成的 （如GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP都是具有闪锌矿结 构），近年来由于光电子集成（OEIC-Optoelectronic Integrated Circuit）技术的迫切需要，并考虑到硅是一 种常用来制造微电子学器件且制造与加工工艺均成熟 的材料，因此在价格便宜的硅基体上MBE和MOCVD 技术生长GaAs而构成异质结的技术正不断发展。
《半导体光电学》课后习题
《半导体光电学》课后习题第一章半导体中光子-电子的相互作用思考与习题1、在半导体中有哪几种与光有关的跃迁，利用这些光跃迁可制造出哪些类型的半导体光电子学期间。
2、为什么半导体锗、硅不能用作为半导体激光器的有源介质，面却是常用的光探测器材料？3、用量子力学理论证明直接带隙跃迁与间接带隙跃迁半导体相比其跃迁几率大。
4、什么叫跃迁的K选择定则？它对电子在能带间的跃迁速率产生什么影响？5、影响光跃迁速率的因素有哪些？6、推导伯纳德-杜拉福格条件，并说明其物理意义。
7、比较求电子态密度与光子态密度的方法与步骤的异同点。
8、在半导体中重掺杂对能带结构、电子态密度、带隙、跃迁几率等带来什么影响？9、什么叫俄歇复合？俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么在GaInAsP/InP等长波长激光器中，俄歇复合是影响其阀值电流密度、温度稳定性与可靠性的重要原因？10、比较严格k选择定则与其受到松弛情况下增益-电流特性的区别。
11、带尾的存在对半导体有源介质增益特性产生哪些影响？12、证明式（1.7-20）。
13、说明图1.7-5和图1.7-6所依据的假设有何不同？并说明它们各自的局限性。
第二章异质结思考与习题1、什么是半导体异质结？异质结在半导体光电子器件中有哪些作用？2、若异质结由n型（E∅1，χ1，ϕ1）和P型半导体（E∅2，χ2，ϕ2）结构，并有E∅1<E∅2，χ1>χ2，ϕ1<ϕ2，试画出np 能带图。
3、同型异质结的空间电荷区是怎么形成的？它与异质结的空间电荷形成机理有何区别？4、推导出pn 异质结结电容C j 与所加正向偏压的关系，C j 的大小时半导体光电子器件的应用产生什么影响？5、用弗伽定律计算Ga 1−x Al x As 半导体当x=0.4时的晶格常数，并求出GaAs 的晶格失配率。
6、探讨在Si 衬底上生GaAs 异质结的可能性。
7、用Ga 1−x Al x As 半导体作为激射波长为0.78μm 可且光激光器的有源材料，计算其中AlAs 的含量。
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pn结,异质结和异质结构PPT课件
如：五价的杂质原子（P,As）掺入四价Si后必 有一个电子成为自由电子运动在导带中，形成电子导电 类型的n型半导体。由于有较高能量的自由电子的进入导 致原来在带隙中的费米能级逐渐向上移。如果在半导体 中加入 三价的杂质原子（B），与硅的结合将有一个键 悬空，形成空穴，此空穴可以在价带中自由移动，形成 了空穴导电类型的p型半导体，由于有空穴的进入导致原 来在带隙中的费米能级逐渐向下移。
本征半导体载流子浓度ni, p i
本征半导体:
ni = pi = n =p = Eg/2KT) = A T^3/2
4.9 E15 (me mh/mo）^3/4
e^(-Eg/2KT)
T^3/2 exp(-
是温度T,禁带宽度Eg的函数,温度越高, ni越大, Eg越宽, ni越小 T为3OOK时, Si: ni = p i=1.4 E10/cm*-3
几个重要参数和概念
• 接触电位差:
由于空间电荷区存在电场,方向由N 到P,因此N区电位比P区高,用V表示,称作接 触电位差,它与半导体的类型(禁带宽度), 杂质掺杂浓度,环境温度等密切相关,一般 为0.几V到
1.几V
• 势垒高度:
在空间电荷区内电子势能为-qV, 因此电子从N区到P区必须越过这个势能高 度,该高度称作势垒高度
PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷 构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压 改变,反向时电容减小正向时电容增大.
半导体同质p-n结,异质结的形成
采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型 半导体制作在同一块半导体上,在它们的交界面就形 成空间电荷区称PN结。
半导体物理异质结解析PPT课件
界面量子阱中二维电子气的势阱和状态密度
第14页/共30页
电子的能量：
二维电子气的状态密度
k空间原胞的面积：
k空间k-k+dk圆环的面积： E-k关系： 状态密度：
第15页/共30页
低维半导体材料及其状态密度
Bulk
QW
QD
3D
2D
0D
DD((EE))
DD((EE))
D(E)
E
• qVD = qVD1 + qVD2 = EF2 - EF1 = W1 - W2
半导体物理学
第7章 金第属4页和/半共导30体页的接触
SCNU 光电学院
4
突变反型异质结的能带特征
• n型半导体的能带弯曲量为qV2，且导带底在交界面处形成一个向
上的“尖峰”。
• p型半导体的能带弯曲量为qV1，且导带底在交界面处形成一个向
第2页/共30页
pn结的能带图
qVD E Fn EFp
第3页/共30页
突变反型异质结的能带图
• 形成异质结时电子从n型半导体流向p型半导体，空穴的流动方向相反。
• 达到平衡时，两块半导体具有统一的费米能级。
• 在异质结界面的两边形成空间电荷区，产生内建电场和附加电势能，使 空间电荷区中的能带发生弯曲。
EE
EE
Modification of density of states by confining carriers
第16页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
第17页/共30页
双异质结间的单量子阱结构
势阱形状： 波函数分离变量： 波函数分离变量： 薛定谔方程：
第18页/共30页
演示文档半导体异质结.ppt
.精品课件.
24
多量子阱和超晶格中电子的波函数
由于两种构成材料的禁带宽度不同，当窄禁带材料的厚度 小于电子的德布罗意波长时，这种材料即成为载流子的势阱
.精品课件.
25
量子阱效应
一、量子约束效应:量子阱中电子的能级间距与阱宽的平方成反比,对于由 夹在宽禁带材料之间的窄禁带材料薄层构成的量子阱，当薄层狭窄到 足以使电子状态量子化
特点：在界面处就会出现能带的弯曲，发生导带及价带的不连续
.精品课件.
6
异质结耗尽层宽度的计算
• 假设条件：在热平衡下，界面两端的费米能级相同 禁带宽度Eg和电子亲和能皆非杂质浓度的函（非简并）
• 导带边缘的不连续和价带边缘的不连续不会受杂质浓度影响 • 能带的弯曲量VD（扩散电势）为两种半导体功函数之差
VD VD1 VD2 W1 W2
VD2 NA p VD1 NDn
NA是p型半导体的受主浓度，ND是n型半导体的施主浓度。 n与p分别是n型和p型半导体的相对介电常数。
(x0 x1)
212 ND2VD qNA1(1NA1 2 ND2 )
(x2 x0 )
212 NA1VD qND1(1NA1 2 ND2 )
式中λ为所使用的X
射线波长；L为反射级数；
θ表示衍射角
L=0对应于 布拉格
（Bragg）反射峰，若在较
低角度的第一条伴线取为
L= -1，则在较高角度的第
一条伴线即取L= +1。
上图超晶格的调制
波 长 为 13nm ， 而 下 图 超 晶
格 的 调 制 波 长 为 11nm 。 随
着调制波长的增加，伴线变
11
负反向势垒异质结的伏安特性
异质结_精品文档
异质结引言异质结，指的是由两种或更多不同材料组成的半导体结构。
它在半导体器件中起着至关重要的作用，如二极管、太阳能电池等。
异质结具有许多独特的性质和应用，本文将对其结构、工作原理以及应用进行详细讨论。
一、异质结的结构异质结一般由两种半导体材料组成，其中一种材料被称为n型半导体，另一种被称为p型半导体。
n型半导体中含有多余的电子，因此带负电荷；p型半导体中则含有缺电子造成的空位，带正电荷。
当n型和p型半导体通过一定方式连接时，就形成了异质结。
在异质结中，n型半导体与p型半导体的接触形成了P-N结。
P-N 结处的电子会由n型半导体流向p型半导体，同时，空穴则会由p 型半导体流向n型半导体。
这种电子和空穴的力量平衡使得异质结具有许多独特性质。
二、异质结的工作原理异质结的工作原理涉及到P-N结处的电子和空穴运动，在这个过程中，它具有一些非常重要的特性。
首先，异质结具有整流特性。
当外加电压作用在异质结上时，如果该电压为正值，电子将向正电压的一侧移动，而空穴将向负电压的一侧移动。
这样，电子和空穴在异质结中被分离，使得电流只能在一侧通过，形成了电流的单向流动，这也使得异质结可以作为二极管使用。
其次，异质结具有发光特性。
当在异质结中注入电流时，电子和空穴会发生复合，释放出能量并产生光子。
这就是我们常见的发光二极管（LED）所利用的原理。
通过控制不同材料的选择和注入不同的电流，可以实现不同颜色的发光。
另外，异质结还具有太阳能电池特性。
当光照射到异质结上时，光子会激发电子和空穴的产生，从而产生电流。
这种光电效应使得异质结在太阳能电池中得到了广泛应用，可以将太阳能直接转化为电能。
三、异质结的应用异质结由于其独特的特性，在半导体器件中有着广泛的应用。
首先，异质结被广泛应用于二极管。
通过合适的材料选择和结构设计，异质结可以实现高效的整流功能。
它广泛应用于电源、通信、光电子器件等领域。
其次，异质结在光电器件中有着重要的地位。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 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。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
(完整版)同质结和异质结半导体激光器
3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能
级E被电子占据的几率为
1 fn (E) EEF
e kT 1
半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
Gν
n c2 A21
8 2ν2
f ν
n c2
8 2ν2t复合
f ν
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
nLwd I
t复合
e
Gν
n c2 A21 8 2ν2
f
ν
n c2 8 2ν2t复合
2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频
率满足
EF EF hν Eg
PN结和粒子数反转
1. P-N结的双简并能带结构 ➢把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ ➢未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。
PN能带
GaAs激光器的伏安特性
激光束的空间分布示意图
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 ➢光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光 光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱 宽达几十埃。
GaAs激光器的发射光谱
➢双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5－32)(c)所示。
第四章 半导体异质结
第4章半导体异质结4.1 半导体异质结界面4.2 半导体异质结的能带突变4.3 半导体异质结的能带图4.1 半导体异质结界面半导体异质结概念同质结（p-n结）：在同一块单晶材料上，由于掺杂的不同形成的两种导电类型不同的区域，区域的交接面就构成了同质结。
若形成异质结的两种材料都是半导体，则为半导体异质结。
若一方为半导体一方为金属，则为金属－半导体接触，这包括Schottky结和欧姆接触。
1957年，德国物理学家赫伯特.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。
1960年，Anderson制造了世界上第一个Ge－GaAs异质结。
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GaAs-AlxGa1-xAs双异质结激光器。
在70年代里，金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延(MBE)等先进的材料成长方法相继出现，使异质结的生长日趋完善。
半导体异质结分类1.根据半导体异质结的界面情况，可分为三种：（1）晶格匹配的异质结。
300K时，如：Ge/GaAs(0.5658nm/0.5654nm)GaAs/AlGaAs（0.5654nm/0.5657nm）、InAs/GaSb（0.6058nm/0.6095nm）（2）晶格不匹配的异质结（3）合金界面异质结2.根据过渡空间电荷分布情况及过渡区宽度的不同：（1）突变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（≤1μm）范围内。
（2）缓变异质结：在不考虑界面态的情况下，从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡发生于几个扩散长度范围内。
3.根据构成异质结的两种半导体单晶材料的导电类型：（1）反型异质结：由导电类型相反的两种半导体单晶材料所形成的异质结。
《半导体光电子学课件》下集4.3同质结及异质结激光器
同质结及异质结激光器的应用领域
同质结激光器主要应用于小型化、低 成本的激光器领域，如CD-ROM、 DVD、打印机等。
异质结激光器主要应用于高功率、高 稳定性的激光器领域，如光纤通信、 卫星通信、医疗仪器等。
同质结及异质结激光器的发展趋势
同质结激光器的发展趋势
研究新型同质结材料，提高激光器的输出功率和稳定性，拓展应用领域。
03
同质结及异质结激光器的比较
工作原理的比较
同质结激光器
同质结激光器利用同一种半导体材料形成P-N结，通过注入载流子实现粒子数 反转，进而产生激光。
异质结激光器
异质结激光器采用不同的半导体材料形成P-N结，利用不同材料的能带结构和 载流子特性，实现更好的粒子数反转和光增益。
器件结构的比较
同质结激光器
异质结激光器的结构
衬底通常采用机械强度高、 热导率好的材料，如硅或石
英。
异质结激光器的结构通常包 括衬底、限制层、有源层和
盖层。
01
02
03
限制层采用折射率较高的材 料，以实现光限制作用。
有源层是实现光增益的区域， 通常采用直接带隙半导体材
料。
04
05
盖层采用折射率较低的材料， 以实现光输出。
异质结激光器的特性
同质结激光器的结构
单层结构
同质结激光器通常由单一半导体材料 构成，包括活性层和限制层。
双异质结构
为了提高激光器的性能，有时会采用 双异质结构，即在活性层两侧加入不 同折射率的限制层。
同质结激光器的特性
01
02
03
阈值较低
由于同质结激光器的能带 结构相对简单，其阈值电 流密度通常较低。
波长可调谐性
异质结激光器的结是用不同的半导体材料制成的
c
v
E f E f hf Eg
正向偏压
E f E f eV
V Ef Ef e
c v
c
v
Eg e
Optical fiber communications 1-11 2018/12/3
Forward Biased PN Junction (LED)
Copyright Wang Yan
f
价带的 E f 相似。 p区不受非平衡载流子的影响。 结区与P区相同，在n区随非平衡载流子的减少而减少。
v
Optical fiber communications 1-10 2018/12/3
Copyright Wang Yan
E f Ec E f Ev 出现了双简并or形成粒 在结区及其两侧 子数反转分布，变成激活区叫做作用区or有源区。 当光子通过时可放大 增益条件 c v
2018/12/3
Copyright Wang Yan
同型与反型对比 1.反型：两方的载流子分别向对方扩散，在两种材料中都形 成阻挡层。 2.同型：只有一种材料的载流子向对方扩散ical fiber communications 1-8
经过几个扩散长度之后，非平衡载流子全部复合完毕，这一区域叫 做扩散区。 同理在n区得边界处也有向n内部扩散得空穴流。 非平衡状态下P－N结的能带。
2018/12/3
Copyright Wang Yan
1.正向偏压V使n区的能带及Fermi都相对于P区降低eV。 v 2.非平衡态载流子的存在使Fermi能级分离成 E f E G 导带和价 带的准Fermi能级。准Fermi能级偏离Fermi能级的情况由非平衡载 流子的浓度来决定。
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n
n
p
g
同质结LD在垂直于pn结方向上的折射率分布， 增益分布，光强分布
二.同质结激光器 Jth 与温度T的关系 Jth 高且随T发生剧烈变化
1. T↑ ↑e p区电子扩散区lh↑
中和↑ 反转↓ 维持 ↑Jth 2. T↑ 光波导效应↓ 光场限制↓
J ↑th
3. T↑ 激射长波长↑（λ红移）↑ 光子在p区吸收增加 光子损耗↑ J ↑th q
⑤阈值电流密度下 降
N
p
P
n
I
§4.3.3 双异质结LD
❖ 单异质结中的一个np同
质结用一个异质结代替
+
❖ 优点：
①高效率向有源区注入 载流子
②有源区两边异质结分 别对e和h进行限制
-
p GaAlAs
p GaAs N GaAlAs
n GaAs
③还能利用异质结 产生光波导效应， 而且对称性好
④有源层无需重掺 杂就可以使非平 衡电子浓度比注 入源区（N）高 （超注入）
§4.3 同质结及异质结激光器
§4.3.1 同质结
一.同质结LD的有源区构成
有源区构成：
P
高浓度受主
杂质扩散
进n型GaAs
P
半导体中
扩散 n
- - ++ - - ++ n - - ++
有源区：
①空间电荷区 → 外加电场可忽略 ②p型材料中e的扩散区 → 外加电场时同质结 的有源区
③ n型材料中h的扩散区 → 外加电场时可忽 略
p
n
T1
T2
0
§4.3.2 单异质结LD
一.构成
+ p GaAlAs
p GaAs
n GaAs
-
二.优点： ①当P-GaAs层厚度小于一个电子扩散长度， 层内非平衡少数载流子增长
②异质结折射率差形成光波导效应，减少光 子损耗
③工艺简单，只多一次外延
三.缺点 ①pn同质结电子注入效率低 ② pn同质结对有源层的空穴扩散没限制 ③对光子微弱光波导效应