半导体激光器LD
半导体激光器LD
B 输出的波长为：
2 B
2ne Le
(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领 域也将发挥重要的作用。
二、半导体激光器的工作原理
1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导
带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。这就必须要有足够强 的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的 增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。
三、半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件 光波导
LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
2.自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴
复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的 方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐 射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为 - E1 = hv hv
E2 E1 (a) 受激跃迁
天津大学电子信息工程学院 School of Electronic Information Engineering
半导体激光器
朱守奎 ，马小品 2014年11月7日
一、简单介绍
1. 激光：英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation (受激辐射放大光)的缩写。
半导体激光器LD
半导体激光器LD半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器是以一定的半导体材料做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.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N 型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。
用半导体材料作为工作物质的激光器.它是利用受激辐射原理，使光在激发的工作物质中放大或发射（振荡）的器件.根据激发方法不同，半导体激光器可分为Ｐ－Ｎ结注入式、电子束激发式和光激发式三种。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器主要性能参数定义
半导体激光器1．P-I 特性及阈值电流P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。
•当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。
•随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。
• 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。
2．激光器线宽半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。
该参数与激光本身的波长由关系。
例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位：GHz v 5.261065.21.010641010310298=⨯=⨯⨯⨯=∆3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。
边模抑制比示意图4.振荡腔HR AR谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。
凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
半导体激光器LD
应用场合：短距离传输
同质pn结
同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的参杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 存在的问题： 1. 增益区太厚(1~10 m)，很难把载流子约束在相对小的区域， 无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束
多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的 乘积总等于一个常数：
pn n 2 i
pn结
n型 电势
U
n型
耗尽层
p型
p型
n 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子浓度 分布 电子态数量
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量
辐射性复合速率 辐射性复合速率 hint 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
辐射性复合时间 辐射性复合时间 非辐射性复合时间
1 1
1
r1 1 1 r nr
那么LED的内部发光功率为：
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 内量子效率 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
常见半导体激光器
常见半导体激光器
半导体激光器是一种利用半导体材料制造的光电子器件。
它在许多应用领域都有广泛的应用，如制造光通信设备、光存储设备、光学传感器和医疗设备等。
常见的半导体激光器有以下几种：
1. 激光二极管（LD）：是一种小型、高效的激光器。
它的工作原理是在有源区域中注入电流，通过特殊的发光机构来实现激光放大和反馈，可以用于制造光纤通信设备和光存储设备等。
2. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：是一种特殊的激光器，可以
实现垂直方向的激光输出，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
3. 泵浦激光器：它是一种用于将固体激光器和光纤激光器等其
它类型激光器泵浦的激光器。
常用于制造高功率激光器，如工业制造和医疗设备中的激光切割设备。
4. 外腔半导体激光器（ECL）：它是一种通过将外腔加入到半导
体激光器中来控制输出光谱和波长的激光器，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
5. 量子级联激光器（QCL）：它是一种新型的半导体激光器，具
有高效率、高功率和低阈值等优点，被广泛应用于红外光谱学和空间探测等领域。
以上是几种常见的半导体激光器，它们在不同的领域都有其独特的应用价值。
随着科技的不断发展，半导体激光器的应用前景将越来越广阔。
半导体激光器和发光二极管介绍概述
§3-2 激光器的一般工作原理 激光器是指激光的自激振荡器。
要使光产生振荡，必须是使光得到放大，而产生 光放大的前题，是物质中的受激辐射必须大于受激吸 收，因此，受激辐射是产生激光的关键。
面波，而且在腔内往返运动时，是垂直于反射镜
而投射，如图：
由A发出的平面波→M2垂直返回→M1返回 →A时，波得到加强，如果它们之间的相位差正
好是2π的整数倍时，显然就达到了谐振。
设谐振腔的长度L，谐振腔介质中光的波长
λg，则满足相位差2π的整数倍时，有
L g • q.
2
q1、 2、 3、 .........
被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。 故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了
三种不同的基本过程如图所示（下面简述E1、E2二能级系统为 例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃 迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一 个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：
红光点状光斑激光器
工作参数
输出波长：
635nm 650nm 670nm 出光功率：
半导体激光器LD工作影响因素
LD供电电路是一个恒流源(见图2)。ETC公司恒流源驱动芯片HY6340为核心元件。供电电压VEE的稳定对输出恒流信号的稳定起着重要作用，因此采用多重滤波技术，将VEE的纹波控制在lmV以下，保证HY6340芯片输出端12、13、14引脚信号的稳定。调节5引脚和6引脚到VEE之间的电压可以分别设定过流保护阀值和过温保护值。在恒定电流工作方式下，通过调节21引脚的输出电平来控制输出电流的大小在0~1.5A之间连续可调。
造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器PN结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流;②电网中其它用电装备起停机;③雷电;④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。
传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式[2,3]，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高[4,5]。
系统设计
系统框图见图1。主要由以下几部分构成。
供电电源：实现系统供电电压(交流220V)与系统工作电压之间的转换。并采用滤波技术，使得半导体激光器工作的电压纹波很小，保证半导体激光器的正常工作。
智能控制：主要由CPU来完成。LD电源工作在恒流模式下，设定电流后，CPU根据传感器采样的电流信号值，经过一定的算法后将输出电压经过运放电路送到激光器驱动芯片的反馈引脚，进行自动调节以达到设定的电流输出，实现激光器的智能化。更多相关信息介绍可登陆：/
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计
与实验
概述
半导体激光器（LD）是一种重要的光电器件，广泛应用于通信、医疗和雷达等领域。
恒流源调制电路在LD的驱动中起到关键
作用。
本文将探讨半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验。
设计原理
半导体激光器的工作需要稳定的电流源来实现恒定的激发电流。
恒流源调制电路通过控制输入信号和反馈电路的结构来实现恒流输出。
常见的调制电路设计方法包括共射极电路、共基极电路和共集
极电路。
实验步骤
1. 确定实验所需元器件，包括半导体激光器、恒流源电路、反
馈电路、电源等。
2. 根据实验需求选择合适的调制电路设计方法，如共射极电路。
3. 根据调制电路设计方法，搭建实验电路。
4. 进行实验前的参数调整和校准，确保实验的准确性和稳定性。
5. 施加输入信号并观察输出结果，记录实验数据。
6. 对实验数据进行分析和处理，评估恒流源调制电路的性能。
7. 针对实验结果进行必要的改进和优化，提高恒流源调制电路
的稳定性和效果。
结论
本文探讨了半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验步骤。
恒流源调制电路的设计对于半导体激光器的驱动具有重要意义，能够实现稳定恒流输出。
根据实验结果，可以进行进一步的改进和
优化，提高调制电路的性能和稳定性。
参考文献：
注：以上内容仅供参考，请根据实际需求进行修改和完善。
半导体激光器LD开关电源驱动电路的设计和实验
半导体激光器LD 开关电源驱动电路的设计和实验开关电源相比线性电源它的转换效率高、电能利用率高，但纹波系数较大，本节将讨论半导体激光器在开关电源驱动下特性分析，并设计出一款稳定的半导体激光器的开关电源驱动电路。
首先应从半导体激光器工作特性出发，分析出开关电源驱动半导体激光器所应具备的条件，而结温、结电压、结电流是直接决定半导体激光器的工作特性的参量，因此分析开关电源驱动半导体激光器的特性、实际就是分析在开关电源驱动下半导体激光器结温、结电压、结电流这三者之间的关系。
1 恒流模式下的结温与工作特性研究根据半导体物理学理论，PN 结在小注入条件下的正向电流与电压近似满足下式：0exp qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭很明显，正向电流和PN 结的节电压不是线性关系。
当载流子大注入时即半导体激光器满足载流子反转，开始向外输出激光时的工作条件，PN 结的电流-电压特性将会发生变化，不在遵从电流和PN 结结电压之间的关系式。
因为P 区为阻止空穴的扩散维持电中性，必然建立一个电场，成为自建电场，这样势必使加载在PN 上的结电压有一部分电压加在P 区。
此时PN 结的电流和结电压的关系公式需加以修正：0exp 2qU I I kT ⎛⎫= ⎪⎝⎭()320exp 2g E I f T T kT -⎛⎫= ⎪⎝⎭I ：正向电流；0I ：反向饱和电流；U ：pn 结正向电压；T ：绝对温度；k ：波尔兹曼常数； q ：为基本电荷电量；其中g E 为温度为0K 时的禁带宽度。
又由()K f T T =，函数()T f 含有32T -，这样K 是一个与温度无关的量，当半导体结在恒流状态时，PN 结的结电压和温度的关系如下式：()2g E kT U InK InI q q=--()2dU k InK InI dT q=-- 由上式可得，在恒流模式下结电压与温度是成线性变化的，随着温度的升高结电压是减小。
当工作在恒流模式下时，dU dT 是恒定的，说明半导体工作在横流模式下的输出状态影响因素少，整个工作状态易于控制。
ld激光二极管的物理结构
ld激光二极管的物理结构
激光二极管（Laser Diode，LD）是一种能够将电能直接转换为光能的半导体器件。
它的物理结构主要包括以下几个部分：
1. 有源区：这是激光二极管的核心部分，由半导体材料制成，通常是砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）等。
有源区的材料具有特殊的能带结构，能够在施加电流时产生受激发射。
2. 限制层：限制层位于有源区两侧，用于限制载流子的扩散和限制激光的模式。
限制层的材料通常与有源区不同，以形成PN 结。
3. 反射层：反射层位于激光二极管的两端，用于反射激光，提高激光的方向性和效率。
反射层通常由金属或介质薄膜制成。
4. 接触层：接触层用于将电流引入激光二极管，通常由金属或合金制成，与半导体材料形成良好的电接触。
5. 封装：激光二极管通常被封装在一个外壳内，以保护其物理结构并提供机械支撑。
封装材料可以是塑料、金属或陶瓷等。
这些部分共同构成了激光二极管的物理结构。
当电流通过激光二极管时，电子和空穴在有源区复合，释放出能量，产生受激发射。
受激发射的光子在反射层之间来回反射，形成激光束。
激光二极管具有体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、激光打印、光存储等领域。
第5章半导体激光器(LD)静态特性
器件加工技术
通过光刻、刻蚀、蒸发等微纳加工技 术制备出具有特定结构的半导体激光 器器件。
封装技术
采用合适的封装材料和工艺，保证半 导体激光器的长期稳定性和可靠性。
02
静态特性参数及其测量方法
阈值电流与斜率效率
阈值电流
半导体激光器开始产生激光输出的最小电流。测量方法通常 包括观察输出光功率与注入电流的关系，确定阈值电流的位 置。
半导体激光器可用于激光雷达的发射光源，具有体积小、重量轻、效率
高等优点。激光雷达在军事侦察、目标跟踪、导弹制导等方面具有广泛
应用前景。
02
光电对抗
半导体激光器可用于光电对抗中的干扰和致盲，具有响应速度快、干扰
效果好等优点。随着光电对抗技术的不断发展，对半导体激光器的需求
也将不断增加。
03
保密通信
半导体激光器可用于实现高速、保密的光通信，具有抗干扰能力强、传
描述激光器输出波长随工作条件变化 而保持稳定的能力。测量方法是通过 光谱分析仪测量输出光的波长，并记 录不同工作条件下的波长变化。
调制深度与频率响应
调制深度
描述激光器在调制信号作用下输出功率变化的能力。测量方法是通过施加调制 信号并记录输出功率的变化量，从而计算出调制深度。
频率响应
描述激光器对不同频率调制信号的响应能力。测量方法是通过施加不同频率的 调制信号并记录输出功率的变化，从而绘制出频率响应曲线。
其他领域
半导体激光器还可应用于工业加工、环境监测、照明等领域。随着这些领域的不断发展，对半导体激光 器的需求也将不断增加。
THANKS
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优化热管理设计
通过改进散热结构、使用高热导率材料等措施，可以降低 激光器的热效应，提高功率稳定性。
ld和pd的工作原理
ld和pd的工作原理LD（激光二极管）的工作原理一、基本结构激光二极管由PN结、有源层、限制层等部分组成。
PN结是半导体中形成的特殊结构，在LD中起到产生载流子（电子和空穴）的作用。
有源层是能够产生受激辐射的区域，通常由特殊的半导体材料制成，例如砷化镓（GaAs）等。
限制层则是用来限制光和载流子在有源层内的区域，从而提高激光产生的效率。
二、工作机制1. 载流子注入•当给激光二极管施加正向电压时，P区的空穴和N区的电子会分别向PN结处注入。
在有源层中，电子和空穴会复合。
例如，在一个简单的GaAs激光二极管中，电子从导带跃迁到价带与空穴复合。
2. 受激辐射•在有源层中，处于高能级的电子与空穴复合时，会释放出能量。
当注入的载流子密度达到一定程度时，会产生受激辐射。
受激辐射的特点是发射出的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态。
这就像一群士兵整齐划一地行进，产生了相干性极好的光。
3. 光学谐振腔• LD内部有光学谐振腔，它由两个反射镜（通常是半导体晶体的自然解理面或者人工制作的反射层）构成。
在谐振腔内，光子在反射镜之间来回反射，不断地与有源层中的电子•空穴对相互作用，使得受激辐射得到放大。
当增益大于损耗时，就能够输出稳定的激光束。
三、应用案例1. 光纤通信•在光纤通信系统中，激光二极管作为光源。
由于激光具有高方向性、高相干性和高亮度等特点，能够在光纤中高效地传输信号。
例如，在长距离的海底光纤通信中，LD发出的激光可以在光纤中传输数千公里而衰减较小，从而实现全球范围内的高速数据传输。
2. 激光打印•激光打印机中的激光二极管是成像的关键部件。
它发射出的激光束按照待打印的图像或文字信息进行调制，然后扫描到硒鼓表面。
硒鼓上被激光照射的部分会带上电荷，从而吸附墨粉，最终将图像或文字转印到纸张上。
PD（光电二极管）的工作原理一、基本结构光电二极管也是一种PN结二极管，不过它的结构设计更侧重于对光的探测。
半导体激光器LD恒流源驱动电路的设计与实验
半导体激光器LD恒流源驱动电路的设计与实验半导体激光器LD恒流源驱动电路的设计与实验这款半导体激光器的恒流源驱动电路，是根据实际的项目需求进行设计的。
项目要求是半导体激光器得根据探测距离，能改变输出光功率，这就要求半导体激光器的驱动电路输出的电流是可调的，这样现阶段几种半导体激光器驱动电路中只有恒流源驱动电路可以做到这一点，实现这种功能是通过改变恒流源电路的基准电压而实现的。
进行恒流源驱动电路的设计的方法是在先仿真的基础上进行的，项目所需要的恒流源驱动电路的设计参数是恒流源输出电流是0-1A可调。
1 恒流源软件仿真为精确仿真出结果，为以后的设计提供理论依据，选用的电路仿真软件是NI公司的Multisim10软件，该款软件经历几代的发展，功能不断的完善，其数据库包含常用的所有元器件，能进行模拟电路的仿真、数字电路的仿真，其仿真结果的准确性高，能为设计提供设计依据。
恒流源仿真结果恒流源仿真电路选取了单电源供电的集成运放LM2900N、功率管IRF540、供电的电源电压是9V，为测量电路输出的电流，将万用表调整到电流档串联到电路中进行测量，以上图可见、设计的电路是很简单的。
集成运放U2B的作用是将采样电阻所测得电压反馈回输入端，通过集成运放U2A与输入端的基准电压进行比较。
恒流源仿真电路是一款很经典恒流源电路，具有的优点是电路稳定性很高、这款恒流源电路在基准电压不变的情况下，可以很容易的进行恒流源输出电流大小的调整，因为只需要调整电阻R3、R3的阻值即可。
仿真结果显示，当将采样电阻的阻值选为1欧姆、R3R4?13、基准电压选取为2V时，仿真结果得到的电流是1.5A。
在仿真过程中、通过选取不同的基准电压和R3、R3的值可以得到不同的电流值，这样仿真结果为实际的电路设计提供很好参考依据。
为了进一步简化恒流源驱动电路的设计、又作了如下的设计仿真。
选取的功率管是IRF530、采样R1的阻值为1欧姆、选取的电压比较器是单电源供电的集成运算放大器LM2900N，在电路仿真中，可以看见当基准电压选为1V、采样电阻为1欧姆时，恒流源的输出电流是0.9A，这与理论推导的结果完全一样。
半导体激光器介绍
半导体激光器介绍什么是半导体激光器？半导体激光器又称半导体激光二极管（LD），是指以半导体材料作为工作物质的一类激光器。
激光产生的过程比较特殊，常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
按激励方式分类则分为三种：电注入、电子束激励和光泵浦。
按照结构分类，半导体激光器件又可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
半导体激光器工作的三大要素为：增益大于等于损耗、谐振腔和受激光辐射。
半导体激光器具有体积小、寿命长、便于集成、光电转换效率高等优点，在激光通信、激光显示、激光打孔、激光切割、激光焊接、激光指示、激光打印、激光打标、激光测距、激光医疗等方面具有非常广泛的应用。
半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由薄的有源层、P型、N型限制层构成。
有源层处在P型和N型之间，产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。
以GaAs激光器为例，散热及点接触部分对材料的选择有一定的要求，陶瓷电路板陶瓷基金属化基板拥有良好的热学和电学性能，是功率型LED封装、激光、紫外的极佳材料，特别适用于多芯片封装(MCM)和基板直接键合芯片(COB)等的封装结构；同时也可以作为其他大功率电力半导体模块的散热电路基板，大电流开关、继电器、通信行业的天线、滤波器、太阳能逆变器等。
目前，GaAs激光器基本采用的是陶瓷电路板，而陶瓷电路板中又以氧化铝、氮化铝陶瓷电路板最为常用。
半导体激光器封装工艺流程半导体激光器封装工艺流程大致分为如下几个过程：清洗、蒸镀，共晶贴片，烧结，金丝，球焊，焊引线，目检，老化前测试，老化，老化后测试，封帽，包装入库。
1.清洗的作用主要包括对热沉、管座、陶瓷片及芯片盒的清洗，包括一些仪器的日常清洗，如：全玻璃钢通风柜、超纯水机、烘箱、超声波清洗机等。
2.蒸镀主要用于热沉蒸镀焊料，陶瓷片蒸镀金属电极。
软焊料要求焊接应力小，主要指热膨胀系数与芯片差别较大的热沉材料；硬焊料要求有较大的焊接应力，良好的抗疲劳性和导热性，主要指适用于热膨胀系数与芯片差别较小的热沉材料。
ld和pd的工作原理
ld和pd的工作原理
嘿！今天咱们来聊聊LD 和PD 的工作原理呀！这可真是个超级有趣又重要的话题呢！
首先呢，咱们得搞清楚啥是LD 呀？LD 就是激光二极管（Laser Diode）的简称哟！它的工作原理可神奇啦！它通过在半导体材料中注入电流，激发电子和空穴的复合，从而产生受激辐射，发出高度相干、单色性好的激光光束呢！哎呀呀，这过程听起来是不是有点复杂？但其实简单来说，就是电流一进去，神奇的激光就跑出来啦！
那PD 又是啥呢？PD 就是光电二极管（Photo Diode）呀！它的工作原理也很妙呢！当光照射到PD 上时，光子会被吸收，产生电子空穴对，从而形成电流。
哇！是不是感觉很神奇？这就像是光的魔法，一下子就变成了电流！
LD 和PD 在很多领域都发挥着重要作用呢！比如在通信领域，LD 能发送高速、高质量的光信号，PD 则负责接收这些信号。
哎呀呀，没有它们，咱们的网络可就没那么快啦！在光学测量中，LD 可以提供稳定的光源，PD 能精确检测光的强度。
这对于科学研究和工业生产来说，简直太重要啦！
不过，要让LD 和PD 工作得好，也有不少讲究呢！比如说，LD 对温度和电流的控制要求很高，稍有偏差，激光的性能就可能大打折扣！PD 呢，则要注意灵敏度和响应速度的优化。
总之呀，LD 和PD 的工作原理虽然各有特点，但它们都是现代科技中不可或缺的宝贝呢！未来，随着技术的不断进步，它们肯定还
会给我们带来更多的惊喜和便利！哇，想想就觉得超棒的，不是吗？。
半导体激光器简介
半导体激光器简介——激光英才网半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。
半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。
半导体激光器工作原理是：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。
半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。
电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。
半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。
半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
第5章半导体激光器(LD)：静态特性_蓝色(全)资料
1
EFp Eh
e kT 1
假设引起LD受激辐射的光束强度为 I h ，则有源区的
受激辐射率为：
wr
Nc
(Ee
)
f
e
(Ee
)Nv
(Eh
)
f
h
(Eh
)I
(h)dE
吸收率为：
wa
Nc
(Ee
)
1
f e(Ee)
Nv (Eh ) 1 f h (Eh )
I (h)dE
wr wa distribution of particles reversed
使用“光谐振腔” 提高特定频率 的辐射强度
利用受激辐射提高 e-h对的复合率
Laser Diode e-h对在高质量的 光学谐振腔中复合
LD的主要优点： 输出功率高（相对LED）； 体积小； 发光效率高； 输出频谱窄； 响应速度快，带宽大。
激光器是利用受激辐射产生光子，其激励方式(能量注入方式)有： 电流注入（利用PN结结构的载流子注入）； 电子束注入； 激光注入； 碰撞电离。（？）
II. 自发辐射与受激辐射
自发辐射特点： 自发辐射是随机过程； 发出的光波是非相干光； 光子能量大体相等，约等于材料带隙； 相位与方向各不相同。
受激辐射特点： 发出的光是相干光； 光子相位、方向与引起辐射的光子一致。
普通激光器工作过程：
一般激光器的工作过程涉及到原子的能级跃迁。以二能级 系统为例，其过程是：在外界能量注入条件下，原子中的外 层电子吸收能量，跃迁到高能级。在高能级的原子态并不稳 定，如果此时有光子从有源区穿过，则会激励此高能原子， 使电子由高能级跃迁回低能级，同时放出一个光子，此光子 与引起辐射的光子在频率、相位、方向上完全一致。
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双异质结构
空穴
价带 EV
空穴浓度分 布
电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁
本征载流子浓度
电子或空隙的浓度为:
n p ni exp(
Eg 2k BT
)
其中 2(2kBT / h2 )3/ 2 (me mh )3/ 4 为材料的特征常数
kB 为玻耳兹曼常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3
第四章 光
源
主要内容
半导体物理简介
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.1 光源的物理基础
半导体物理 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射 半导体本征材料和非本征材料
孤立原子的能级
围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定 的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。
问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
E 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的
Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子浓度 分布 电子态数量
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量
多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴 少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子 在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的 乘积总等于一个常数：
pn n 2 i
pn结
n型 电势
U
n型
耗尽层
p型
p型
n 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动
p
2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动
受主能级
电子能量 电子浓度分布
受主能级电离使导带 空穴浓度增加 空穴浓度分布
被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 EA。当空穴 获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为 导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。
浓度作用定律
本征材料：电子和空穴总是成对出现
非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少
原子核
低能级 高能级 电子优先抢占低能级
电子
N个原子构成晶体时的能级分裂
N=4
电子能量 电子能量
N=9
原子间距
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带
Nà∞
原子间距
能带的分类
满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 (一般被占满) 空带：所有能级都没有电子填充的能带
E 空带 禁带 价带 禁带 满带 导带
未被电子占满的价带称为导带
禁带的宽度称为带隙
导体、绝缘体和半导体
导体： (导)价带电子
3 ~ 6 eV
绝缘体： 无价带电子 禁带太宽
0.1 ~ 2 eV
半导体： 价带充满电子 禁带较窄
满带电子激励 成为导带电子
0.1 ~ 2 eV
外界能量激励
光作用下的跃迁和辐射
应用场合：短距离传输
同质pn结
同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的参杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成 存在的问题： 1. 增益区太厚(1~10 m)，很难把载流子约束在相对小的区域， 无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束
反向偏压使耗尽区加宽
扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动
n型
耗尽层
p型
U
n
p
正向偏压使耗尽区变窄
扩散 > 漂移
n型
耗尽层
p型
U n p
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光
n
hv
p
外加电场 à 注入载流子 à 粒子数反转 à 载流子复合发光
E2 - E1 = hv hv
E2 E1
E2 E1
hv
(a) 受激跃迁
E2 hv E1
(b) 自发辐射：非相干光
hv hv
(c) 受激辐射：相干光 半导体成为发光体需要光辐射 > 光吸收
半导体粒子分布状态
N1：处于低能级的电子数量 N2：处于高能级的电子数量 (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于 施主能级上的电子吸收少量的能量 DED后可以跃迁到导带，因 此施主能级位于离导带很近的禁带。
非本征半导体材料：p型
B¯ B 受主杂质
第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。
直接带隙材料和间接带隙材料
直接带隙：导带的最低位臵位于价带最 高位臵的正上方；电子空隙复合伴随光 子的发射。III-V族元素的合金，典型的 如GaAs等。
间接带隙：导带的最低位臵不位于价带 最高位臵的正上方；电子空隙复合需要 声子的参与，声子振动导致热能，降低 了发光量子效率。
主要内容
半导体物理简介
非本征半导体材料：n型
As+ As
施主杂质
第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。
施主能级
电子能量
电子浓度分布 施主杂质电离使导带 电子浓度增加
发光二极管 (LED)
半导体激光器 (LD)
4.2 发光二极管 (LED)
原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米