半导体激光器

半导体器件的发光机理
直接复合中一个光子产生一个电子和一个空穴，它们碰撞后 又放出一个光子；间接复合中载流子被trap T捕捉到，在trap site中发生复合，并放出热。
半导体激光器（LD）
• 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体 激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩 大，各项性能参数也有了很大的提高；其制作技术经历了由扩散法到液相外延 法(LPE)，气相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE)，MOCVD方法(金属有机 化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺；其激 射闭值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时， 乃至百万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。
• 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功 率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)。便于直接调制、省电等优点， 因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光 器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器 所取代.
半导体激光器（LD）
掺杂半导体： 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显
著变化，称为掺杂半导体。
N型半导体：若掺入的杂质提供电子给导带，称为N 型杂质
或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为N型 半导体 。 P型半导体：若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质
或P 型杂质 ，如掺入锗。掺入P 型杂质的材料称为P 型
激光器的基本结构
使入射光得到 放大，是核心
泵浦源
光抽运
工作介质
供给工作物质 能量
激光束
只让与反射镜轴向平行的光束 能在激活介质中来回地反射， 连锁式地放大。最后形成稳定
的激光输出。
半导体中的能带
• 价带：是价电子能级分裂出来的价电子能带， 当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子 完全被共价健束缚住，是不导电的。
• 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。
• 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向 电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置 的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
• 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分 立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在 0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见 的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。
200
01
正向电压/ V
2
3
半导体激光器的的主要特性
• 2.量子效率与阈值电流
在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合，一种叫无辐射复合。 前者发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。 因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率ηi表示 辐射复合所占的比例。
激活区每秒产生的光子 数
此 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。这样的激光
器面积大，称为大面积激光器。由
于在平行于结平面的侧向无光限制
结构，沿激光器的整个宽度上都存
在光辐射，损耗太大，阈值电流较
高，这是大面积激光器的主要特点。
为解决侧向辐射和光限制问题，实
际的激光器采用了增益导引型和折
图(5-31) GaAs激光器的发射光谱
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
➢外微分量子效率:
D
(P Pth ) (i ith )
hν e
D

P hν (i ith )
e
P (i ith )V
➢功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
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
5.4.2 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)。
具有的光频特性 。
• 1、伏安特性
•
半导体激光的伏安特性与一般
半导体二极管相同，具有单向导电
性。其伏安特性曲线如图所示。由
于工作时加正向偏压，所以其结电
阻很小。其正向电阻值主要由材料
的体积电阻和引线的接触电阻来决
定。这些电阻虽然很小，但由于工
作电流很大，其作用不能忽略。
正向电流 （mA） 800
400
• 导带：导带是自由电子能带，在没有自由电子 的情况下，这个能级是空着的。当有自由电子 时，它们在外电场作用下就能参与导电 。
• 禁带（带隙）：在价带和导带之间存在一段空 隙，称为禁带或带隙。
半导体中的能带
E Eg
E
E
导 带
禁
导带
带
Eg
禁带
价
价带
带
绝缘体
半导体
导带 价带 导体
半导体中的能带
本征半导体： 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。
图(5-29) GaAs激光器的伏安特性
图(5-30) 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。
fN (E2) fN (E1) EF EF E2 E1 Eg
LD的谐振腔
注入电流
解理面
有源区 L
解理面
R1
增益介质
R2
Z＝0
Z＝L
半导体激光器的结构
•
最简单的半导体激光器由一个
薄有源层（厚度约0.1μm）、P型
和N型限制层构成，如图示。有源
层夹在P型和N型限制层中间，由
并产生出光子。这种过程称为复合。
在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发
地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子 在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在， 则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生， 所产生的受激光子的行进 方向和原始光子相同。为了使发光半导体(LED)和二极管激光器(LD)能分 别正常工作，自发发射和受激发射都是必要的。
半导体器件的发光机理
• 如果在PN结上加正向电压，外电场与内电 场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一 部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空 间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电 荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N 区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强， 正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即 PN结处于导通状态。
N型区
(EF)N
(EF)P qVD=(EF)N-(EF)P
(EF)N
PN结的特性
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。
P

iV
P i2RS
2. 异质结半导体激光器
➢单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示
➢双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光பைடு நூலகம்结构如图(5－32)(c)所示。
图(5-32) 同质结、异质结结构示意图
半导体激光器的的主要特性
•
半导体激光器是半导体二极管，它具有
半导体二极管的一般特性，还具有激光器所
半导体器件的发光机理
当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相反时，电子被迫从N 区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子 能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。
➢
此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为
粒子数反转。
➢
来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合
半导体。
半导体中的能带
• 由于杂质能级离导带或价带较近，因 此在常温下，在导带中会出现更多的电 子，而在价带中会出现更多的空穴。如 果掺杂浓度较大，则杂质能级会变成杂 质能带，有可能使得杂质能带与导带或 价带连接起来，改变了禁带宽度，从而 造成器件输出波长的变化。
PN结的能带图
P型区 (EF)P
半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此 这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。
图(5-23) 固体的能带
图(5-24) 本征半导体的能带
2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。
G

a内

1 2L
ln r1r2

➢增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质
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
图(5-26) PN能带
➢在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级E
F
和E
F
，称为准费米能
级，如图(5-27)。
图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构
5.4.2 PN结和粒子数反转
2. 粒子数反转 ➢产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。
➢激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为
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
5.4.1 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。

1 2L
ln
r1r2

8
2 2ed 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。
i 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外 量子效率 ηex.
激活区每秒发射的光子 数
ex 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
nLwd I
t复合
e
Gν

n c2 A21 8 2ν2
f ν
n c2 8 2ν2t复合
f
ν



Gν
G a内 f (ν)
c2 8
f ν
2ν2ed
J


1 2L
ln
r1r2


ν




J阈


a内
1 fN (E2 ) E2 EF
e kT 1 ➢价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 fP (E1)
1
EF E1
➢价带顶电子占据几率则为
fN (E1) 1 fP (E1)
1
E1 EF
e kT 1
e kT 1
➢在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
射率导引型结构。
金属接触
电流
P型
有源层
N型
300m
100m 200m
解理面
半导体激光器的工作原理和阈值条件
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 ➢图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
图(5-28) GaAs激光器的结构
2. 半导体激光器工作的阈值条件
➢激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件