3半导体激光器简介解析

(c)
～5 %
(d)
P 光
图 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
808大功率激光器结构
Thank you
扩散过程中电子和空穴不断复合
漂移运动
内建电场E的出现阻碍了多子的运动，但促 进了少子的漂移运动 ，使内建电场变窄，电场减弱
E内
P
P区电子
N
J 漂移 J 扩散
当多子扩散和少子的漂移达 到动态平衡，J 漂移＝J 扩散
空间电荷区
N区空穴
E内
P区空穴
N区电子
U0 E内
浓 度 差
多 子 扩 散
空 间 电 荷 区
本征半导体的导电机理
空穴
+4
+4
自由电子
+4
Baidu Nhomakorabea
+4
束缚电子
掺杂半导体
• N型半导体：往Si中掺入五价元素的杂质
五价元素称为施主杂质
• P型半导体：掺入三价元素的杂质
三价元素称为受主杂质
要在半导体中实现分布反转，必须使其导带保持 高密度的电子，价带保持高密度的空穴，这种反 常分布需要由外界输入能量来维持，靠外力将电 子不断激发并维持在高能级上的过程被称为“泵 浦”。
1.2 本征半导体和掺杂半导体
本征半导体：在热力学温度T=0K和没有外界影响的 条件下，半导体的价电子均束缚在共价键中，不 存在自由运动的电子。但当温度升高或受到光线 照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够 的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成 为自由电子，同时，在共价键中留下了相同数量 的空位，这种现象称为本征激发。其中自由电子 和空位称为载流子，半导体是依靠自由电子和空 穴两种载流子导电的物质，把主要依靠本征激发 获得载流子的半导体称为本征半导体。 导带电子和价带空穴相等是本征半导体的主要特 点
1）、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μ m）、
P型和N型限制层构成，如下图所示。
电流 金属接触 100μ m P型 N型 有源层 200μ m 解理面
300μ m
大面积半导体激光器
1）、同质结半导体激光器
PN能带 所加的正向偏压必须满足
正向电压V时形成的双简并能带 结构
三、 半导体激光器简介
邓咏丽
1半导体基础知识
2 半导体激光器的结构
典型半导体激光器结构图
P-GaAs
GaAs n-GaAs 激光
1. 半导体的基础知识
定义：在绝对零度时无任何导电能力，但其导电性 随温度升高呈现总体上升趋势，且对光照等外部 条件和材料的纯度与结构完整性（是否有缺陷） 等内部条件十分敏感的物质。
• （1） 当受外界热和光的作用时，它的导电能力 明显变化。 • （2） 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它 的导电能力明显改变。 • （3）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价键环 境，改变其导电能力
1.1 能带理论：
对导体，半导体，绝缘体本质上科学区分的理论 • 电阻率：<10e-4,10e-3--10e9,> 10e9 • 晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某 一个原子，而是属于整个晶体共有 • 晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子 数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连 续的，即形成能带 • 电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子， 而导带中没有电子
• 禁带：在绝对零度时，半导体中的能带以一条特 征能隙分界，其下的能带全部被电子占满，其上 的能带全部空着，这条能隙就是禁带 • 价带：紧邻其下的满电子因其中的电子全是价电 子，称为价带
• 导带：紧邻其上的空带因为在在非零温度下出现 少量与金属中的自由电子相似的、可参与导电的 电子，称为导带。
满带电子不导电
Eg EF EF V e e
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作
2）、异质结半导体激光器
同质结、异质结结构示意图
(a)
＋
P Ga1 － Al As x x
P GaAs
N Ga1 － Al As y y 电 子
－
(b)
E 能 量
复 合
空 穴 n 折 射 率
异 质 势垒
半导体激光器一般采用pn结正向注入的方式“泵 浦”电子
1.3 PN结的形成
两种载流子：电子 空穴 两种运动：扩散运动——由载流子浓度差引 起的运动 漂移运动——在电场作用下的载 流子定向运动
扩散运动
空间电荷区
E内
浓度差异引起多子的扩散
P区空穴 P区 N区
E内
U0
N区电子
J扩散
随着扩散的进行， 空间电荷区展宽，电场加强
内 建 电 场
阻碍多子扩散 动态平衡 促成少子漂移
PN结
1.4 PN结的单向导电性
无外加电压时 +
空间电荷区 空间电荷区
1). 外加正向电压
-
-
2). 外加反向电压
空间电荷区
+
E
内
E
内
U0 E内 E 内1
(
U 0 —U
U 0 +U
E 内2
i I s [e
qVD ) kT
1]
1.5 半导体器的3个必要条件
驱动电源


注入式
光子激励
电子束激励 PN结（同质结） 异质结
工作物质

单异质结 双异质结（DH）
谐振腔

解理面 布拉格反馈

分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR
2 半导体激光器的结构
• 可见光： GaAs衬底 InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光 InGaAlP/GaAs 630~680nm AlGaAs/GaAs 720~760nm • 近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm • InP衬底 InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
• 只有未被电子填满的能带中的电子才能参与导电， 尽管绝对零度时的半导体和绝缘体中都存在为数 众多的电子，但因其皆处于满带之中，因此对材 料的电导率还没有贡献。
• 金属良导体在T=0K时，其全部价电子只能填满能 带的下半部，上半部空着，上下之间没有能量间 隙，电子容易跃迁，易导电。而半导体和绝缘体 相似，空带距离能带之间有一定禁带，需要外界 作用才能导电，因此不易导电。