半導(dǎo)體激光器的原理

1、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 S120600661 任躍功 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 第一章第一章 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 第二章第二章 半導(dǎo)體激光器的原理半導(dǎo)體激光器的原理 第三章 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展、運(yùn)用 第一章 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 定義：在絕對零度時無任何導(dǎo)電能力，但其導(dǎo)定義：在絕對零度時無任何導(dǎo)電能力，但其導(dǎo) 電性隨溫度升高呈現(xiàn)總體上升趨勢，且對光照電性隨溫度升高呈現(xiàn)總體上升趨勢，且對光照 等外部條件和材料的純度與結(jié)構(gòu)完整性（是否等外部條件和材料的純度與結(jié)構(gòu)完整性（是否 有缺陷）等內(nèi)部條件十分敏感有缺陷）等內(nèi)部條件十分敏感的物質(zhì)的物質(zhì)。 （1 1） 當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能當(dāng)受外

2、界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。力明顯變化。 （2 2） 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。它的導(dǎo)電能力明顯改變。 （3 3）缺陷在半導(dǎo)體中往往會改變晶體的共價）缺陷在半導(dǎo)體中往往會改變晶體的共價 鍵環(huán)境，改變其導(dǎo)電能力鍵環(huán)境，改變其導(dǎo)電能力 能帶理論：對導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體本質(zhì)上科 學(xué)區(qū)分的理論 晶體中的電子作共有化運(yùn)動，所以電子不再 屬于某一個原子，而是屬于整個晶體共有 晶體中原子間相互作用，導(dǎo)致能級分裂，由 于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級非常密集， 認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成能帶 電子總是先填充低能級，0K時，價帶中填滿 了

3、電子，而導(dǎo)帶中沒有電子 在絕對零度時，半導(dǎo)體中的能帶以一條特征 能隙分界，其下的能帶全部被電子占滿，其 上的能帶全部空著，這條能隙就是禁帶，緊 鄰其下的滿電子因其中的電子全是價電子， 稱為價帶，緊鄰其上的空帶因?yàn)樵谠诜橇銣?度下出現(xiàn)少量與金屬中的自由電子相似的、 可參與導(dǎo)電的電子，稱為導(dǎo)帶。這些電子有 可能全部或者部分產(chǎn)生于價電子的熱激發(fā)， 但在實(shí)際器件的應(yīng)用中，它們主要來自于外 來雜質(zhì) 滿帶電子不導(dǎo)電理論 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶理論討論中，認(rèn) 為只有未被電子填滿的能帶中的電子才能參 與導(dǎo)電，盡管絕對零度時的半導(dǎo)體和絕緣體 中都存在為數(shù)眾多的電子，但因其皆處于滿 帶之中，因此對材料的電導(dǎo)率還

4、沒有貢獻(xiàn)。 金屬良導(dǎo)體在T=oK時，其全部價電子只能填 滿能帶的下半部，上半部空著，上下之間沒 有能量間隙，電子容易躍遷，易導(dǎo)電。而半 導(dǎo)體和絕緣體相似，空帶距離能帶之間有一 定禁帶，需要外界作用才能導(dǎo)電，因此不易 導(dǎo)電。 本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：在熱力學(xué)溫度在熱力學(xué)溫度T=0K和沒有外界和沒有外界 影響的條件下，半導(dǎo)體的價電子均束縛在共價鍵中，影響的條件下，半導(dǎo)體的價電子均束縛在共價鍵中， 不存在自由運(yùn)動的電子。但當(dāng)溫度升高或受到光線不存在自由運(yùn)動的電子。但當(dāng)溫度升高或受到光線 照射時，某些共價鍵中的價電子從外界獲得足夠的照射時，某些共價鍵中的價電子從外界獲得足夠的 能

5、量，從而掙脫共價鍵的束縛，離開原子而成為能量，從而掙脫共價鍵的束縛，離開原子而成為自自 由電子由電子，同時，在共價鍵中留下了相同數(shù)量的，同時，在共價鍵中留下了相同數(shù)量的空位空位， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。其中。其中自由電子自由電子和和空位空位稱為稱為 載流子載流子，半導(dǎo)體是依靠，半導(dǎo)體是依靠自由電子和空穴自由電子和空穴兩種載流子兩種載流子 導(dǎo)電的物質(zhì)，把主要依靠本征激發(fā)獲得載流子的半導(dǎo)電的物質(zhì)，把主要依靠本征激發(fā)獲得載流子的半 導(dǎo)體稱為導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶電子電子和價帶和價帶空穴空穴相等是本征半導(dǎo)體的主要特點(diǎn)相等是本征半導(dǎo)體的主要特點(diǎn) +4+4 +4+4

6、 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 自由電子自由電子 空穴空穴 束縛電子束縛電子 摻雜半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中，摻入一定量的雜質(zhì)元素，就在本征半導(dǎo)體中，摻入一定量的雜質(zhì)元素，就 成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 按摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為按摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型型和和P型型 兩種。若摻入兩種。若摻入五價元素五價元素的雜質(zhì)的雜質(zhì)(磷、銻或砷磷、銻或砷等等)， 則可使晶體中的自由電子濃度大大增加，故將則可使晶體中的自由電子濃度大大增加，故將 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，五價元素稱五價元素稱 為為施主雜質(zhì)，起施主作用施主雜質(zhì)，起施主作用。 若摻

7、入若摻入三價元素三價元素的雜質(zhì)的雜質(zhì)(硼、嫁、銅或鋁硼、嫁、銅或鋁等等)， 則可使晶體中的空穴濃度大大增加，故將這種則可使晶體中的空穴濃度大大增加，故將這種 半導(dǎo)體稱為半導(dǎo)體稱為P型型半導(dǎo)體，型型半導(dǎo)體，三價元素稱為三價元素稱為受主受主 雜質(zhì)，起受主作用雜質(zhì)，起受主作用。 實(shí)際半導(dǎo)體幾乎是摻雜半導(dǎo)體，其載流子密度實(shí)際半導(dǎo)體幾乎是摻雜半導(dǎo)體，其載流子密度 靠摻雜濃度的精確調(diào)控來控制靠摻雜濃度的精確調(diào)控來控制 +4+4 +5+4 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多余電子多余電子 磷原子磷原子 +4+4 +3+4 空穴空穴 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 硼原子硼原子 半導(dǎo)體pn結(jié)原理 獨(dú)處的n型和p型半導(dǎo)體依靠電離雜質(zhì)和

8、少數(shù)載流 子與多數(shù)載流子保持電中性，但當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體 緊密結(jié)合成pn結(jié)時，二者之間載流子密度的懸殊 差異引起空穴從P區(qū)向n區(qū)、電子從n區(qū)向p區(qū)的 擴(kuò)散。對p區(qū)，空穴離開后留下了不可動的帶負(fù) 電的電離受主，這些電離受主沒有正電荷與之保 持電中性，從而在pn結(jié)附近的p型側(cè)形成一個負(fù) 的空間電荷。同樣，電子的擴(kuò)散在pn結(jié)附近的n 型側(cè)形成一個正空間電荷區(qū) 導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子，它在導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子，它在 電場作用下產(chǎn)生定向的漂移運(yùn)動，形成電場作用下產(chǎn)生定向的漂移運(yùn)動，形成 漂移電流。而半導(dǎo)體中有自由電子和空漂移電流。而半導(dǎo)體中有自由電子和空 穴兩種載流子，它們除了在濃度差的作穴兩

9、種載流子，它們除了在濃度差的作 用下產(chǎn)生定向的擴(kuò)散運(yùn)動，形成相應(yīng)的用下產(chǎn)生定向的擴(kuò)散運(yùn)動，形成相應(yīng)的 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，還會，還會在電場作用下形成漂移在電場作用下形成漂移 電流電流。 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴(kuò)散運(yùn)動 內(nèi)電場E 漂移運(yùn)動 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) PN結(jié)處載流子的運(yùn)動結(jié)處載流子的運(yùn)動 擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電 荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電 荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。 漂移運(yùn)動 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 + + + + +

10、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 擴(kuò)散運(yùn)動 內(nèi)電場E PN結(jié)處載流子的運(yùn)動結(jié)處載流子的運(yùn)動 內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂 移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移 使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。 擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平 衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動， 空間電荷區(qū)的厚度固定不變?？臻g電荷區(qū)的厚度固定不變。這個電荷這個電荷 區(qū)在激光器中稱為有緣區(qū)區(qū)在激光器中稱為有緣區(qū) PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置 + + + + 內(nèi)電場內(nèi)電場 外電場外電場 變厚變厚 PN +

11、_ 內(nèi)電場被削弱，內(nèi)電場被削弱， 多子的擴(kuò)散加強(qiáng)多子的擴(kuò)散加強(qiáng) 能夠形成較大的能夠形成較大的 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流 PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置 + + + + 內(nèi)電場內(nèi)電場 外電場外電場 變變 薄薄 NP + _ 內(nèi)電場被加強(qiáng)，內(nèi)電場被加強(qiáng)， 多子的擴(kuò)散受抑多子的擴(kuò)散受抑 制。少子漂移加制。少子漂移加 強(qiáng)，但少子數(shù)量強(qiáng)，但少子數(shù)量 有限，只能形成有限，只能形成 較小的反向電流較小的反向電流 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 N型和P型硅本身就是一種導(dǎo)體，但是當(dāng)它們 以如圖方式組合在一起的時候卻不會傳導(dǎo)任 何電流。N型硅中的負(fù)電子會被吸引到電池的 正極，P型硅中帶正電的孔則會被吸引到電池 的負(fù)極，不會有任何電流流

12、過結(jié)合部，如果 將電池翻轉(zhuǎn)過來，二極管就可以很好地傳導(dǎo) 電流了。N型硅中的自由電子受電池負(fù)極的排 斥，P型硅中的孔則受正極的排斥?？缀碗娮?在N型硅和P型硅的結(jié)合部相遇，電子會填充 在孔中，這些孔和自由電子便會消失，并且 會有新的孔和新的自由電子出來接替它們的 位置，這就會在結(jié)合部形成電流 二極管的基本工作原理就在于利用二極管的基本工作原理就在于利用PN結(jié)的單向?qū)щ娊Y(jié)的單向?qū)щ?性這一主要特征性這一主要特征 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 定義：半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材 料做為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器 件。.其工作原理是通過一定的激勵方式， 在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間， 或者半

13、導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主） 能級之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù) 合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用，產(chǎn)生激光。半 導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注 入式，光泵式和高能電子束激勵式。 自發(fā)光輻射和受激光輻射自發(fā)光輻射和受激光輻射 自發(fā)光輻射自發(fā)光輻射（1）電子不受任何外界的作用而自發(fā)地從高能態(tài)）電子不受任何外界的作用而自發(fā)地從高能態(tài)E2 向低能態(tài)向低能態(tài)E1躍遷并發(fā)射一個能量為（躍遷并發(fā)射一個能量為（E2-E1）的光子，這些光子）的光子，這些光子 位相和傳播方向各不相同。（位相和傳播方向各不相同。（2）當(dāng)給器件加正向偏壓時，）當(dāng)給器件加正向偏壓時

14、，n區(qū)區(qū) 向向p區(qū)注入電子，區(qū)注入電子，p區(qū)向區(qū)向n區(qū)注入空穴，在區(qū)注入空穴，在結(jié)合結(jié)合區(qū)電子和空穴自發(fā)區(qū)電子和空穴自發(fā) 地復(fù)合形成電子地復(fù)合形成電子-空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來，空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來， 所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。 受激光輻射（半導(dǎo)體激光器）受激光輻射（半導(dǎo)體激光器）電子在光輻射的激勵下從激發(fā)態(tài)向電子在光輻射的激勵下從激發(fā)態(tài)向 基態(tài)躍遷的輻射過程。發(fā)射光子的頻率、位相、方向等全部特性基態(tài)躍遷的輻射過程。發(fā)射光子的頻率、位相、方向等全部特性 與入射光子完全相同。如果

15、激勵光子原本就是由能級與入射光子完全相同。如果激勵光子原本就是由能級E2到到E1的電的電 子躍遷過程產(chǎn)生的，則一個受激輻射過程同時發(fā)射兩個同頻率、子躍遷過程產(chǎn)生的，則一個受激輻射過程同時發(fā)射兩個同頻率、 同位相、同方向的電子同位相、同方向的電子 分布反轉(zhuǎn) 在熱平衡下，低能級E1上的電子密度遠(yuǎn)高于高能 級E2上的電子密度，因而頻率為V12的光子通常 在能級E1和E2之間引起光的吸收，然后，被激發(fā) 到E2的電子又自發(fā)躍遷回E1，發(fā)射出最多不超過 入射光子數(shù)的頻率為V12的光子。但若E2上的電 子密度大于E1的電子密度，則受激輻射光子數(shù)就 會超過被吸收的光子數(shù)，這些光子數(shù)特性一樣， 因此對光子數(shù)具有

16、放大作用。通常把高能級比低 能級電子密度高的反常情況稱為分布反轉(zhuǎn)。分布 反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。為了讓半導(dǎo)體發(fā)射 激光，必須在半導(dǎo)體中形成導(dǎo)帶底比價帶頂電子 密度高的分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 要在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，必須使其導(dǎo)帶 保持高密度的電子，價帶保持高密度的空穴， 這種反常分布需要由外界輸入能量來維持， 與水泵提升水到平面一樣，靠外力將電子不 斷激發(fā)并維持在高能級上的過程被稱為“泵 浦”。半導(dǎo)體激光器一般采用pn結(jié)正向注入的 方式“泵浦”電子，因此我們主要講一下pn結(jié) 激光器原理 結(jié)型激光器結(jié)構(gòu)示意圖 為了能夠有效地通過注入式“泵浦” 實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，其p區(qū)和n區(qū)都必須 重參雜。然后，通過外加較

17、高的正 向偏置，形成分布反轉(zhuǎn)區(qū)，半導(dǎo)體 pn結(jié)激光器的分布反轉(zhuǎn)區(qū)一般很薄， 厚度只有1微米，卻是激光器的核心 部分，稱為有緣區(qū) 分布反轉(zhuǎn)只是半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生受激發(fā)射的 必要條件，要能穩(wěn)定發(fā)射激光，還需要滿足 其他條件。首先，半導(dǎo)體pn結(jié)激光器需要通 過自身的自發(fā)輻射產(chǎn)生激勵光。在pn結(jié)處于 正向偏執(zhí)狀態(tài)的初期，其有源區(qū)中大量注入 額外載流子開始時完全是自發(fā)地復(fù)合，引起 自發(fā)輻射，發(fā)射一定能量的光子，但這些光 子的相位和傳播方向各不相同。大部分光子 會穿出有緣區(qū)，但也有小部分平行于pn結(jié)結(jié) 平面方向傳播，作為激勵光源引起其他電子- 空穴對復(fù)合的受激輻射，產(chǎn)生更多能量、方 向相同的電子，這樣的受激

18、輻射隨著注入電 流的增大而逐漸發(fā)展，形成高強(qiáng)度的光，但 還不是相干光。必須需要共振腔作用 法布里-珀羅共振腔 定義：用垂直于結(jié)面的兩個嚴(yán)格平行的晶體 解離面作為天然反射鏡面 當(dāng)一定頻率的受激發(fā)射沿平行于結(jié)平面的方 向在反射面間來回反射且最終形成兩列方向 相反的波疊加時，就會在共振腔形成駐波。 （兩個振幅、波長、周期皆相同的正弦波相 向行進(jìn)干涉而成的合成波） 受激輻射在共振腔內(nèi)來回反射時，也會 因吸收、散射及反射面透射等損耗，不 過，注入電流則會使有源區(qū)內(nèi)的受激輻 射不斷增強(qiáng)，即使之獲得增益。而損耗 和增益的消長決定著最終能否有激光的 發(fā)射。 我們把增益等于損耗時的注入電流密度 稱為閥值電流密度。 綜上所述，半導(dǎo)體激光器要能正常工 作必須具備以下3個基本條件： 1、通過高濃度參雜pn結(jié)的正向注入 形成載流子分布發(fā)轉(zhuǎn)，使受激輻射占 優(yōu)勢 2、具有共振腔，以實(shí)現(xiàn)光量子放大 3、正向電流密度達(dá)到或者超過閥值， 即增益至少等于損耗 半導(dǎo)體激光器發(fā)展歷史 初期：半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種 材料上制作的pn結(jié)二極管在正向大電流注入下，電 子不斷地向p區(qū)注入，空穴不斷地向n區(qū)注入.于是， 在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)， 由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū) 發(fā)生輻射、復(fù)合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生 激光，這是一種只能以脈沖形式