激光器件iv1w

1、第四講第四講 半導體激光器半導體激光器第一章第一章 半導體能帶論基礎半導體能帶論基礎第二章第二章 半導體激光器件半導體激光器件第三章第三章 典型的半導體激光器典型的半導體激光器第四章第四章 半導體激光器的應用半導體激光器的應用第一章第一章 半導體能帶論基礎半導體能帶論基礎 何謂半導體何謂半導體物體分類物體分類導體導體 導電率為導電率為10105 5s.cms.cm-1-1，量級，如金屬量級，如金屬絕緣體絕緣體 導電率為導電率為1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量級，量級，如：橡膠、云母、塑料等。如：橡膠、云母、塑料等。 導電能力介于導體和絕緣體之間。導電能

2、力介于導體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導體半導體 半導體特性半導體特性摻入雜質(zhì)則導電率增加幾百倍摻入雜質(zhì)則導電率增加幾百倍摻雜特性摻雜特性半導體器件半導體器件溫度增加使導電率大為增加溫度增加使導電率大為增加溫度特性溫度特性熱敏器件熱敏器件光照不僅使導電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光照不僅使導電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光照特性光照特性光敏器件光敏器件光電器件光電器件導體導體 絕緣體絕緣體 半導體半導體能帶隙的差異能帶隙的差異無無很大。很大。4ev中等中等sigegaasgap一、半導體基礎知識1、電子的共有化運動和：金剛石結(jié)構(gòu)，兩個面心結(jié)構(gòu)沿體對角線方向移動四分之

3、一距離。和：閃鋅礦結(jié)構(gòu)，亦為兩個面心結(jié)構(gòu)沿體對角線方向移動四分之一距離，區(qū)別為兩個面心結(jié)構(gòu)為不同原子構(gòu)成。原子之間通過共用電子對間的庫侖作用結(jié)合，共用電子對產(chǎn)生共有化運動。13gaasgas 4pass 4p22以為例，原子序數(shù)分別為：31 4 33 4：在半導體中，最外層電子不僅會受到自己所屬原子核的作用，同時還會受到相鄰原子的作用，電子運動的軌道發(fā)生重疊，電子可以從一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰原子，再通過軌道重疊，電子可以轉(zhuǎn)移到更遠的原子上去，最終電子在整個晶體內(nèi)運動。此時，最外層電子已不再屬于某一個原子，而是為整個晶體所共有，電子的這種運動稱為共有共有化運動化運動。nn2、能級結(jié)構(gòu)量子力學證明：在

4、晶體的形成過程中，當 個原子相互靠近時，由于相鄰原子的擾動，原子中的能級分裂為 個新能級。由于原子的個數(shù)非常多，新能級數(shù)目很大，相鄰能級的能量差很小，近似為連續(xù)的能級，即構(gòu)成了能帶。能帶與能帶之間不允許電子存在，稱為禁帶。由價電子能級（基態(tài)能級）分裂的能帶稱為價帶；由激發(fā)態(tài)能級分裂得到的能帶稱為導帶。價帶與導帶之間為禁帶，之間的寬度稱為禁帶寬度。gaasgesi被電子填滿的能帶滿帶無電子填充的能帶空帶在溫度較低時，、等半導體材料的價帶為滿帶，導帶為空帶。在溫度較高時，電子由于熱運動可以躍遷到導帶上。同時，在價帶上留下一個空位，稱為空穴。主要半導體材料主要半導體材料 iv族半導體材料族半導體材料

5、 -硅硅si，鍺，鍺ge iii-v族化合物半導體材料族化合物半導體材料 -gaas, inp，gaalas，ingaasp ii-vi族化合物半導體材料族化合物半導體材料 -gdte, znte, hggdte, znsete本征半導體本征半導體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。純度：純度：99.9999999%，“九個九個9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導體常用的本征半導體si+142 8 4ge+322 8 18 4+4 本征半導體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵本征半導體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+

6、4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵內(nèi)的電子共價鍵內(nèi)的電子稱為稱為束縛電子束縛電子價帶價帶導帶導帶掙脫原子核束縛的電子掙脫原子核束縛的電子稱為稱為自由電子自由電子價帶中留下的空位價帶中留下的空位稱為稱為空穴空穴禁帶禁帶e eg g外電場外電場e e自由電子定向移動自由電子定向移動形成形成電子流電子流束縛電子填補空穴的束縛電子填補空穴的定向移動形成定向移動形成空穴流空穴流1. 1. 本征半導體中有兩種載流子本征半導體中有兩種載流子 自由電子和空穴自由電子和空穴它們是成對出現(xiàn)的它們是成對出現(xiàn)的2. 2. 在外電場的作用下，產(chǎn)生電流在外電場的作用下，產(chǎn)生電流 電子流和空穴流電子流和空穴流電子流電子流

7、自由電子作定向運動形成的；自由電子作定向運動形成的；與外電場方向相反；與外電場方向相反；自由電子始終在導帶內(nèi)運動。自由電子始終在導帶內(nèi)運動?？昭骺昭鲀r電子遞補空穴形成的；價電子遞補空穴形成的；與外電場方向相同；與外電場方向相同；始終在價帶內(nèi)運動。始終在價帶內(nèi)運動。由此我們可以看出：由此我們可以看出：價帶價帶導帶導帶禁帶禁帶eg 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)自由電子自由電子價電子與空穴價電子與空穴費米能級費米能級ef( )111( )111ffeee eeektktfefeee 費米能級性質(zhì)：（1）費米能級為假想能級，實際上不存在，只是為了反映電子的填充水平。（2）電子與空穴占有某一能級的幾率之和為1。

8、若電子占有幾率為，則空穴占有的幾率為：（3）一個熱平衡系統(tǒng)只有一個費米能級。費米能級費米能級ef當當t=0k時，電子占據(jù)時，電子占據(jù)e ef的狀態(tài)的幾率為零。的狀態(tài)的幾率為零。/ )exp(11)(kteeeff當當t0k時，電子占據(jù)時，電子占據(jù)ef的狀態(tài)的的狀態(tài)的幾率為幾率為1/2。ef本征半導體本征半導體空穴空穴電子電子導帶中的電子絕大多數(shù)導帶中的電子絕大多數(shù)位于導帶的底部；位于導帶的底部；價帶中的空穴絕大部分價帶中的空穴絕大部分位于價帶的頂部。位于價帶的頂部。當當t=0k時，本征半導體的費米能級在禁帶的中央；時，本征半導體的費米能級在禁帶的中央；溫度升高，費米能級略偏向?qū)б环健囟壬?/p>

9、，費米能級略偏向?qū)б环健?溫度對費米能級的影響溫度對費米能級的影響)*ln(432epvcfmmkteeeec、e 導帶低和價帶頂?shù)哪芗墝У秃蛢r帶頂?shù)哪芗塵p、me導帶底和價帶頂?shù)碾娮雍涂昭ǖ挠行з|(zhì)量導帶底和價帶頂?shù)碾娮雍涂昭ǖ挠行з|(zhì)量能帶中電子和空穴的分布能帶中電子和空穴的分布雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體摻入雜質(zhì)的本征半導體。摻入雜質(zhì)的本征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高摻雜后半導體的導電率大為提高摻入的三價元素如摻入的三價元素如b、al、in等，等，形成形成p型半導體，也稱空穴型半導體型半導體，也稱空穴型半導體摻入的五價元素如摻入的五價元素如p、se等，等，形成形成n型半導體，也稱電子型半

10、導體型半導體，也稱電子型半導體1. n型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5價帶價帶導帶導帶+施主施主能級能級自由電子是多子自由電子是多子空穴是少子空穴是少子雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由熱激發(fā)形成由于五價元素很容易貢獻電由于五價元素很容易貢獻電子，因此將其稱為子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為帶正電荷成為正離子正離子在本征半導體中摻入的在本征半導體中摻入的五價元素如五價元素如p摻雜半導體摻雜半導體- n型半導體型半導體(as-si)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3價帶價帶導帶導帶-受主受主

11、能級能級自由電子是少子自由電子是少子空穴是多子空穴是多子雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為電子，使雜質(zhì)原子成為負負離子。離子。三價雜質(zhì)三價雜質(zhì) 因而也因而也稱為稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。2. p型半導體型半導體在本征半導體中摻入的在本征半導體中摻入的三價元素如三價元素如b摻雜半導體摻雜半導體- p型半導體型半導體(b-si)半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體的能帶結(jié)構(gòu))*ln(432epvcfmmkteee 本征半導體本征半導體 n型半導體型半導體)ln(22cddcnfnnkteee p型半導體型半導體)ln(22vaavpfnn

12、kteee電子電子空穴空穴導帶導帶價帶導帶價帶價帶施主受主本征半導體本征半導體p型半導體型半導體n型半導體型半導體半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體的能帶結(jié)構(gòu)efefef能帶中的載流子能帶中的載流子 導帶底的電子態(tài)密度：導帶底的電子態(tài)密度：21)()(ceeee 價帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度：價帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度：21)()(eeevp由量子力學由量子力學理論而來理論而來能帶中的載流子能帶中的載流子 導帶中電子濃度：導帶中電子濃度： 價帶中的空穴濃度：價帶中的空穴濃度：ndeeefe)()(ce)exp(kteefcpdeeefp)()(1 ve)exp(kteevf直接帶隙與間接帶隙半導體直接帶隙與間接帶隙半導體能

13、帶能帶-波矢圖波矢圖直接帶隙直接帶隙間接帶隙間接帶隙直接帶隙材料中電子躍遷滿足能量和動量守恒！直接帶隙材料中電子躍遷滿足能量和動量守恒！具有更高的躍遷幾率（近具有更高的躍遷幾率（近100%100%）?。?！間接帶隙材料中的電子躍遷必須由聲子介入實現(xiàn)！間接帶隙材料中的電子躍遷必須由聲子介入實現(xiàn)！躍遷選擇定躍遷選擇定則則: 躍遷的躍遷的始始末態(tài)末態(tài)應具有應具有相同的波矢相同的波矢主要半導體材料主要半導體材料 iv族半導體材料族半導體材料 -硅硅si，鍺，鍺ge iii-v族化合物半導體材料族化合物半導體材料 -gaas, inp，gaalas，ingaasp ii-vi族化合物半導體材料族化合物半導

14、體材料 -gdte, znte, hggdte, znsete-用于集成電路、光電檢測用于集成電路、光電檢測-用于集成電路、發(fā)光器件、光電檢測用于集成電路、發(fā)光器件、光電檢測-用于可見光和遠紅外光電子器件用于可見光和遠紅外光電子器件間接帶隙間接帶隙導帶導帶e2價帶價帶e1半導體內(nèi)光與電子相互作用半導體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射自發(fā)輻射h =e2-e1eg光子密度光子密度 ( )隨時間的變化率隨時間的變化率:)(1)(|)(12efeaftspon 愛因斯坦系數(shù)，愛因斯坦系數(shù)， 為能態(tài)電子的平均壽命為能態(tài)電子的平均壽命/ 1a半導體內(nèi)光與電子相互作用半導體內(nèi)光與電子相互作用導帶導帶e2價帶價帶e

15、1h 光子密度光子密度 ( )隨時間的變化率隨時間的變化率:受激吸收受激吸收)(1)()(|)(2112efefbtabs 33321128 hncbbb 導帶導帶e2價帶價帶e1半導體內(nèi)光與電子相互作用半導體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射受激輻射h 光子密度光子密度 ( )隨時間的變化率隨時間的變化率:h h )(1)()(|)(1221efefbtsti 半導體內(nèi)光與電子相互作用半導體內(nèi)光與電子相互作用導帶導帶價帶價帶導帶導帶價帶價帶導帶導帶價帶價帶自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激吸收受激吸收受激輻射受激輻射非平衡載流子與準費米能級非平衡載流子與準費米能級電流注入，電流注入， 非平衡載流子的產(chǎn)生：非平衡載

16、流子的產(chǎn)生：外場激發(fā)外場激發(fā)后果：半導體的后果：半導體的總平衡總平衡被打破。但導帶和價帶會很快形成被打破。但導帶和價帶會很快形成局部平衡局部平衡而形成自身的費米能級。而形成自身的費米能級。 準費米能級準費米能級fcefe導帶：導帶：fvefe價帶：價帶：efefefvefcefcefcefvefvef非平衡載流子非平衡載流子非平衡載流子非平衡載流子i型（本征）半導體型（本征）半導體n型半導體型半導體p型半導體型半導體半導體中的光增益半導體中的光增益 產(chǎn)生光增益的條件產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率受激輻射速率 受激吸收速率受激吸收速率)()(12efefvc 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：gfvfceh

17、ee 導帶導帶 價帶價帶 導帶導帶 價帶價帶正常分布正常分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件之一：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件之一：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū)擴散運動擴散運動載流子載流子從從濃度濃度大大向濃度向濃度小小的區(qū)域的區(qū)域擴散擴散,稱稱擴散運動擴散運動形成的電流成為形成的電流成為擴散電流擴散電流內(nèi)電場內(nèi)電場內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子阻礙多子向?qū)Ψ降南驅(qū)Ψ降臄U散擴散即即阻礙擴散運動阻礙擴散運動同時同時促進少子促進少子向?qū)Ψ较驅(qū)Ψ狡破萍醇创龠M了漂移運動促進了漂移運動擴散運動擴散運動=漂移運動時漂移運動時達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡擴散運動擴散運動多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散，多子從濃度大

18、向濃度小的區(qū)域擴散，擴散運動產(chǎn)生擴散電流。擴散運動產(chǎn)生擴散電流。漂移運動漂移運動少子向?qū)Ψ狡疲僮酉驅(qū)Ψ狡?，漂移運動產(chǎn)生漂移電流。漂移運動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡動態(tài)平衡 擴散電流擴散電流=漂移電流，漂移電流，pn結(jié)內(nèi)總電流結(jié)內(nèi)總電流=0。pn 結(jié)結(jié)穩(wěn)定穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，的空間電荷區(qū)，又稱又稱高阻區(qū)，高阻區(qū)，也稱也稱耗盡層。耗盡層。 vd 內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢差差vd，稱為接觸勢壘，稱為接觸勢壘 接觸電位接觸電位vd決定于材料及摻雜濃度決定于材料及摻雜濃度硅：硅： vd=0.7鍺：鍺： vd=0.2eeevpfnfd 如果兩種材料的費米能級不同，就會在兩種材料

19、如果兩種材料的費米能級不同，就會在兩種材料的分界面上發(fā)生電荷的擴散而產(chǎn)生接觸電勢差，這種擴的分界面上發(fā)生電荷的擴散而產(chǎn)生接觸電勢差，這種擴散運動使兩種材料的費米能級逐漸趨于一致，建立起新散運動使兩種材料的費米能級逐漸趨于一致，建立起新的熱平衡態(tài)，的熱平衡態(tài)，達到平衡時，形成新的統(tǒng)一的費米能級達到平衡時，形成新的統(tǒng)一的費米能級。o 同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)：n組成組成p-n結(jié)的結(jié)的p型半導體和型半導體和n型半導體的基質(zhì)材料相同型半導體的基質(zhì)材料相同o 異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：n組成組成p-n結(jié)的結(jié)的p型半導體和型半導體和n型半導體的基質(zhì)材料不同型半導體的基質(zhì)材料不同o 同型異質(zhì)結(jié)：同型異質(zhì)結(jié)：n由具有相同摻雜類型

20、的不同半導體材料構(gòu)成由具有相同摻雜類型的不同半導體材料構(gòu)成o 異型異質(zhì)結(jié)：異型異質(zhì)結(jié)：n由具有相反摻雜類型的不同半導體材料構(gòu)成由具有相反摻雜類型的不同半導體材料構(gòu)成同型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)異型異質(zhì)結(jié)異型異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)中同質(zhì)結(jié)中p區(qū)和區(qū)和n區(qū)區(qū)具有大致相等的禁帶具有大致相等的禁帶寬度寬度半導體雙異質(zhì)結(jié)半導體雙異質(zhì)結(jié) (double hetero structure)v 由兩層寬帶隙層材料和位于它們之間的窄帶隙由兩層寬帶隙層材料和位于它們之間的窄帶隙層材料組成層材料組成v 通常包含一個同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)通常包含一個同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)v 同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)

21、的能帶特性比較同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)的能帶特性比較平衡狀態(tài)下的能帶圖平衡狀態(tài)下的能帶圖 加正向偏置時能帶圖加正向偏置時能帶圖輻射復合主要發(fā)生在輻射復合主要發(fā)生在窄帶隙層，有源層。窄帶隙層，有源層。同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)具有更高的載流子注入具有更高的載流子注入效率和光場限制作用，效率和光場限制作用，因此具有更高的出光效因此具有更高的出光效率，被廣泛采用！率，被廣泛采用！雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)半導體異質(zhì)結(jié)半導體異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的作用：異質(zhì)結(jié)的作用：v 異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用v 異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用v 異質(zhì)結(jié)的高注入比異質(zhì)結(jié)的高注入比異質(zhì)結(jié)對光場的限制作用異質(zhì)

22、結(jié)對光場的限制作用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管的結(jié)構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)單量子阱結(jié)構(gòu)單量子阱結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的激光二極管，有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)，厚度約為現(xiàn)代的激光二極管，有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)，厚度約為10nm。多量子阱結(jié)構(gòu)多量子阱結(jié)構(gòu)量子阱作為有源區(qū)的幾點優(yōu)勢量子阱作為有源區(qū)的幾點優(yōu)勢 v量子阱外帶隙大，注入載流子被限制在量子阱外帶隙大，注入載流子被限制在qw區(qū)域產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。區(qū)域產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。由于量子阱很薄，注入電流密度比同質(zhì)結(jié)減少了由于量子阱很薄，注入電流密度比同質(zhì)結(jié)減少了1000倍。倍。v載流子被有效的捕捉進量子阱中，使其沒必要將摻雜物質(zhì)摻載流子被有效的捕捉進量子阱中，使其沒必要將摻雜

23、物質(zhì)摻雜到靠近結(jié)處。輻射復合的效率超過雜到靠近結(jié)處。輻射復合的效率超過90%，好的材料能達到，好的材料能達到接近接近100%。v低摻雜導致了很低的內(nèi)部損失。因此低摻雜導致了很低的內(nèi)部損失。因此qw結(jié)構(gòu)使長腔激光器結(jié)構(gòu)使長腔激光器有很高的外部效率。（增加腔長來減少熱效應和串聯(lián)電阻）有很高的外部效率。（增加腔長來減少熱效應和串聯(lián)電阻）v量子阱厚度為量子阱厚度為10nm。這樣的薄層允許材料的晶格常數(shù)。這樣的薄層允許材料的晶格常數(shù)gaas有一些失配。有一些失配。v將將ga的一部分換成的一部分換成in，波長將會達到，波長將會達到1100nm。引入的張力進。引入的張力進一步提高了態(tài)密度的分布，閾值電流密度

24、大概為一步提高了態(tài)密度的分布，閾值電流密度大概為200a/cm2。將將as換成換成p，波長范圍可擴展到，波長范圍可擴展到730nm。 幾種波長激光二極管的材料組份幾種波長激光二極管的材料組份處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射可大于受激吸收！可大于受激吸收！o 通過在通過在p-n結(jié)兩側(cè)加正向或反向偏壓可以獲得不同的光電特性！結(jié)兩側(cè)加正向或反向偏壓可以獲得不同的光電特性！o 正向偏置：勢壘削弱，多數(shù)載流子越過結(jié)區(qū)形成正向電流，部正向偏置：勢壘削弱，多數(shù)載流子越過結(jié)區(qū)形成正向電流，部分在耗盡區(qū)復合，復合速率分在耗盡區(qū)復合，復合速率產(chǎn)生速率，產(chǎn)生速率，可形成光增益！可形成光增益！電電致發(fā)光致

25、發(fā)光o 反向偏置：勢壘增強，少數(shù)載流子漂移難以形成足夠電流，但反向偏置：勢壘增強，少數(shù)載流子漂移難以形成足夠電流，但在外加光場作用下在外加光場作用下可形成較強光電流！可形成較強光電流！光電效應光電效應pn結(jié)的偏置結(jié)的偏置pnpn結(jié)光電效應結(jié)光電效應lightpn結(jié)光電效應結(jié)光電效應 當光子能量大于半導體的禁帶寬度時，在當光子能量大于半導體的禁帶寬度時，在pn結(jié)的耗盡結(jié)的耗盡區(qū)、區(qū)、p區(qū)和區(qū)和n區(qū)都將產(chǎn)生光生的電子區(qū)都將產(chǎn)生光生的電子-空穴對。空穴對。 在耗盡區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)電場的作用下，電子迅在耗盡區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)電場的作用下，電子迅速移向速移向n區(qū)，空穴迅速移向區(qū)，空穴迅速移向p

26、區(qū)，從而在回路中產(chǎn)生光區(qū)，從而在回路中產(chǎn)生光電流。電流。 在在p區(qū)和區(qū)和n區(qū)產(chǎn)生的光生載流子由于沒有內(nèi)電場的作用，區(qū)產(chǎn)生的光生載流子由于沒有內(nèi)電場的作用，只能進行自由擴散，大多數(shù)將被復合掉，而對光電流的只能進行自由擴散，大多數(shù)將被復合掉，而對光電流的貢獻很小。貢獻很小。 為了充分利用各區(qū)產(chǎn)生的光生載流子，通常在實際的為了充分利用各區(qū)產(chǎn)生的光生載流子，通常在實際的半導體的半導體的pn結(jié)上加有適當?shù)姆聪蚱珘?。結(jié)上加有適當?shù)姆聪蚱珘?。pnpn結(jié)光電效應結(jié)光電效應pn結(jié)電致發(fā)光結(jié)電致發(fā)光在在pn結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)勢壘降低為結(jié)勢壘降低為vd-v打破原來建立的平衡打破原來建立的平衡使得

27、使得p區(qū)和區(qū)和n區(qū)的費米能區(qū)的費米能級重發(fā)生分離，形成準級重發(fā)生分離，形成準費米能級費米能級eveepfnf外電場外電場耗盡區(qū)內(nèi)注入電子、空穴耗盡區(qū)內(nèi)注入電子、空穴輻射復合輻射復合發(fā)光發(fā)光pn結(jié)電致發(fā)光結(jié)電致發(fā)光當外加電壓滿足當外加電壓滿足gpfnfeeeev注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復合而產(chǎn)生光子的速注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導體中產(chǎn)生率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導體中產(chǎn)生光增益。光增益。發(fā)光二極管和激光器發(fā)光二極管和激光器第二章第二章 半導體激光器件半導體激光器件p半導體激光器的工作原理半導體激光器的工作原理p半導體

28、激光器的特性半導體激光器的特性（一）半導體激光器的工作原理（一）半導體激光器的工作原理一、半導體注入型激光器的工作原理一、半導體注入型激光器的工作原理1、半導體內(nèi)電子輻射躍遷的主要特點、半導體內(nèi)電子輻射躍遷的主要特點電子發(fā)生輻射躍遷需要具備幾個基本的條件電子發(fā)生輻射躍遷需要具備幾個基本的條件:p 電子在能帶間的輻射躍遷需要滿足能量守恒和動量守恒條件。電子在能帶間的輻射躍遷需要滿足能量守恒和動量守恒條件。輻射躍遷的動量選擇定則使得在間接帶隙材料中導帶底和價輻射躍遷的動量選擇定則使得在間接帶隙材料中導帶底和價帶頂之間的輻射躍遷必須有聲子的參與才能進行，這一要求帶頂之間的輻射躍遷必須有聲子的參與才能

29、進行，這一要求極大地降低了間接帶隙材料中的輻射躍遷幾率。極大地降低了間接帶隙材料中的輻射躍遷幾率。p 發(fā)生輻射躍遷的始態(tài)之間，始態(tài)上必須存在電子，同時相發(fā)生輻射躍遷的始態(tài)之間，始態(tài)上必須存在電子，同時相應的末態(tài)上必須存在空穴。應的末態(tài)上必須存在空穴。這一條件對受激吸收基本上沒這一條件對受激吸收基本上沒有影響，而對自發(fā)輻射和受激輻射則是至關重要的。有影響，而對自發(fā)輻射和受激輻射則是至關重要的。p 導帶和價帶內(nèi)導帶和價帶內(nèi)很高的電子和空穴態(tài)密度很高的電子和空穴態(tài)密度使得使得半導體能帶中可以半導體能帶中可以容納很高濃度的電子和空穴容納很高濃度的電子和空穴，從而獲得很大的自發(fā)輻射和受激，從而獲得很大的

30、自發(fā)輻射和受激輻射幾率，并提供較強的光增益作用。輻射幾率，并提供較強的光增益作用。p 處于同一能帶內(nèi)不同能量狀態(tài)上的載流子幾乎可以隨時維持其處于同一能帶內(nèi)不同能量狀態(tài)上的載流子幾乎可以隨時維持其能帶內(nèi)的局部平衡狀態(tài)。能帶內(nèi)的局部平衡狀態(tài)。p 半導體內(nèi)載流子可以通過自由擴散或漂移運動進行轉(zhuǎn)移半導體內(nèi)載流子可以通過自由擴散或漂移運動進行轉(zhuǎn)移。半導。半導體材料的這種特性使得可以通過簡單的直接電流注入對半導體體材料的這種特性使得可以通過簡單的直接電流注入對半導體激光器進行泵浦，產(chǎn)生非平衡載流子，并使材料處于粒子數(shù)反激光器進行泵浦，產(chǎn)生非平衡載流子，并使材料處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。p 半導體

31、內(nèi)原子之間以及注入載流子之間的相互作用放寬了電子半導體內(nèi)原子之間以及注入載流子之間的相互作用放寬了電子發(fā)生帶間輻射躍遷的選擇定則發(fā)生帶間輻射躍遷的選擇定則。使得輻射躍遷可以發(fā)生在導帶。使得輻射躍遷可以發(fā)生在導帶內(nèi)的大量電子和價帶內(nèi)的大量空穴之間。內(nèi)的大量電子和價帶內(nèi)的大量空穴之間。2. 2. 與普通二能級系統(tǒng)的區(qū)別：與普通二能級系統(tǒng)的區(qū)別：二、半導體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件二、半導體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件o 最簡單的半導體激光器的結(jié)構(gòu)最簡單的半導體激光器的結(jié)構(gòu)n 一個薄有源層（厚度約一個薄有源層（厚度約0.1m）+ p型型n型限制層型限制層n 屬于寬面激光器屬于寬面激光器o

32、注入型激光器，注入型激光器，injection laser解理解理面面金 屬 接金 屬 接觸觸電流電流有源有源層層p型型n型型300m100m200m半導體激光器的結(jié)構(gòu)半導體激光器的結(jié)構(gòu) 寬面激光器存在寬面激光器存在側(cè)向輻射和光限制問題。實際的激光側(cè)向輻射和光限制問題。實際的激光器采用了器采用了增益導引型增益導引型和和折射率導引型折射率導引型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。a) a) 增益導引型半導體激光器增益導引型半導體激光器 解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條里，稱為限制在一個窄條里，稱為條形半導體激光器條形半導體激光器，其結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將一

33、絕緣層介質(zhì)如圖所示。將一絕緣層介質(zhì)(sio2)淀積在淀積在p層上，中層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來實現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益來實現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益導引型半導體增益導引型半導體激光器激光器。 p-inpingaaspn-inpn+-inp襯底襯底p-ingaasp絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)增益導引型半導體激光器增益導引型半導體激光器 通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設計而形成的波導，引通過在側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設計而形成的波導，引入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問題，這種激光入折射率差，也可以解決在側(cè)向的光限制問題，這種激

34、光器稱為器稱為折射率導引型半導體激光器折射率導引型半導體激光器。p-inpingaasp有源層有源層n-inpn+-inp襯底襯底接點接點sio2sio2b） 折射率導引型半導體激光器折射率導引型半導體激光器ld產(chǎn)生激光輸出的三個基本條件：產(chǎn)生激光輸出的三個基本條件：v 泵浦源：泵浦源：電流注入實現(xiàn)電流注入實現(xiàn)v 光反饋：光反饋：解理面構(gòu)成諧振腔解理面構(gòu)成諧振腔v 諧振腔是在垂直于諧振腔是在垂直于p-n結(jié)的兩個端面上，按晶體的結(jié)的兩個端面上，按晶體的天然解理面切開而形成相當理想的反射鏡面構(gòu)成的天然解理面切開而形成相當理想的反射鏡面構(gòu)成的v 解理：晶體在外力作用下嚴格沿著一定結(jié)晶方向破解理：晶體

35、在外力作用下嚴格沿著一定結(jié)晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性質(zhì)稱為解理，這些平裂，并且能裂出光滑平面的性質(zhì)稱為解理，這些平面稱為解理面。面稱為解理面。v 增益介質(zhì)：增益介質(zhì)：p-n結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)閾值條件：閾值條件：v 光增益大于光損耗光增益大于光損耗產(chǎn)生激光的機理產(chǎn)生激光的機理 半導體激光器的核心是半導體激光器的核心是pn結(jié)，它與一般的半導體結(jié)，它與一般的半導體pn結(jié)的結(jié)的主要差別是：半導體激光器是高摻雜的，即主要差別是：半導體激光器是高摻雜的，即p型半導體中的型半導體中的空穴極多，空穴極多，n型半導體中的電子極多，因此，半導體激光器型半導體中的電子極多，因此，半導體激光器p-n結(jié)中的自建場很強，結(jié)

36、兩邊產(chǎn)生的電位差結(jié)中的自建場很強，結(jié)兩邊產(chǎn)生的電位差vd（勢壘）很（勢壘）很大。大。無外加電場時：無外加電場時：p區(qū)的能級比區(qū)的能級比n區(qū)高區(qū)高evd，并且，并且導帶底能級比價帶頂能級還要導帶底能級比價帶頂能級還要低，電子占據(jù)的可能性越大低，電子占據(jù)的可能性越大無外加電場無外加電場有外加電場有外加電場 當外加正向電壓時，當外加正向電壓時，p-n結(jié)勢壘降低。在電壓較高、電結(jié)勢壘降低。在電壓較高、電流足夠大時，流足夠大時，p區(qū)空穴和區(qū)空穴和n區(qū)電子大量擴散并向結(jié)區(qū)注入，區(qū)電子大量擴散并向結(jié)區(qū)注入，并在并在p-n結(jié)的空間電荷層附近，導帶與價帶之間形成粒子數(shù)結(jié)的空間電荷層附近，導帶與價帶之間形成粒子數(shù)

37、反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。激活區(qū)或有激活區(qū)或有源層源層 ld的工作原理的工作原理a.向半導體向半導體p-n結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，數(shù)反轉(zhuǎn)分布， p-n結(jié)即為激活區(qū)。結(jié)即為激活區(qū)。b.電子空穴對復合發(fā)光，初始的光場電子空穴對復合發(fā)光，初始的光場來源于自發(fā)輻射。來源于自發(fā)輻射。c.自發(fā)輻射光子進而引起受激輻射。自發(fā)輻射光子進而引起受激輻射。d.受激輻射光子通過反射鏡往返反射，受激輻射光子通過反射鏡往返反射，使受激輻射過程加劇，光得到放大。使受激輻射過程加劇，光得到放大。e.在反射系數(shù)小于在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出而的反射鏡中輸出而產(chǎn)生激光產(chǎn)生激光 只有外加足夠強的正電壓，注入足夠

38、大的電流，只有外加足夠強的正電壓，注入足夠大的電流，才能產(chǎn)生激光：否則，只能產(chǎn)生熒光。才能產(chǎn)生激光：否則，只能產(chǎn)生熒光。 曲線的轉(zhuǎn)折點對應于閾值電曲線的轉(zhuǎn)折點對應于閾值電流，是自發(fā)輻射和激光產(chǎn)生的分流，是自發(fā)輻射和激光產(chǎn)生的分界點，也是從發(fā)光二極管狀態(tài)到界點，也是從發(fā)光二極管狀態(tài)到激光二極管工作的過渡點。一旦激光二極管工作的過渡點。一旦激光開始，曲線斜率就變陡。激光開始，曲線斜率就變陡。發(fā)光二極管產(chǎn)生的光功率峰值發(fā)光二極管產(chǎn)生的光功率峰值最多是數(shù)百毫瓦量級；最多是數(shù)百毫瓦量級；激光二極管產(chǎn)生的光功率峰值激光二極管產(chǎn)生的光功率峰值國內(nèi)可達數(shù)百瓦，國外可達千國內(nèi)可達數(shù)百瓦，國外可達千瓦以上。瓦以上

39、。（二）（二） 半導體激光器的特性半導體激光器的特性一、伏安特性一、伏安特性 激光器的伏安特性與一般二極管相同，也具有單向?qū)Ъす馄鞯姆蔡匦耘c一般二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，其電阻主要取決于晶體電阻和接觸電阻，雖然阻值電性，其電阻主要取決于晶體電阻和接觸電阻，雖然阻值不大，但因工作電流大，不能忽視它的影響。不大，但因工作電流大，不能忽視它的影響。二、閾值電流二、閾值電流 使半導體激光器的增益等于損耗，開始產(chǎn)生激光的注入使半導體激光器的增益等于損耗，開始產(chǎn)生激光的注入電流密度叫閾值電流密度。電流密度叫閾值電流密度。影響閾值的因素：影響閾值的因素：p晶體的摻雜濃度越大，閾值越小；晶體的摻雜濃度越

40、大，閾值越小；p諧振腔的損耗越小，閾值越小。諧振腔的損耗越小，閾值越小。p在一定范圍內(nèi)，腔長越長，閾值越低；在一定范圍內(nèi)，腔長越長，閾值越低； p溫度對閾值電流的影響很大，因此，半溫度對閾值電流的影響很大，因此，半導體激光器宜在低溫或室溫下工作。導體激光器宜在低溫或室溫下工作。三、方向性三、方向性 由于半導體激光器的諧振腔由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，特別短小，激光方向性較差，特別是在是在pn結(jié)的結(jié)的垂直平面內(nèi)垂直平面內(nèi)，發(fā)，發(fā)散角很大，可達散角很大，可達200 300，在，在pn結(jié)的結(jié)的水平面水平面內(nèi)，發(fā)散角約內(nèi)，發(fā)散角約為為幾度。幾度。lp/l- pn結(jié)水平方向的尺寸結(jié)水平

41、方向的尺寸dv/2d- 有源區(qū)的厚度有源區(qū)的厚度 激光束的空間分布激光束的空間分布 激光束的空間分布用激光束的空間分布用近場近場和和遠場遠場來描述。來描述。 近場近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布；是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布； 遠場遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。 圖圖3.83.8是是gaalas-dhgaalas-dh激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔是由諧振腔( (有源區(qū)有源區(qū)) )的橫向尺寸，即平行于的橫向尺寸，即平行于pnpn結(jié)平面的寬度結(jié)平面的寬度w w和垂和垂直于結(jié)平面的厚度直于結(jié)平

42、面的厚度t t所決定，并稱為激光器的所決定，并稱為激光器的橫模橫模。 由圖由圖3.83.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w w由寬變窄，由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t t很很薄，這個方向的場圖總是薄，這個方向的場圖總是單橫模單橫模。 圖圖 3.8 gaalas-dh3.8 gaalas-dh條形激光器的近場和遠場圖樣條形激光器的近場和遠場圖樣 w 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 場 圖 樣0.1rad遠 場 圖 樣遠場特性遠場特性v 隨有源

43、區(qū)厚度及折射率差隨有源區(qū)厚度及折射率差的減小而減小。的減小而減小。v 隨有源區(qū)寬度的減小而隨有源區(qū)寬度的減小而增大。增大。v 減小有源區(qū)的寬度，可以使減小有源區(qū)的寬度，可以使遠場更趨向于圓形光斑。遠場更趨向于圓形光斑。v 減小有源區(qū)寬度可以使高階減小有源區(qū)寬度可以使高階模截止。模截止。 3.9 3.9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣 (a) (a) 光強的角分布；光強的角分布； (b) (b) 輻射光束輻射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080t 300 k輻 射 角 (度 )相 對 光 強(a)(b) 圖圖3.

44、93.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中和和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。橫截面呈橢圓形。四、光譜特性四、光譜特性熒光譜熒光譜激光譜激光譜幾十幾十nm幾幾nm發(fā)射波長和光譜特性發(fā)射波長和光譜特性 半導體激光器的半導體激光器的發(fā)射波長發(fā)射波長等于等于禁帶寬度禁帶寬度e eg g(ev)(ev) h hf = =e eg gggeehc24. 1 不同半導體材料有不同的不同半導體材料有不同的禁帶寬度禁帶寬度eg，因而有不同的，因而有不同的發(fā)射波長發(fā)射波長。 鎵鋁砷鎵

45、鋁砷-鎵砷鎵砷(gaalas-gaas)材料適用于材料適用于0.85 m波段波段 銦鎵砷磷銦鎵砷磷 - 銦磷銦磷(ingaasp-inp)材料適用于材料適用于1.3-1.55 m波段波段式中，式中，f=c/，f (hz)和和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3108 m/s為光速，為光速，h=6.62810-34js為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)， 1ev=1.610-19 j，代入上式得到，代入上式得到 在直流驅(qū)動下在直流驅(qū)動下， 發(fā)射光波長發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的只有符合激光振蕩的相位條件相位條件的的波長存在。這些波長取決于波長存在。這些波長取決于激光器縱向長

46、度激光器縱向長度l l，并稱為激光器的，并稱為激光器的縱縱模模。 驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。 這種變化是由于諧振腔對這種變化是由于諧振腔對光波頻率光波頻率和和方向方向的選擇，使的選擇，使邊模消邊模消失失、主模增益主模增益增加而產(chǎn)生的。增加而產(chǎn)生的。 當驅(qū)動電流足夠大時，當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模多縱模變?yōu)樽優(yōu)閱慰v模單縱模，這種激光器稱為，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器靜態(tài)單縱模激光器。 圖圖3.7(b)3.7(b)是是300 mb/s300 mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性。由圖可見，隨著數(shù)字調(diào)制的光譜特性。由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。 圖圖 3.7 gaalas-dh3.7 gaalas-dh激光器的光譜特性激光器的光譜特性 (a) (a) 直流驅(qū)動直流驅(qū)動; (b) 3