半導(dǎo)體激光器件課件

第三章半導(dǎo)體激光器件第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件第三章半導(dǎo)體激光器件第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)

半導(dǎo)體概念與分類

各類半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體中光與電子相互作用機(jī)理

半導(dǎo)體光電器件基礎(chǔ)—PN結(jié)第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)半導(dǎo)體概念與分類各類半導(dǎo)體的能3.1.1半導(dǎo)體概念與分類何謂半導(dǎo)體物體分類導(dǎo)體—

導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級(jí)，如金屬絕緣體—

導(dǎo)電率為10-22-10-14s.cm-1量級(jí)，如：橡膠、云母、塑料等?！?/p>

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體器件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性熱敏器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢光照特性光敏器件光電器件3.1.1半導(dǎo)體概念與分類何謂半導(dǎo)體物體分類導(dǎo)體—主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe主要半導(dǎo)體材料★IV族半導(dǎo)體材料一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個(gè)9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。常用本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價(jià)帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價(jià)帶中留下的空位稱為空穴禁帶EG外電場E自由電子定向移動(dòng)形成電子流束縛電子填補(bǔ)空穴的定向移動(dòng)形成空穴流本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+41.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出現(xiàn)的2.在外電場的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的與外電場方向相反自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)空穴流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的與外電場方向相同始終在價(jià)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)由此我們可以看出：本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EG能帶結(jié)構(gòu)自由電子價(jià)電子與空穴費(fèi)米能級(jí)Ef本征半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EG能帶結(jié)構(gòu)自由電子價(jià)電子與空穴費(fèi)米能級(jí)Ef費(fèi)米能級(jí)Ef當(dāng)T=0K時(shí)，電子占據(jù)E>Ef的狀態(tài)的幾率為零。當(dāng)T>0K時(shí)，電子占據(jù)Ef的狀態(tài)的幾率為1/2。本征半導(dǎo)體-能帶結(jié)構(gòu)Ef本征半導(dǎo)體空穴電子導(dǎo)帶中的電子絕大多數(shù)位于導(dǎo)帶的底部；價(jià)帶中的空穴絕大部分位于價(jià)帶的頂部。費(fèi)米能級(jí)Ef當(dāng)T=0K時(shí)，電子占據(jù)E>Ef的狀態(tài)的幾率為零當(dāng)T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中央；溫度升高，費(fèi)米能級(jí)略偏向?qū)б环健?/p>

溫度對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響本征半導(dǎo)體-能帶結(jié)構(gòu)Ec、E—導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)mp、me—導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾娮雍涂昭ǖ挠行з|(zhì)量當(dāng)T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中央；溫度對(duì)費(fèi)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入的三價(jià)元素如B、Al、In等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體摻入的五價(jià)元素如P、Se等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻入的三價(jià)元素1.N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)自由電子是多子空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子在本征半導(dǎo)體中摻入的五價(jià)元素如P1.N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半導(dǎo)體++++++++N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半導(dǎo)體+++價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)EfEfEfN型半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)EfEfEfN型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3價(jià)帶導(dǎo)帶-------受主能級(jí)自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價(jià)元素如B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3價(jià)帶導(dǎo)帶----+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體--------P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體---雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級(jí)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級(jí)P型半導(dǎo)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)★本征半導(dǎo)體★N型半導(dǎo)體★P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)★本征半導(dǎo)體★N型半導(dǎo)體★P型半導(dǎo)電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EfEfEf電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體能帶中的載流子★導(dǎo)帶底的電子態(tài)密度：★價(jià)帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度：由量子力學(xué)理論而來能帶中的載流子★導(dǎo)帶底的電子態(tài)密度：★價(jià)帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度能帶中的載流子★導(dǎo)帶中電子濃度：★價(jià)帶中的空穴濃度：能帶中的載流子★導(dǎo)帶中電子濃度：★價(jià)帶中的空穴濃度：直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體能帶---波矢圖直接帶隙間接帶隙直接帶隙材料中電子躍遷滿足能量和動(dòng)量守恒！具有更高的躍遷幾率（近100%）！間接帶隙材料中的電子躍遷必須由聲子介入實(shí)現(xiàn)！躍遷選擇定則:躍遷的始末態(tài)應(yīng)具有相同的波矢直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體能帶---波矢圖直接帶隙間接帶隙直接主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe----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----用于可見光和遠(yuǎn)紅外光電子器件間接帶隙主要半導(dǎo)體材料★IV族半導(dǎo)體材料----用于集成電路、光導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射h=E2-E1>Eg光子密度()隨時(shí)間的變化率:愛因斯坦系數(shù)，為能態(tài)電子的平均壽命導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射h=E2-半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1h光子密度()隨時(shí)間的變化率:受激吸收半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1h光子密度()導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射h光子密度()隨時(shí)間的變化率:hh導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射h光子密度半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶自發(fā)輻射受激吸收受激輻射半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶自發(fā)輻射受激非平衡載流子與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電流注入，★非平衡載流子的產(chǎn)生：外場激發(fā)后果：半導(dǎo)體的總平衡被打破。但導(dǎo)帶和價(jià)帶會(huì)很快形成局部平衡而形成自身的費(fèi)米能級(jí)。★準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)導(dǎo)帶：價(jià)帶：EfEfEfvEfcEfcEfcEfvEfvEf非平衡載流子非平衡載流子I型（本征）半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體非平衡載流子與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電流注入，★非平衡載流子的產(chǎn)生：半導(dǎo)體中的光增益★產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率>受激吸收速率粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導(dǎo)體中的光增益★產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率>受激吸收速PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小內(nèi)電場內(nèi)電內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移我們一起作個(gè)總結(jié)PN結(jié)形成內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)基本概念擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動(dòng)少子向?qū)Ψ狡疲七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層?；靖拍顢U(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散，漂移運(yùn)動(dòng)少子VDPN結(jié)的接觸電位內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢差VD，稱為接觸勢壘接觸電位VD決定于材料及摻雜濃度硅：VD=0.7鍺：VD=0.2VDPN結(jié)的接觸電位內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢差

如果兩種材料的費(fèi)米能級(jí)不同，就會(huì)在兩種材料的分界面上發(fā)生電荷的擴(kuò)散而產(chǎn)生接觸電勢差，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使兩種材料的費(fèi)米能級(jí)逐漸趨于一致，建立起新的熱平衡態(tài)，達(dá)到平衡時(shí)，形成新的統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。如果兩種材料的費(fèi)米能級(jí)不同，就會(huì)在兩種材料的分界35同質(zhì)結(jié)：組成P-N結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的基質(zhì)材料相同異質(zhì)結(jié)：組成P-N結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的基質(zhì)材料不同同型異質(zhì)結(jié)：由具有相同摻雜類型的不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成異型異質(zhì)結(jié)：由具有相反摻雜類型的不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成同型異質(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)中P區(qū)和N區(qū)具有大致相等的禁帶寬度35同質(zhì)結(jié)：同型異質(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)中P區(qū)和36半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)(DoubleHeteroStructure)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通常包含一個(gè)同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)36半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)(DoubleHeteroStruc37同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)的能帶特性比較平衡狀態(tài)下的能帶圖加正向偏置時(shí)能帶圖輻射復(fù)合主要發(fā)生在窄帶隙層，有源層。同質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)具有更高的載流子注入效率和光場限制作用，因此具有更高的出光效率，被廣泛采用！雙異質(zhì)結(jié)37同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)的能帶特性比較平衡狀態(tài)下的能帶圖加38處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射可大于受激吸收！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！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(fù)合，復(fù)合速率>產(chǎn)生速率，可形成光增益！——電致發(fā)光反向偏置：勢壘增強(qiáng)，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可形成較強(qiáng)光電流！——光電效應(yīng)PN結(jié)的偏置38處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射可大于受激吸收！通過在P-N結(jié)兩側(cè)PN結(jié)光電效應(yīng)LightPN結(jié)光電效應(yīng)LightPN結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，在PN結(jié)的耗盡區(qū)、P區(qū)和N區(qū)都將產(chǎn)生光生的電子-空穴對(duì)。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N區(qū)，空穴迅速移向P區(qū)，從而在回路中產(chǎn)生光電流。在P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，只能進(jìn)行自由擴(kuò)散，大多數(shù)將被復(fù)合掉，而對(duì)光電流的貢獻(xiàn)很小。

為了充分利用各區(qū)產(chǎn)生的光生載流子，通常在實(shí)際的半導(dǎo)體的PN結(jié)上加有適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘骸N結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，在PN結(jié)的耗PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)電致發(fā)光在PN結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)勢壘降低為VD-V打破原來建立的平衡使得P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)重發(fā)生分離，形成準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)外電場—耗盡區(qū)內(nèi)注入電子、空穴—輻射復(fù)合—發(fā)光PN結(jié)電致發(fā)光在PN結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)勢壘降低為VD-V打PN結(jié)電致發(fā)光當(dāng)外加電壓滿足注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復(fù)合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對(duì)光子的吸收速率，從而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光增益。發(fā)光二極管和激光器PN結(jié)電致發(fā)光當(dāng)外加電壓滿足注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復(fù)第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性幾種典型的半導(dǎo)體激光器第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件半導(dǎo)體激光器的工作原理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理一、半導(dǎo)體注入型激光器的工作原理1、半導(dǎo)體內(nèi)電子輻射躍遷的主要特點(diǎn)電子發(fā)生輻射躍遷需要具備幾個(gè)基本的條件:電子在能帶間的輻射躍遷需要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒條件。輻射躍遷的動(dòng)量選擇定則使得在間接帶隙材料中導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的輻射躍遷必須有聲子的參與才能進(jìn)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．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(shí)相應(yīng)的末態(tài)上必須存在空穴。這一條件對(duì)受激吸收基本上沒有影響，而對(duì)自發(fā)輻射和受激輻射則是至關(guān)重要的。3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理一、半導(dǎo)體注入型激光器的3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)很高的電子和空穴態(tài)密度使得半導(dǎo)體能帶中可以容納很高濃度的電子和空穴，從而獲得很大的自發(fā)輻射和受激輻射幾率，并提供較強(qiáng)的光增益作用。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(shí)維持其能帶內(nèi)的局部平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體內(nèi)載流子可以通過自由擴(kuò)散或漂移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。半導(dǎo)體材料的這種特性使得可以通過簡單的直接電流注入對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)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)。半導(dǎo)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。使得輻射躍遷可以發(fā)生在導(dǎo)帶內(nèi)的大量電子和價(jià)帶內(nèi)的大量空穴之間。2.與普通二能級(jí)系統(tǒng)的區(qū)別：3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)很高的電子和二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理最簡單的半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）+P型＋N型限制層屬于寬面激光器注入型激光器，InjectionLaser解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件3.2.1半導(dǎo)48LD產(chǎn)生激光輸出的三個(gè)基本條件：泵浦源：電流注入實(shí)現(xiàn)光反饋：解理面構(gòu)成諧振腔諧振腔是在垂直于P-N結(jié)的兩個(gè)端面上，按晶體的天然解理面切開而形成相當(dāng)理想的反射鏡面構(gòu)成的解理：晶體在外力作用下嚴(yán)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,這些平面稱為解理面增益介質(zhì)：P-N結(jié)區(qū)閾值條件：光增益大于光損耗3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理48LD產(chǎn)生激光輸出的三個(gè)基本條件：3.2.1半導(dǎo)體激光產(chǎn)生激光的機(jī)理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)，它與一般的半導(dǎo)體PN結(jié)的主要差別是：半導(dǎo)體激光器是高摻雜的，即p型半導(dǎo)體中的空穴極多，n型半導(dǎo)體中的電子極多，因此，半導(dǎo)體激光器p-n結(jié)中的自建場很強(qiáng)，結(jié)兩邊產(chǎn)生的電位差VD（勢壘）很大。無外加電場時(shí)：p區(qū)的能級(jí)比n區(qū)高eVD，并且導(dǎo)帶底能級(jí)比價(jià)帶頂能級(jí)還要低，電子占據(jù)的可能性越大產(chǎn)生激光的機(jī)理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理無外加電場有外加電場

當(dāng)外加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)勢壘降低。在電壓較高、電流足夠大時(shí)，p區(qū)空穴和n區(qū)電子大量擴(kuò)散并向結(jié)區(qū)注入，并在p-n結(jié)的空間電荷層附近，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激活區(qū)或有源層二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件無外加電場有外加電場當(dāng)外加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)勢51LD的工作原理向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，P-N結(jié)即為激活區(qū)電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光，初始的光場來源于自發(fā)輻射自發(fā)輻射光子進(jìn)而引起受激輻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，光得到放大在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出而產(chǎn)生激光半導(dǎo)體激光器的工作原理51LD的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件

只有外加足夠強(qiáng)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。

曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)于閾值電流，是自發(fā)輻射和激光產(chǎn)生的分界點(diǎn)，也是從發(fā)光二極管狀態(tài)到激光二極管工作的過渡點(diǎn)。一旦激光開始，曲線斜率就變陡。發(fā)光二極管產(chǎn)生的光功率峰值最多是數(shù)百毫瓦量級(jí)；激光二極管產(chǎn)生的光功率峰值國內(nèi)可達(dá)數(shù)百瓦，國外可達(dá)千瓦以上。二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件只有外3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性一、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)щ娦裕潆娮柚饕Q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。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性一、伏安特性激光器3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性二、閾值電流

使半導(dǎo)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。影響閾值的因素有：晶體的摻雜濃度越大，閾值越??；諧振腔的損耗越小，閾值越小。在一定范圍內(nèi)，腔長越長，閾值越低；溫度對(duì)閾值電流的影響很大，因此，半導(dǎo)體激光器宜在低溫或室溫下工作。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性二、閾值電流使半導(dǎo)體激3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性三、方向性

由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，特別是在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角很大，可達(dá)200–300，在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角約為幾度。l-結(jié)水平方向的尺寸d-有源區(qū)的厚度3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性三、方向性由于半導(dǎo)體激3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性四、光譜特性熒光譜激光譜幾十nm幾nm3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性四、光譜特性熒光譜激光譜幾十n3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性五、轉(zhuǎn)換效率

注入式半導(dǎo)體激光器是一種把電功率直接轉(zhuǎn)換為光功率的器件，轉(zhuǎn)換效率極高。轉(zhuǎn)換效率通常用量子效率和功率效率量度。1.量子效率通常P>>Pth實(shí)際上量子效率對(duì)應(yīng)于輸出功率于正向電流關(guān)系曲線中閾值以上線性范圍內(nèi)的斜率。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性五、轉(zhuǎn)換效率注入式3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性五、轉(zhuǎn)換效率2.功率效率V是PN結(jié)上的電壓降，Rs是激光器串聯(lián)電阻（包括材料電阻和接觸電阻）。由于激光器的工作電流較大，電阻功耗很大，所以在室溫下的功率效率只有百分之幾。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性五、轉(zhuǎn)換效率2.功率效率V是第三節(jié)典型的半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)激光器異質(zhì)結(jié)激光器分布反饋（DFB）激光器垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器第三節(jié)典型的半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)激光器3.3.1同貭結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體材料都是GaAs,所形成的p-n結(jié)為同質(zhì)結(jié)(HOS)

加上正向偏壓時(shí)，電子向p-n結(jié)注入，并在偏向p區(qū)一側(cè)的激活區(qū)內(nèi)復(fù)合輻射;當(dāng)正向偏壓較大時(shí)，考慮到空穴注入，激活區(qū)變寬。激活區(qū)的折射率略高于p區(qū)和n區(qū)，“光波導(dǎo)效應(yīng)”不明顯，光波在激活區(qū)內(nèi)傳播時(shí)，有嚴(yán)重的衍射損失。3.3.1同貭結(jié)半導(dǎo)體激光器p型半導(dǎo)體和n型半

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x104～5104A/cm2，這樣高的電流密度，將使器件發(fā)熱。3.3.1同貭結(jié)半導(dǎo)體激光器

同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器難于在室溫下連續(xù)工作，而只能低重復(fù)率（幾kHz～幾十kHz)脈沖工作。同質(zhì)結(jié)激光器幾乎無法實(shí)用化，結(jié)構(gòu)需改進(jìn)！同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的闡值電流密度很高，達(dá)3x3.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SHL）

單異質(zhì)結(jié)是由p-GaAs與p-GaAlAs形成的。施加正向偏壓時(shí)，電子由n區(qū)注入p-GaAS,由于異質(zhì)結(jié)高勢壘的限制，激活區(qū)厚度d2m；因p-GaAlAs折射率小，“光波導(dǎo)效應(yīng)”顯著，將光波傳輸限制在激活區(qū)內(nèi)。閾值電流密度降低了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，約8000A/cm2。窄帶隙有源材料被夾在寬帶隙的材料之間形成3.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(SH3.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DHL）

施加正向偏壓時(shí),激活區(qū)內(nèi)注入的電子和空穴，由于兩側(cè)高勢壘的限制，深度劇增，激活區(qū)厚度變窄，d=0.5m。由于激活區(qū)兩側(cè)折射率差都很大，“光波導(dǎo)效應(yīng)作非常顯著，使光波傳輸損耗大大減小。閾值電流密度更低，可降到(102一103)A/cm2。當(dāng)采用GaAs和GaAlAs量子阱材料制作激光器時(shí)，閾值電流密度下降到幾A/cm2。目前，這種激光器已成為極為重要的、實(shí)用化的相干光源。3.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器一、雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH正向偏置時(shí)雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對(duì)比64中間的窄帶隙層對(duì)載流子形成了很好的限制作用正向偏置的同質(zhì)結(jié)正向偏置的雙異質(zhì)結(jié)窄帶隙層一般還具有比較高的折射率，光波導(dǎo)效應(yīng)明顯正向偏置時(shí)雙異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)載流子分布的對(duì)比64中間的窄帶隙層3.3.3分布反饋（DFB）激光器動(dòng)態(tài)單縱模激光器：在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。分布反饋半導(dǎo)體激光器：在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期光柵構(gòu)成的。光柵結(jié)構(gòu)制作在限制層中3.3.3分布反饋（DFB）激光器動(dòng)態(tài)單縱模激光器：在高DFB激光器與普通激光器的對(duì)比DFB激光器的光譜寬度大約為普通型激光器的1/10左右色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為10Gb/s的超高速傳輸DFB激光器與普通激光器的對(duì)比DFB激光器的光譜寬度大約為普3.3.4垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical-cavitysurface-emittinglaser）諧振腔的腔鏡由折射率不同的物質(zhì)層交錯(cuò)堆積而成從垂直于半導(dǎo)體薄片的方向發(fā)射激光，使激光束的截面成為圓形，減小了激光束的發(fā)散角，克服了原來從半導(dǎo)體側(cè)面發(fā)光的缺點(diǎn)。能夠在同一塊板上集成一百萬只小激光器，其激發(fā)電流僅1mA。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器3.3.4垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射激光器（V3.3.4垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣的差別：制造方法、臨界大小以及光束發(fā)射方向和形狀。用集成電路技術(shù)，每一個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器可以做得很小，最小可到1m,而每一個(gè)邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器最小也有50m.邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器3.3.4垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器與邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器第三章半導(dǎo)體激光器件第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件第三章半導(dǎo)體激光器件第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)

半導(dǎo)體概念與分類

各類半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體中光與電子相互作用機(jī)理

半導(dǎo)體光電器件基礎(chǔ)—PN結(jié)第一節(jié)半導(dǎo)體能帶論基礎(chǔ)半導(dǎo)體概念與分類各類半導(dǎo)體的能3.1.1半導(dǎo)體概念與分類何謂半導(dǎo)體物體分類導(dǎo)體—

導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級(jí)，如金屬絕緣體—

導(dǎo)電率為10-22-10-14s.cm-1量級(jí)，如：橡膠、云母、塑料等。—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體器件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性熱敏器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢光照特性光敏器件光電器件3.1.1半導(dǎo)體概念與分類何謂半導(dǎo)體物體分類導(dǎo)體—主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe主要半導(dǎo)體材料★IV族半導(dǎo)體材料一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個(gè)9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。常用本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價(jià)帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價(jià)帶中留下的空位稱為空穴禁帶EG外電場E自由電子定向移動(dòng)形成電子流束縛電子填補(bǔ)空穴的定向移動(dòng)形成空穴流本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+41.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出現(xiàn)的2.在外電場的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的與外電場方向相反自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)空穴流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的與外電場方向相同始終在價(jià)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)由此我們可以看出：本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EG能帶結(jié)構(gòu)自由電子價(jià)電子與空穴費(fèi)米能級(jí)Ef本征半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶EG能帶結(jié)構(gòu)自由電子價(jià)電子與空穴費(fèi)米能級(jí)Ef費(fèi)米能級(jí)Ef當(dāng)T=0K時(shí)，電子占據(jù)E>Ef的狀態(tài)的幾率為零。當(dāng)T>0K時(shí)，電子占據(jù)Ef的狀態(tài)的幾率為1/2。本征半導(dǎo)體-能帶結(jié)構(gòu)Ef本征半導(dǎo)體空穴電子導(dǎo)帶中的電子絕大多數(shù)位于導(dǎo)帶的底部；價(jià)帶中的空穴絕大部分位于價(jià)帶的頂部。費(fèi)米能級(jí)Ef當(dāng)T=0K時(shí)，電子占據(jù)E>Ef的狀態(tài)的幾率為零當(dāng)T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中央；溫度升高，費(fèi)米能級(jí)略偏向?qū)б环健?/p>

溫度對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響本征半導(dǎo)體-能帶結(jié)構(gòu)Ec、E—導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)mp、me—導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾娮雍涂昭ǖ挠行з|(zhì)量當(dāng)T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中央；溫度對(duì)費(fèi)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入的三價(jià)元素如B、Al、In等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體摻入的五價(jià)元素如P、Se等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻入的三價(jià)元素1.N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)自由電子是多子空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子在本征半導(dǎo)體中摻入的五價(jià)元素如P1.N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半導(dǎo)體++++++++N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半導(dǎo)體+++價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)EfEfEfN型半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)EfEfEfN型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3價(jià)帶導(dǎo)帶-------受主能級(jí)自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價(jià)元素如B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3價(jià)帶導(dǎo)帶----+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體--------P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體---雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級(jí)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級(jí)P型半導(dǎo)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)★本征半導(dǎo)體★N型半導(dǎo)體★P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)★本征半導(dǎo)體★N型半導(dǎo)體★P型半導(dǎo)電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EfEfEf電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體能帶中的載流子★導(dǎo)帶底的電子態(tài)密度：★價(jià)帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度：由量子力學(xué)理論而來能帶中的載流子★導(dǎo)帶底的電子態(tài)密度：★價(jià)帶頂?shù)目昭☉B(tài)密度能帶中的載流子★導(dǎo)帶中電子濃度：★價(jià)帶中的空穴濃度：能帶中的載流子★導(dǎo)帶中電子濃度：★價(jià)帶中的空穴濃度：直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體能帶---波矢圖直接帶隙間接帶隙直接帶隙材料中電子躍遷滿足能量和動(dòng)量守恒！具有更高的躍遷幾率（近100%）！間接帶隙材料中的電子躍遷必須由聲子介入實(shí)現(xiàn)！躍遷選擇定則:躍遷的始末態(tài)應(yīng)具有相同的波矢直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體能帶---波矢圖直接帶隙間接帶隙直接主要半導(dǎo)體材料★

IV族半導(dǎo)體材料

----硅Si，鍺Ge★

III-V族化合物半導(dǎo)體材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP★

II-VI族化合物半導(dǎo)體材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe----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----用于可見光和遠(yuǎn)紅外光電子器件間接帶隙主要半導(dǎo)體材料★IV族半導(dǎo)體材料----用于集成電路、光導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射h=E2-E1>Eg光子密度()隨時(shí)間的變化率:愛因斯坦系數(shù)，為能態(tài)電子的平均壽命導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射h=E2-半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1h光子密度()隨時(shí)間的變化率:受激吸收半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1h光子密度()導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射h光子密度()隨時(shí)間的變化率:hh導(dǎo)帶E2價(jià)帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射h光子密度半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶自發(fā)輻射受激吸收受激輻射半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶自發(fā)輻射受激非平衡載流子與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電流注入，★非平衡載流子的產(chǎn)生：外場激發(fā)后果：半導(dǎo)體的總平衡被打破。但導(dǎo)帶和價(jià)帶會(huì)很快形成局部平衡而形成自身的費(fèi)米能級(jí)?！餃?zhǔn)費(fèi)米能級(jí)導(dǎo)帶：價(jià)帶：EfEfEfvEfcEfcEfcEfvEfvEf非平衡載流子非平衡載流子I型（本征）半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體非平衡載流子與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電流注入，★非平衡載流子的產(chǎn)生：半導(dǎo)體中的光增益★產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率>受激吸收速率粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導(dǎo)體中的光增益★產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率>受激吸收速PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小內(nèi)電場內(nèi)電內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移我們一起作個(gè)總結(jié)PN結(jié)形成內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)基本概念擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動(dòng)少子向?qū)Ψ狡?，漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層?；靖拍顢U(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散，漂移運(yùn)動(dòng)少子VDPN結(jié)的接觸電位內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢差VD，稱為接觸勢壘接觸電位VD決定于材料及摻雜濃度硅：VD=0.7鍺：VD=0.2VDPN結(jié)的接觸電位內(nèi)電場的建立，形成接觸電勢差

如果兩種材料的費(fèi)米能級(jí)不同，就會(huì)在兩種材料的分界面上發(fā)生電荷的擴(kuò)散而產(chǎn)生接觸電勢差，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使兩種材料的費(fèi)米能級(jí)逐漸趨于一致，建立起新的熱平衡態(tài)，達(dá)到平衡時(shí)，形成新的統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。如果兩種材料的費(fèi)米能級(jí)不同，就會(huì)在兩種材料的分界103同質(zhì)結(jié)：組成P-N結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的基質(zhì)材料相同異質(zhì)結(jié)：組成P-N結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的基質(zhì)材料不同同型異質(zhì)結(jié)：由具有相同摻雜類型的不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成異型異質(zhì)結(jié)：由具有相反摻雜類型的不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成同型異質(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)中P區(qū)和N區(qū)具有大致相等的禁帶寬度35同質(zhì)結(jié)：同型異質(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)中P區(qū)和104半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)(DoubleHeteroStructure)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通常包含一個(gè)同型異質(zhì)結(jié)和異型異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)36半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)(DoubleHeteroStruc105同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)的能帶特性比較平衡狀態(tài)下的能帶圖加正向偏置時(shí)能帶圖輻射復(fù)合主要發(fā)生在窄帶隙層，有源層。同質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)具有更高的載流子注入效率和光場限制作用，因此具有更高的出光效率，被廣泛采用！雙異質(zhì)結(jié)37同質(zhì)結(jié)與雙異質(zhì)結(jié)的能帶特性比較平衡狀態(tài)下的能帶圖加106處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射可大于受激吸收！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！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(fù)合，復(fù)合速率>產(chǎn)生速率，可形成光增益！——電致發(fā)光反向偏置：勢壘增強(qiáng)，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可形成較強(qiáng)光電流！——光電效應(yīng)PN結(jié)的偏置38處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，受激輻射可大于受激吸收！通過在P-N結(jié)兩側(cè)PN結(jié)光電效應(yīng)LightPN結(jié)光電效應(yīng)LightPN結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，在PN結(jié)的耗盡區(qū)、P區(qū)和N區(qū)都將產(chǎn)生光生的電子-空穴對(duì)。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N區(qū)，空穴迅速移向P區(qū)，從而在回路中產(chǎn)生光電流。在P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，只能進(jìn)行自由擴(kuò)散，大多數(shù)將被復(fù)合掉，而對(duì)光電流的貢獻(xiàn)很小。

為了充分利用各區(qū)產(chǎn)生的光生載流子，通常在實(shí)際的半導(dǎo)體的PN結(jié)上加有適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘骸N結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，在PN結(jié)的耗PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)電致發(fā)光在PN結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)勢壘降低為VD-V打破原來建立的平衡使得P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)重發(fā)生分離，形成準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)外電場—耗盡區(qū)內(nèi)注入電子、空穴—輻射復(fù)合—發(fā)光PN結(jié)電致發(fā)光在PN結(jié)兩端外加正向偏壓結(jié)勢壘降低為VD-V打PN結(jié)電致發(fā)光當(dāng)外加電壓滿足注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復(fù)合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對(duì)光子的吸收速率，從而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光增益。發(fā)光二極管和激光器PN結(jié)電致發(fā)光當(dāng)外加電壓滿足注入耗盡區(qū)的電子和空穴通過輻射復(fù)第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的特性幾種典型的半導(dǎo)體激光器第二節(jié)半導(dǎo)體激光器件半導(dǎo)體激光器的工作原理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理一、半導(dǎo)體注入型激光器的工作原理1、半導(dǎo)體內(nèi)電子輻射躍遷的主要特點(diǎn)電子發(fā)生輻射躍遷需要具備幾個(gè)基本的條件:電子在能帶間的輻射躍遷需要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒條件。輻射躍遷的動(dòng)量選擇定則使得在間接帶隙材料中導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的輻射躍遷必須有聲子的參與才能進(jìn)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．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(shí)相應(yīng)的末態(tài)上必須存在空穴。這一條件對(duì)受激吸收基本上沒有影響，而對(duì)自發(fā)輻射和受激輻射則是至關(guān)重要的。3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理一、半導(dǎo)體注入型激光器的3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)很高的電子和空穴態(tài)密度使得半導(dǎo)體能帶中可以容納很高濃度的電子和空穴，從而獲得很大的自發(fā)輻射和受激輻射幾率，并提供較強(qiáng)的光增益作用。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(shí)維持其能帶內(nèi)的局部平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體內(nèi)載流子可以通過自由擴(kuò)散或漂移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。半導(dǎo)體材料的這種特性使得可以通過簡單的直接電流注入對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)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)。半導(dǎo)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。使得輻射躍遷可以發(fā)生在導(dǎo)帶內(nèi)的大量電子和價(jià)帶內(nèi)的大量空穴之間。2.與普通二能級(jí)系統(tǒng)的區(qū)別：3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)很高的電子和二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理最簡單的半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）+P型＋N型限制層屬于寬面激光器注入型激光器，InjectionLaser解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件3.2.1半導(dǎo)116LD產(chǎn)生激光輸出的三個(gè)基本條件：泵浦源：電流注入實(shí)現(xiàn)光反饋：解理面構(gòu)成諧振腔諧振腔是在垂直于P-N結(jié)的兩個(gè)端面上，按晶體的天然解理面切開而形成相當(dāng)理想的反射鏡面構(gòu)成的解理：晶體在外力作用下嚴(yán)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,這些平面稱為解理面增益介質(zhì)：P-N結(jié)區(qū)閾值條件：光增益大于光損耗3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理48LD產(chǎn)生激光輸出的三個(gè)基本條件：3.2.1半導(dǎo)體激光產(chǎn)生激光的機(jī)理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)，它與一般的半導(dǎo)體PN結(jié)的主要差別是：半導(dǎo)體激光器是高摻雜的，即p型半導(dǎo)體中的空穴極多，n型半導(dǎo)體中的電子極多，因此，半導(dǎo)體激光器p-n結(jié)中的自建場很強(qiáng)，結(jié)兩邊產(chǎn)生的電位差VD（勢壘）很大。無外加電場時(shí)：p區(qū)的能級(jí)比n區(qū)高eVD，并且導(dǎo)帶底能級(jí)比價(jià)帶頂能級(jí)還要低，電子占據(jù)的可能性越大產(chǎn)生激光的機(jī)理3.2.1半導(dǎo)體激光器的工作原理無外加電場有外加電場

當(dāng)外加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)勢壘降低。在電壓較高、電流足夠大時(shí)，p區(qū)空穴和n區(qū)電子大量擴(kuò)散并向結(jié)區(qū)注入，并在p-n結(jié)的空間電荷層附近，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激活區(qū)或有源層二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件無外加電場有外加電場當(dāng)外加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)勢119LD的工作原理向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，P-N結(jié)即為激活區(qū)電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光，初始的光場來源于自發(fā)輻射自發(fā)輻射光子進(jìn)而引起受激輻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，光得到放大在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出而產(chǎn)生激光半導(dǎo)體激光器的工作原理51LD的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件

只有外加足夠強(qiáng)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。

曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)于閾值電流，是自發(fā)輻射和激光產(chǎn)生的分界點(diǎn)，也是從發(fā)光二極管狀態(tài)到激光二極管工作的過渡點(diǎn)。一旦激光開始，曲線斜率就變陡。發(fā)光二極管產(chǎn)生的光功率峰值最多是數(shù)百毫瓦量級(jí)；激光二極管產(chǎn)生的光功率峰值國內(nèi)可達(dá)數(shù)百瓦，國外可達(dá)千瓦以上。二、半導(dǎo)體注入型激光器的基本結(jié)構(gòu)和閾值條件只有外3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性一、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)щ娦?，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。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性一、伏安特性激光器3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性二、閾值電流

使半導(dǎo)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。影響閾值的因素有：晶體的摻雜濃度越大，閾值越??；諧振腔的損耗越小，閾值越小。在一定范圍內(nèi)，腔長越長，閾值越低；溫度對(duì)閾值電流的影響很大，因此，半導(dǎo)體激光器宜在低溫或室溫下工作。3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性二、閾值電流使半導(dǎo)體激3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性三、方向性

由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，特別是在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角很大，可達(dá)200–300，在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角約為幾度。l-結(jié)水平方向的尺寸d-有源區(qū)的厚度3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性三、方向性由于半導(dǎo)體激3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性四、光譜特性熒光譜激光譜幾十nm幾nm3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性四、光譜特性熒光譜激光譜幾十n3.2.2半導(dǎo)體激光器的特性五、轉(zhuǎn)換效率

注入式半導(dǎo)體激光器是一種把電功率直接轉(zhuǎn)換為光功率的器件，轉(zhuǎn)換效率極高。轉(zhuǎn)換效率通常用量子