半導(dǎo)體激光器的原理

半導(dǎo)體激光器的原理第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一主要內(nèi)容第一章半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識第二章半導(dǎo)體激光器的原理第三章半導(dǎo)體激光器的發(fā)展、運用第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第一章半導(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)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（是否有缺陷）等內(nèi)部條件十分敏感的物質(zhì)。（1）當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。（2）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。（3）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)電能力第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一能帶理論：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，認為是準連續(xù)的，即形成能帶電子總是先填充低能級，0K時，價帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒有電子第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一在絕對零度時，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，緊鄰其上的空帶因為在在非零溫度下出現(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)，但在實際器件的應(yīng)用中，它們主要來自于外來雜質(zhì)第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一滿帶電子不導(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)率還沒有貢獻。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。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體：在熱力學(xué)溫度T=0K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，不存在自由運動的電子。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能量，從而掙脫共價鍵的束縛，離開原子而成為自由電子，同時，在共價鍵中留下了相同數(shù)量的空位，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。其中自由電子和空位稱為載流子，半導(dǎo)體是依靠自由電子和空穴兩種載流子導(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)體稱為本征半導(dǎo)體。

導(dǎo)帶電子和價帶空穴相等是本征半導(dǎo)體的主要特點第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子空穴束縛電子第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一摻雜半導(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N型和P型兩種。若摻入五價元素的雜質(zhì)(磷、銻或砷等)，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N型半導(dǎo)體，五價元素稱為施主雜質(zhì)，起施主作用。若摻入三價元素的雜質(zhì)(硼、嫁、銅或鋁等)，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P型型半導(dǎo)體，三價元素稱為受主雜質(zhì)，起受主作用。實際半導(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)控來控制第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體pn結(jié)原理獨處的n型和p型半導(dǎo)體依靠電離雜質(zhì)和少數(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)的擴散。對p區(qū)，空穴離開后留下了不可動的帶負電的電離受主，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)形成一個負的空間電荷。同樣，電子的擴散在pn結(jié)附近的n型側(cè)形成一個正空間電荷區(qū)第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子，它在電場作用下產(chǎn)生定向的漂移運動，形成漂移電流。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用下產(chǎn)生定向的擴散運動，形成相應(yīng)的擴散電流，還會在電場作用下形成漂移電流。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。這個電荷區(qū)在激光器中稱為有緣區(qū)第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變薄NP+_內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)壓二極管第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一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極，不會有任何電流流過結(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極的排斥，P型硅中的孔則受正極的排斥?？缀碗娮釉贜型硅和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PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一半導(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，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(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。

第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一自發(fā)光輻射和受激光輻射自發(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)E2向低能態(tài)E1躍遷并發(fā)射一個能量為（E2-E1）的光子，這些光子位相和傳播方向各不相同。（2）當(dāng)給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在結(jié)合區(qū)電子和空穴自發(fā)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，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）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、方向等全部特性與入射光子完全相同。如果激勵光子原本就是由能級E2到E1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、同位相、同方向的電子第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一分布反轉(zhuǎn)

在熱平衡下，低能級E1上的電子密度遠高于高能級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)。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一要在半導(dǎo)體中實現(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)示意圖第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一為了能夠有效地通過注入式“泵浦”實現(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)第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一分布反轉(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，這樣的受激輻射隨著注入電流的增大而逐漸發(fā)展，形成高強度的光，但還不是相干光。必須需要共振腔作用第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一法布里-珀羅共振腔定義：用垂直于結(jié)面的兩個嚴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干涉而成的合成波）第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一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，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。第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一綜上所述，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，以實現(xiàn)光量子放大3、正向電流密度達到或者超過閥值，即增益至少等于損耗第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一半導(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工作的半導(dǎo)體激光器.半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs,GaAlAs所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器（1969年）.單異質(zhì)結(jié)注入型激光是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘（即空間電荷區(qū)化學(xué)勢）把