半导体激光器的原理

半 导 体 激 光 器S120600661 任 跃 功 主 要 内 容 第 一 章 半 导 体 的 基 础 知 识 第 二 章 半 导 体 激 光 器 的 原 理 第 三 章 半 导 体 激 光 器 的 发 展 、 运 用 第 一 章 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 能 带 理 论 ： 对 导 体 ， 半 导 体 ， 绝 缘 体 本 质 上 科学 区 分 的 理 论 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 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 ， 紧邻 其 下 的 满 电 子 因 其 中 的 电 子 全 是 价 电 子 ，称 为 价 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 。 这 些 电 子 有可 能 全 部 或 者 部 分 产 生 于 价 电 子 的 热 激 发 ，但 在 实 际 器 件 的 应 用 中 ， 它 们 主 要 来 自 于 外来 杂 质 满 带 电 子 不 导 电 理 论 导 体 、 半 导 体 、 绝 缘 体 能 带 理 论 讨 论 中 ， 认为 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=oK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 。 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 +4 +4+4 +4本 征 半 导 体 的 导 电 机 理 自 由 电 子空 穴 束 缚 电 子 掺 杂 半 导 体 ： 在 本 征 半 导 体 中 ， 掺 入 一 定 量 的 杂 质 元 素 ， 就成 为 杂 质 半 导 体 。 按 掺 入 的 杂 质 不 同 ， 杂 质 半 导 体 分 为 N型 和 P型两 种 。 若 掺 入 五 价 元 素 的 杂 质 (磷 、 锑 或 砷 等 )，则 可 使 晶 体 中 的 自 由 电 子 浓 度 大 大 增 加 ， 故 将这 种 杂 质 半 导 体 称 为 N型 半 导 体 ， 五 价 元 素 称为 施 主 杂 质 ， 起 施 主 作 用 。 若 掺 入 三 价 元 素 的 杂 质 (硼 、 嫁 、 铜 或 铝 等 )，则 可 使 晶 体 中 的 空 穴 浓 度 大 大 增 加 ， 故 将 这 种半 导 体 称 为 P型 型 半 导 体 ， 三 价 元 素 称 为 受 主杂 质 ， 起 受 主 作 用 。 实 际 半 导 体 几 乎 是 掺 杂 半 导 体 ， 其 载 流 子 密 度靠 掺 杂 浓 度 的 精 确 调 控 来 控 制 +4 +4+5 +4N型 半 导 体 多 余 电 子磷 原 子 +4 +4+3 +4空 穴 P型 半 导 体硼 原 子 半 导 体 pn结 原 理 独 处 的 n型 和 p型 半 导 体 依 靠 电 离 杂 质 和 少 数 载 流子 与 多 数 载 流 子 保 持 电 中 性 ， 但 当 这 两 块 半 导 体紧 密 结 合 成 pn结 时 ， 二 者 之 间 载 流 子 密 度 的 悬 殊差 异 引 起 空 穴 从 P区 向 n区 、 电 子 从 n区 向 p区 的扩 散 。 对 p区 ， 空 穴 离 开 后 留 下 了 不 可 动 的 带 负电 的 电 离 受 主 ， 这 些 电 离 受 主 没 有 正 电 荷 与 之 保持 电 中 性 ， 从 而 在 pn结 附 近 的 p型 侧 形 成 一 个 负的 空 间 电 荷 。 同 样 ， 电 子 的 扩 散 在 pn结 附 近 的 n型 侧 形 成 一 个 正 空 间 电 荷 区 导 体 中 只 有 自 由 电 子 一 种 载 流 子 ， 它 在电 场 作 用 下 产 生 定 向 的 漂 移 运 动 ， 形 成漂 移 电 流 。 而 半 导 体 中 有 自 由 电 子 和 空穴 两 种 载 流 子 ， 它 们 除 了 在 浓 度 差 的 作用 下 产 生 定 向 的 扩 散 运 动 ， 形 成 相 应 的扩 散 电 流 ， 还 会 在 电 场 作 用 下 形 成 漂 移电 流 。 P型 半 导 体 N型 半 导 体+ + + + + +扩 散 运 动内 电 场 E漂 移 运 动空 间 电 荷 区 PN结 处 载 流 子 的 运 动 扩 散 的 结 果 是 使 空 间 电荷 区 逐 渐 加 宽 ， 空 间 电荷 区 越 宽 。 漂 移 运 动P型 半 导 体 N型 半 导 体+ + + + + +扩 散 运 动内 电 场 EPN结 处 载 流 子 的 运 动内 电 场 越 强 ， 就 使 漂移 运 动 越 强 ， 而 漂 移使 空 间 电 荷 区 变 薄 。 扩 散 和 漂 移 这 一 对 相 反 的 运 动 最 终 达 到 平 衡 ， 相 当 于 两 个 区 之 间 没 有 电 荷 运 动 ，空 间 电 荷 区 的 厚 度 固 定 不 变 。 这 个 电 荷区 在 激 光 器 中 称 为 有 缘 区 PN结 正 向 偏 置 + 内 电 场外 电 场 变 厚P N+ _内 电 场 被 削 弱 ，多 子 的 扩 散 加 强能 够 形 成 较 大 的扩 散 电 流 PN结 反 向 偏 置 + 内 电 场外 电 场变薄 NP +_ 内 电 场 被 加 强 ，多 子 的 扩 散 受 抑制 。 少 子 漂 移 加强 ， 但 少 子 数 量有 限 ， 只 能 形 成较 小 的 反 向 电 流 稳 压 二 极 管 N型 和 P型 硅 本 身 就 是 一 种 导 体 ， 但 是 当 它 们以 如 图 方 式 组 合 在 一 起 的 时 候 却 不 会 传 导 任何 电 流 。 N型 硅 中 的 负 电 子 会 被 吸 引 到 电 池 的正 极 ， P型 硅 中 带 正 电 的 孔 则 会 被 吸 引 到 电 池的 负 极 ， 不 会 有 任 何 电 流 流 过 结 合 部 ， 如 果将 电 池 翻 转 过 来 ， 二 极 管 就 可 以 很 好 地 传 导电 流 了 。 N型 硅 中 的 自 由 电 子 受 电 池 负 极 的 排斥 ， P型 硅 中 的 孔 则 受 正 极 的 排 斥 。 孔 和 电 子在 N型 硅 和 P型 硅 的 结 合 部 相 遇 ， 电 子 会 填 充在 孔 中 ， 这 些 孔 和 自 由 电 子 便 会 消 失 ， 并 且会 有 新 的 孔 和 新 的 自 由 电 子 出 来 接 替 它 们 的位 置 ， 这 就 会 在 结 合 部 形 成 电 流 二 极 管 的 基 本 工 作 原 理 就 在 于 利 用 PN结 的 单 向 导 电性 这 一 主 要 特 征 半 导 体 激 光 器 定 义 ： 半 导 体 激 光 器 是 以 一 定 的 半 导 体 材料 做 为 工 作 物 质 而 产 生 受 激 发 射 作 用 的 器件 。 .其 工 作 原 理 是 通 过 一 定 的 激 励 方 式 ，在 半 导 体 物 质 的 能 带 （ 导 带 与 价 带 ） 之 间 ，或 者 半 导 体 物 质 的 能 带 与 杂 质 （ 受 主 或 施 主 ）能 级 之 间 ， 实 现 非 平 衡 载 流 子 的 粒 子 数 反 转 ，当 处 于 粒 子 数 反 转 状 态 的 大 量 电 子 与 空 穴 复合 时 ， 便 产 生 受 激 发 射 作 用 ， 产 生 激 光 。 半导 体 激 光 器 的 激 励 方 式 主 要 有 三 种 ， 即 电 注入 式 ， 光 泵 式 和 高 能 电 子 束 激 励 式 。 自 发 光 辐 射 和 受 激 光 辐 射 自 发 光 辐 射 （ 1） 电 子 不 受 任 何 外 界 的 作 用 而 自 发 地 从 高 能 态 E2 向 低 能 态 E1跃 迁 并 发 射 一 个 能 量 为 （ E2-E1） 的 光 子 ， 这 些 光 子位 相 和 传 播 方 向 各 不 相 同 。 （ 2） 当 给 器 件 加 正 向 偏 压 时 ， n区向 p区 注 入 电 子 ， p区 向 n区 注 入 空 穴 ， 在 结 合 区 电 子 和 空 穴 自 发地 复 合 形 成 电 子 -空 穴 对 ， 将 多 余 的 能 量 以 光 子 的 形 式 释 放 出 来 ，所 发 射 的 光 子 相 位 和 方 向 各 不 相 同 ， 这 种 辐 射 叫 做 自 发 辐 射 。 受 激 光 辐 射 （ 半 导 体 激 光 器 ） 电 子 在 光 辐 射 的 激 励 下 从 激 发 态 向基 态 跃 迁 的 辐 射 过 程 。 发 射 光 子 的 频 率 、 位 相 、 方 向 等 全 部 特 性与 入 射 光 子 完 全 相 同 。 如 果 激 励 光 子 原 本 就 是 由 能 级 E 2到 E1的 电子 跃 迁 过 程 产 生 的 ， 则 一 个 受 激 辐 射 过 程 同 时 发 射 两 个 同 频 率 、同 位 相 、 同 方 向 的 电 子 分 布 反 转 在 热 平 衡 下 ， 低 能 级 E1上 的 电 子 密 度 远 高 于 高 能级 E2上 的 电 子 密 度 ， 因 而 频 率 为 V12的 光 子 通 常在 能 级 E1和 E2之 间 引 起 光 的 吸 收 ， 然 后 ， 被 激 发到 E2的 电 子 又 自 发 跃 迁 回 E1， 发 射 出 最 多 不 超 过入 射 光 子 数 的 频 率 为 V12的 光 子 。 但 若 E2上 的 电子 密 度 大 于 E1的 电 子 密 度 ， 则 受 激 辐 射 光 子 数 就会 超 过 被 吸 收 的 光 子 数 ， 这 些 光 子 数 特 性 一 样 ，因 此 对 光 子 数 具 有 放 大 作 用 。 通 常 把 高 能 级 比 低能 级 电 子 密 度 高 的 反 常 情 况 称 为 分 布 反 转 。 分 布反 转 是 产 生 激 光 的 必 要 条 件 。 为 了 让 半 导 体 发 射激 光 ， 必 须 在 半 导 体 中 形 成 导 带 底 比 价 带 顶 电 子密 度 高 的 分 布 反 转 状 态 。 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 ，与 水 泵 提 升 水 到 平 面 一 样 ， 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 ” 。 半 导 体 激 光 器 一 般 采 用 pn结 正 向 注 入的 方 式 “ 泵 浦 ” 电 子 ， 因 此 我 们 主 要 讲 一 下pn结 激 光 器 原 理 结 型 激 光 器 结 构 示 意 图 为 了 能 够 有 效 地 通 过 注 入 式 “ 泵 浦 ”实 现 分 布 反 转 ， 其 p区 和 n区 都 必 须重 参 杂 。 然 后 ， 通 过 外 加 较 高 的 正向 偏 置 ， 形 成 分 布 反 转 区 ， 半 导 体pn结 激 光 器 的 分 布 反 转 区 一 般 很 薄 ，厚 度 只 有 1微 米 ， 却 是 激 光 器 的 核 心部 分 ， 称 为 有 缘 区 分 布 反 转 只 是 半 导 体 激 光 器 产 生 受 激 发 射 的必 要 条 件 ， 要 能 稳 定 发 射 激 光 ， 还 需 要 满 足其 他 条 件 。 首 先 ， 半 导 体 pn结 激 光 器 需 要 通过 自 身 的 自 发 辐 射 产 生 激 励 光 。 在 pn结 处 于正 向 偏 执 状 态 的 初 期 ， 其 有 源 区 中 大 量 注 入额 外 载 流 子 开 始 时 完 全 是 自 发 地 复 合 ， 引 起自 发 辐 射 ， 发 射 一 定 能 量 的 光 子 ， 但 这 些 光子 的 相 位 和 传 播 方 向 各 不 相 同 。 大 部 分 光 子会 穿 出 有 缘 区 ， 但 也 有 小 部 分 平 行 于 pn结 结平 面 方 向 传 播 ， 作 为 激 励 光 源 引 起 其 他 电 子 -空 穴 对 复 合 的 受 激 辐 射 ， 产 生 更 多 能 量 、 方向 相 同 的 电 子 ， 这 样 的 受 激 辐 射 随 着 注 入 电流 的 增 大 而 逐 渐 发 展 ， 形 成 高 强 度 的 光 ， 但还 不 是 相 干 光 。 必 须 需 要 共 振 腔 作 用 法 布 里 -珀 罗 共 振 腔 定 义 ： 用 垂 直 于 结 面 的 两 个 严 格 平 行 的 晶 体解 离 面 作 为 天 然 反 射 镜 面 当 一 定 频 率 的 受 激 发 射 沿 平 行 于 结 平 面 的 方向 在 反 射 面 间 来 回 反 射 且 最 终 形 成 两 列 方 向相 反 的 波 叠 加 时 ， 就 会 在 共 振 腔 形 成 驻 波 。（ 两 个 振 幅 、 波 长 、 周 期 皆 相 同 的 正 弦 波 相向 行 进 干 涉 而 成 的 合 成 波 ） 受 激 辐 射 在 共 振 腔 内 来 回 反 射 时 ， 也 会因 吸 收 、 散 射 及 反 射 面 透 射 等 损 耗 ， 不过 ， 注 入 电 流 则 会 使 有 源 区 内 的 受 激 辐射 不 断 增 强 ， 即 使 之 获 得 增 益 。 而 损 耗和 增 益 的 消 长 决 定 着 最 终 能 否 有 激 光 的发 射 。 我 们 把 增 益 等 于 损 耗 时 的 注 入 电 流 密 度称 为 阀 值 电 流 密 度 。 综 上 所 述 ， 半 导 体 激 光 器 要 能 正 常 工作 必 须 具 备 以 下 3个 基 本 条 件 ：1、 通 过 高 浓 度 参 杂 pn结 的 正 向 注 入形 成 载 流 子 分 布 发 转 ， 使 受 激 辐 射 占优 势2、 具 有 共 振 腔 ， 以 实 现 光 量 子 放 大3、 正 向 电 流 密 度 达 到 或 者 超 过 阀 值 ，即 增 益 至 少 等 于 损 耗 半 导 体 激 光 器 发 展 历 史 初 期 ： 半 导 体 激 光 器 是 同 质 结 型 激 光 器 ， 它 是 在 一 种材 料 上 制 作 的 pn结 二 极 管 在 正 向 大 电 流 注 入 下 ， 电子 不 断 地 向 p区 注 入 ， 空 穴 不 断 地 向 n区 注 入 .于 是 ，在 原 来 的 pn结 耗 尽 区 内 实 现 了 载 流 子 分 布 的 反 转 ，由 于 电 子 的 迁 移 速 度 比 空 穴 的 迁 移 速 度 快 ， 在 有 源 区发 生 辐 射 、 复 合 ， 发 射 出 荧 光 ， 在 一 定 的 条 件 下 发 生激 光 ， 这 是 一 种 只 能 以 脉 冲 形 式 工 作 的 半 导 体 激 光 器 . 半 导 体 激 光 器 发 展 的 第 二 阶 段 是 异 质 结 构 半 导 体 激 光器 ， 它 是 由 两 种 不 同 带 隙 的 半 导 体 材 料 薄 层 ， 如GaAs,GaAlAs所 组 成 ， 最 先 出 现 的 是 单 异 质 结 构 激光 器 （ 1969年 ） .单 异 质 结 注 入 型 激 光 是 利 用 异 质 结提 供 的 势 垒 （ 即 空 间 电 荷 区 化 学 势 ） 把 注 入 电 子 限 制在 GaAsP一 N结 的 P区 之 内 ， 以 此 来 降 低 阀 值 电 流 密度 ， 其 数 值 比 同 质 结 激 光 器 降 低 了 一 个 数 量 级 ， 但 单异 质 结 激 光 器 仍 不 能 在 室 温 下 连 续 工 作 . 20世 纪 70年 代 末 开 始 ， 半 导 体 激 光 器 明 显 向 着 两个 方 向 发 展 ， 一 类 是 以 传 递 信 息 为 目 的 的 信 息 型激 光 器 .另 一 类 是 以 提 高 光 功 率 为 目 的 的 功 率 型 激光 器 .在 泵 浦 固 体 激 光 器 等 应 用 的 推 动 下 ， 高 功 率半 导 体 激 光 器 （ 连 续 输 出 功 率 在 100W 以 上 ， 脉冲 输 出 功 率 在 5W以 上 ， 均 可 称 之 谓 高 功 率 半 导 体激 光 器 ） 在 20世 纪 90年 代 取 得 了 突 破 性 进 展 ， 其标 志 是 半 导 体 激 光 器 的 输 出 功 率 显 著 增 加 ， 国 外千 瓦 级 的 高 功 率 半 导 体 激 光 器 已 经 商 品 化 ， 国 内样 品 器 件 输 出 已 达 到 600W， 红 外 半 导 体 激 光 器 ，接 着 是 670nm红 光 半 导 体 激 光 器 大 量 进 入 应 用 ，波 长 为 650nm,635nm的 问 世 ， 蓝 绿 光 、 蓝 光 半 导体 激 光 器 的 相 继 研 制 成 功 ， 半 导 体 激 光 器 由 于体 积 小 、 重 量 轻 、 运转 可 靠 、 耗 电 少 、 效率 高 等 优 点 广 泛 使 用于 光 纤 通 信 、 光 盘 、激 光 打 印 机 、 激 光 扫描 器 、 激 光 指 示 器（ 激 光 笔 ） ， 军 事 领域 ,如 激 光 制 导 跟 踪 、激 光 雷 达 、 激 光 引 信 、光 测 距 、 激 光 通 信 电源 、 激 光 模 拟 武 器 等 。半 导 体 激 光 器 实 际 运 用