半导体激光器的工作原理

根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。

一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。

半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。

半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：

（1）要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；

（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；

（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

半导体激光器的结构和工作原理分析

现以砷化镓(GaAs)激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。

1.注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。

(1)半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带(对应较低能量)。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

(2)掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

有施主能级的半导体称为n型半导体有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为(2-5)× 1018cm-1p型为(1-3)×1019cm-1。

在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

(3)p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大(如30000A/cm2)。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

2.半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。

一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。

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.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器.

---