5.4半導(dǎo)體激光器

1、5.4.1 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，因此這彼此十分接近的N個能級好象形成一個連續(xù)的帶，稱之為能帶，見圖(5-23)。 圖(5-23) 固體的能帶2. 純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導(dǎo)帶組成，如圖(5-24)。 圖(5-24) 本征半導(dǎo)體的能帶3.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為 5.4.1 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)

2、系。為了說明問題，圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。 2.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足 圖(5-25) 費(fèi)米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1. P-N結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu) 把P型和N型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個費(fèi)米能級呢？ 未加電場時，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級必然達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。 圖(5-26) PN能帶在P-N結(jié)上加以正向電壓V時，形成結(jié)區(qū)的兩個費(fèi)米能級 和 ，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級，如圖(5-27)。 圖(5-27) 正向電壓V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 5.4.2 PN結(jié)和粒子

3、數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級來計算 價帶頂電子占據(jù)幾率則為 在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是1. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖(5-28) GaAs激光器的結(jié)構(gòu)5.4.3 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 圖(5-28)示出了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。 2. 半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件 激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件 增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì) 3.半導(dǎo)體激光器的閾值電流 5.4

4、.3 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡 5.4.4 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 圖(5-29) GaAs激光器的伏安特性伏安特性: 與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖(529)所示。 閾值電流密度: 影響閾值的因素很多 方向性: 圖(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。 圖(5-30) 激光束的空間分布示意圖 5.4.4 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達(dá)到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。 圖(5-31) GaAs激光器的發(fā)射光譜5.4.4 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 外微分量子效率: 功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比 2. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:單異質(zhì)結(jié)器件結(jié)