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1、半导体激光器的原理 第1页，本讲稿共35页主要内容主要内容第一章第一章 半导体的基础知识半导体的基础知识第二章第二章 半导体激光器的原理半导体激光器的原理第三章 半导体激光器的发展、运用第2页，本讲稿共35页第一章 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。有缺陷）等内部条件十分敏感的物质。（1 1）当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的
2、作用时，它的导电能力明显变化。力明显变化。（2 2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。（3 3）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价键环境，改变其导电能力键环境，改变其导电能力第3页，本讲稿共35页能带理论：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
3、电子第4页，本讲稿共35页第5页，本讲稿共35页在绝对零度时，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第6页，本讲稿共35页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
4、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。第7页，本讲稿共35页本征半导体和掺杂半导体 本征半导体本征半导体：在热力学温度在热力学温度T=0K和没有外界影响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，从而挣脱些共价
5、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，离开原子而成为共价键的束缚，离开原子而成为自由电子自由电子，同时，在，同时，在共价键中留下了相同数量的共价键中留下了相同数量的空位空位，这种现象称为，这种现象称为本征激本征激发发。其中。其中自由电子自由电子和和空位空位称为称为载流子载流子，半导体是依靠，半导体是依靠自自由电子和空穴由电子和空穴两种载流子导电的物质，把主要依靠本征激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发获得载流子的半导体称为本征半导体。本征半导体。导带导带电子电子和价带和价带空穴空穴相等是本征半导体的主要特点相等是本征半导体的主要特点第8页，本讲稿
6、共35页+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子第9页，本讲稿共35页掺杂半导体：在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。成为杂质半导体。按掺入的杂质不同，杂质半导体分为按掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型型和和P型型两种。若掺入两种。若掺入五价元素五价元素的杂质的杂质(磷、锑或砷磷、锑或砷等等)，则可使晶体中的自由电子浓度大大增加，故，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将这种杂质半导体称为N型半导体，型半导体，五价元素五价元素称为称为施主杂质，起施主作用施主
7、杂质，起施主作用。若掺入若掺入三价元素三价元素的杂质的杂质(硼、嫁、铜或铝硼、嫁、铜或铝等等)，则可使晶体中的空穴浓度大大增加，故将这种则可使晶体中的空穴浓度大大增加，故将这种半导体称为半导体称为P型型半导体，型型半导体，三价元素称为三价元素称为受主受主杂质，起受主作用杂质，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靠掺杂浓度的精确调控来控制第10页，本讲稿共35页+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子第11页，本讲稿共35页+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子第12页，本讲稿
8、共35页半导体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第13页，本讲稿共35页导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作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
9、穴两种载流子，它们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，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形成相应的扩散电流，还会在电场作用下形成漂移电流。漂移电流。第14页，本讲稿共35页P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动第15页，本讲稿共35页扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运
10、动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。第16页，本讲稿共35页 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平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，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区在激光器中称为有缘区第17页，本讲稿共35页PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加多子的扩散加强强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流扩散电流第1
11、8页，本讲稿共35页PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变变薄薄NP+_内电场被加强，内电场被加强，多子的扩散受多子的扩散受抑制。少子漂抑制。少子漂移加强，但少移加强，但少子数量有限，子数量有限，只能形成较小只能形成较小的反向电流的反向电流第19页，本讲稿共35页稳压二极管稳压二极管第20页，本讲稿共35页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，
12、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二极管的基本工作原理就在于利用PN结的单向导电性这结的单向导电性这一主要特征一主要特征第21页，本讲稿共35页半导体激光器半导体激光器 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
13、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。第22页，本讲稿共35页自发光辐射和受激光辐射自发光辐射和受激光辐射自发光辐射自发光辐射（1）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态E2 向低能态向低能态E1跃迁并发射一个能量为（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）的光子，这些光子位相和传播方向各不相同。（各不相同。（2）当给器件加正向偏压时，）当给器件加正向偏压时，n区向区向p区注入电子，区注入电子，p区区向向n区注入空穴，在结合区电子和空穴自发地复合形
14、成电子区注入空穴，在结合区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，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。不相同，这种辐射叫做自发辐射。受激光辐射（半导体激光器）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。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如果激励光子原本就是由能级E2到到E1的电子跃迁过程产生的，则
15、一个受激辐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、同方向的电子射过程同时发射两个同频率、同位相、同方向的电子第23页，本讲稿共35页 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
16、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。第24页，本讲稿共35页 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第25页，本讲稿共35页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
17、1微米，却是激光器的核心部分，称为有缘区第26页，本讲稿共35页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第
18、27页，本讲稿共35页法布里-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）第28页，本讲稿共35页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。第29页，本讲稿共35页综上所述，半导体激光器要能正常工作必须具备以下3
19、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第30页，本讲稿共35页 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
20、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.第31页，本讲稿共35页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
21、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第32页，本讲稿共35页，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第33页，本讲稿共35页第34页，本讲稿共35页第35页，本讲稿共35页