1、2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器半导体激光器半导体激光器2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器主要内容：主要内容： 一、半导体激光器的能级（带）和一、半导体激光器的能级（带）和P-N结结二、同质结半导体激光器的基本结构二、同质结半导体激光器的基本结构三、半导体激光器的工作过程三、半导体激光器的工作过程四、半导体激光形成的条件四、半导体激光形成的条件五、异质结半导体激光器五、异质结半导体激光器 2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 一、半导体激光器的能级（带）和一、半导体激光器的能级（带）和P-N结结下图为半导
2、体、绝缘体和金属中的电子的能级图。下图为半导体、绝缘体和金属中的电子的能级图。特点：特点：半导体半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带，导带中的电子在外场作用下运动而参与导电；带，导带中的电子在外场作用下运动而参与导电；绝绝缘体缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差；性很差；金属金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。导体没有禁带，可显示很强的导电性。半导体半导体绝缘体绝缘体金属金属2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器禁带禁带价带价带导带导带Ef电电子子能能量量导带：导带：电
3、子能量大，处于自由状态。电子能量大，处于自由状态。费米能级费米能级Ef：描述电子能量状态分布的描述电子能量状态分布的假想能级，在费米能级被电子和空穴假想能级，在费米能级被电子和空穴占据的几率相等。占据的几率相等。 Ef以下的能级，电以下的能级，电子占据的可能性大于子占据的可能性大于1/2，空穴占据的，空穴占据的可能性小于可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴以上的能级，空穴占据的可能性大于占据的可能性大于1/2，电子占据的可，电子占据的可能性小于能性小于1/2。1. 半导体的能带。半导体的能带。价带（满带）：价带（满带）：电子能量较小，具有的能量不足以挣脱原子核的电子能量较小，具有的能量不足
4、以挣脱原子核的束缚。这种由价电子所形成的能带称为价带，叫价带。束缚。这种由价电子所形成的能带称为价带，叫价带。禁带：禁带：在价带和导带之间，是由子所不能具有的能量值。在价带和导带之间，是由子所不能具有的能量值。能带：能带：晶体中原子间相互作用，导致能级分裂。由于原子数目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，认为是准连续分布的，叫做巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续分布的，叫做能带。能带。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。电子总是先填充低能
5、级，价带中填满了电子，而导带中没有电子。体共有。电子总是先填充低能级，价带中填满了电子，而导带中没有电子。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器几种半导体的能带和电子分布：几种半导体的能带和电子分布： (a) (a) 本征半导体；本征半导体； (b) N(b) N型半导体；型半导体； (c) P(c) P型半导体型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导 带价 带能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)电电子子浓浓度度空空穴穴浓浓度度在在纯硅基纯硅基半导体材料中，硅电子受到激励跃迁到导带，导致半导体材料中，硅电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对
6、出现。电子和空穴成对出现。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 在热力学温度为在热力学温度为0K和没有外界影响的条件下，半导体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，从而挣脱了共价键的束缚，离开原外界获得足够的能量，从而挣脱了共价键的束缚，离开原子而成为子而成为自由电子自由电子，就是电子被激发到导带。同时，在共，就是电子被激发到导带。同时，在共价键中留下了相同
7、数量的价键中留下了相同数量的空穴空穴，这种现象称为，这种现象称为本征激发本征激发。价带中电子价带中电子激发激发至导带，留下空穴。至导带，留下空穴。临近临近电子填补这个空电子填补这个空穴，又留下另一个穴，又留下另一个空穴空穴。空穴产生位移。空穴产生位移，称为载流子。，称为载流子。本征半导体：本征半导体：把主要依靠把主要依靠本征激发本征激发获得载流子的半获得载流子的半导体称为导体称为本征半导体本征半导体。半导体是依靠半导体是依靠自由电子自由电子和和空穴空穴两种载流子导电的物两种载流子导电的物质。质。自由电子自由电子（- -）、）、空穴空穴（+ +）称为）称为载流子载流子。2.3 半导体半导体激光器
8、激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2. 费米统计费米统计（1）在一个由）在一个由N个电子构成的物质系统中，任何两个电子构成的物质系统中，任何两个电子都不能具有相同的能量。即在一个能级上不个电子都不能具有相同的能量。即在一个能级上不可能有两个以上的电子。可能有两个以上的电子。（2）在上述物质系统中，能级）在上述物质系统中，能级E上被一个电子占上被一个电子占据的概率为：据的概率为： 11fE EKTf Ee上式说明能量值小于费米能级的每个能级上面基本上都有一个上式说明能量值小于费米能级的每个能级上面基本上都有一个电子，而电子，而大于费米能级能量的能级，电子存在的可能性很小大于费米能级能量的能级
9、，电子存在的可能性很小。,()0fEEf E,()1fEEf E本征半导体本征半导体导带导带中：中：本征半导体本征半导体价带价带中：中：2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 导带所有能级都高于费米能级，所以整个导带所有能级都高于费米能级，所以整个本征本征半导体导带上电子是很少半导体导带上电子是很少的（很少有电子具有的（很少有电子具有导带能量）。导带能量）。 价带所有能级都低于费米能级，所以电子基本价带所有能级都低于费米能级，所以电子基本上都处于价带中上都处于价带中（价带也就很少有空穴）（价带也就很少有空穴）。本征半导体的本征半导体的导电机理导电机理2.3 半导体半导
10、体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器3. 高掺杂半导体。高掺杂半导体。掺杂使费米能级升高或下降。掺杂使费米能级升高或下降。（1）在半导体）在半导体GaAs中掺入三价元中掺入三价元素的杂质（硼、嫁、铜和铝），素的杂质（硼、嫁、铜和铝），可使晶体中空穴浓度大大增加。可使晶体中空穴浓度大大增加。这种半导体称为这种半导体称为P型半导体型半导体。三价。三价元素称为受主杂质。元素称为受主杂质。将使这半导体中的费米能级下降，将使这半导体中的费米能级下降，甚至降到价带里面去。甚至降到价带里面去。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（2）在）在GaAs中掺入五价元素的中掺入
11、五价元素的杂质（磷、碲、砷），则可使晶杂质（磷、碲、砷），则可使晶体中的自由电子的浓度大大增加，体中的自由电子的浓度大大增加，这种杂质半导体称为这种杂质半导体称为N型半导体型半导体。这将使费米能级上升，甚至上升这将使费米能级上升，甚至上升到导带中去。到导带中去。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器4. PN结结（1）结合。）结合。把一块把一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体结型半导体结合在一起组成合在一起组成PN结。结。（2）扩散。）扩散。P型半导体中空穴多，型半导体中空穴多，N型半导体中型半导体中自由电子多，一旦它们连在一起就要发生扩散，自由电子多，一旦它
12、们连在一起就要发生扩散，电子从电子从N型半导体向型半导体向P型半导体扩散，型半导体扩散，P型的空穴型的空穴向向N型扩散。型扩散。在半导体中有两种载流子，即自由电子和空穴。在半导体中有两种载流子，即自由电子和空穴。他们在浓度差的作用下产生定向的他们在浓度差的作用下产生定向的扩散运动扩散运动。形。形成相应的成相应的扩散电流扩散电流。自由电子和空穴还会在电场作用下形成漂移电流。自由电子和空穴还会在电场作用下形成漂移电流。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器扩散和漂移这一对相反的扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡。运动最终达到平衡。即在即在两个区之间没有电荷运动两个区之
13、间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定，空间电荷区的厚度固定不变。这个电荷区在激光不变。这个电荷区在激光器中称为器中称为有缘区有缘区。（3）自建场的建立）自建场的建立当两种材料接触时，过剩电子当两种材料接触时，过剩电子和空穴分别由和空穴分别由N区和区和P区向对方区向对方扩散，空穴和电子相遇而复合，扩散，空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的子，却有分布在空间的带电的固定的杂质离子，由于物质结固定的杂质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移动，构的原因，它们不能任意移动，称为空间电荷
14、区。称为空间电荷区。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器有静电荷的出现就要形成电场，电场是从正电荷指向负电荷，有静电荷的出现就要形成电场，电场是从正电荷指向负电荷，这样的电场叫自建场（即势垒）。这样的电场叫自建场（即势垒）。0V2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器在在PN结形成过程中，空间电荷区的两边的结形成过程中，空间电荷区的两边的E f逐渐接近，逐渐接近，直到扩散停止时两者相等，如图所示。此时空间电荷区直到扩散停止时两者相等，如图所示。此时空间电荷区形成电压形成电压V0，从，从N区指向区指向P区，相当一个高势垒，从而区，相当一个高势垒
15、，从而阻止扩散继续进行，在没有外电场的情况下，上述过程阻止扩散继续进行，在没有外电场的情况下，上述过程很快结束，扩散停止。很快结束，扩散停止。P型区型区N型区型区(EF)P(EF)N(EF)N(EF)PPN结的能带结构变化结的能带结构变化2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器在在PN结区出现二条斜结区出现二条斜线：上边一条的意义是：线：上边一条的意义是：在导带最低的能量处如在导带最低的能量处如果一个电子从果一个电子从P区走向区走向N区，它所遇到的电位区，它所遇到的电位空间分布越来越低，空间分布越来越低，低低0再低再低，但它的位能却越来越大；但它的位能却越来越大；下边一
16、条则表示在价带下边一条则表示在价带中最高能量的电子在空中最高能量的电子在空间的能量分布。这个斜间的能量分布。这个斜坡就是一个电位的强势坡就是一个电位的强势垒。垒。PNPN结能带结能带2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器二、同质结半导体激光器的基本结构二、同质结半导体激光器的基本结构1、一块一块P型半导体型半导体 。通过掺杂使空穴数目大通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）2、一块一块N型半导体型半导体 。通过掺杂使电子数目大通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te
17、）解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P P型型N N型型300m100m100m200m200m介质膜反射层介质膜反射层激光激光2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器3、P型半导体和型半导体和N型半导体接触的附近的一个小型半导体接触的附近的一个小区叫区叫P-N结结区。区。 4、解理面解理面。相对地有两个，两个解理面平行，。相对地有两个，两个解理面平行，构成一个谐振腔。构成一个谐振腔。 5、导线。导线。电流从电流从“”的一端流向的一端流向“-”的一端。的一端。工作过程：工作过程：电流从电流从“”极进入，从负极出。激极进入，从负极出。激光从解理面射出。光从解
18、理面射出。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器三、半导体激光器的工作过程三、半导体激光器的工作过程1. 当当P-N结加正向偏置电压时（结加正向偏置电压时（P加正电压，加正电压，N加加负电压），势垒降低，引起电子和空穴扩散。负电压），势垒降低，引起电子和空穴扩散。（1）外场是由）外场是由P区指向区指向N区，外场正电压将大部抵区，外场正电压将大部抵消结区消结区P型半导体的负电位；外场负电压将大部抵型半导体的负电位；外场负电压将大部抵消结区消结区N型半导体的正电位。型半导体的正电位。0VPNPN结能带结能带2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（
19、2）这样，结区两边的电位差大大降低了。即结区）这样，结区两边的电位差大大降低了。即结区斜度下降，又导致在斜度下降，又导致在PN结区电子的位能远大于空穴结区电子的位能远大于空穴位能。位能。（3）此外，电子又重新由）此外，电子又重新由N向向P运动。运动。2. 电子、空穴在电子、空穴在PN结区相遇，导带电子的能量大于价结区相遇，导带电子的能量大于价带空穴能量，复合时，电子把多余的那部分能量释放带空穴能量，复合时，电子把多余的那部分能量释放出来形成光辐射。出来形成光辐射。3. 在反射镜的反馈下（即二解理面），光形成激光。在反射镜的反馈下（即二解理面），光形成激光。hEE导带底价带顶2.3 半导体半导体
20、激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器四、半导体激光形成的条件四、半导体激光形成的条件1. 半导体必须是高掺杂的，半导体必须是高掺杂的，N区的掺杂使费米能级区的掺杂使费米能级进入导带，进入导带，P区的掺杂使费米能级进入价带。区的掺杂使费米能级进入价带。2. 在在P-N结上加的正向电压必须足够高，以便使结区结上加的正向电压必须足够高，以便使结区空穴位能大大低于电子位能，这是形成空穴位能大大低于电子位能，这是形成“粒子数反粒子数反转转”的条件。的条件。 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器五、异
21、质结半导体激光器五、异质结半导体激光器 1、同质结、同质结GaAs激光器的缺点激光器的缺点就是要使这样的激光器工作需要注入很大电流，阈值就是要使这样的激光器工作需要注入很大电流，阈值电流为电流为3000050000安培安培/cm2。而一个如上激光器供。而一个如上激光器供电面积电面积0.15mm9.3mm=0.00045cm2，在这么小表面，在这么小表面上要注入上要注入22.5安培的电流才能发光。安培的电流才能发光。造成这么大电流注入的原因造成这么大电流注入的原因 ：（1）发光区域）发光区域d太宽。太宽。（2）在有源区，光有衍射损失。一旦加在）在有源区，光有衍射损失。一旦加在PN结上的电结上的电
22、流等于或超过阈值电流，激光就形成了。光实际上并不流等于或超过阈值电流，激光就形成了。光实际上并不限于有源区，而要向有源区两侧（即无源区）衍射，在限于有源区，而要向有源区两侧（即无源区）衍射，在无源区中光只能被吸收，使电子从价带跑到导带中去。无源区中光只能被吸收，使电子从价带跑到导带中去。2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2、 双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器 双异质结的概念：双异质结的概念：这种结构由这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构的光波长。结构中间中间有一层厚有一层厚0.1-
23、0.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导体，型半导体，称为称为有源层；有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P型和型和N型半导体，称为型半导体，称为限制限制层。层。三层半导体置于三层半导体置于基片基片(衬底衬底)上，前后两个晶体解理面作为反上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里射镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。 2.3 半导体半导体激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器半导体激光器的特点：半导体激光器的特点：体积小，效率高、寿命长、体积小，效率高、寿命长、功率大，成本低，波长范围宽。它是激光光纤通功率大，成本低，波长范围宽。它是激光光纤通讯的重要光源。目前已在光存储、光陀螺、激光讯的重要光源。目前已在光存储、光陀螺、激光打印、测距、光雷达、医疗等方面有着广泛的打印、测距、光雷达、医疗等方面有着广泛的应用。应用。
