1、第三章第三章 半导体激光器件半导体激光器件第一节第一节 半导体能带论基础半导体能带论基础第二节第二节 半导体激光器件半导体激光器件第一节第一节 半导体能带论基础半导体能带论基础 何谓半导体何谓半导体物体分类物体分类导体导体 导电率为导电率为10105 5s.cms.cm-1-1，量级，如金属量级，如金属绝缘体绝缘体 导电率为导电率为1010-22-22-10-10-14-14 s.cms.cm-1-1量级，量级，如：橡胶、云母、塑料等。如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。如：硅、锗、砷化镓等。半导体半导体 半导体特性半导体特
2、性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光照特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件主要半导体材料主要半导体材料 IV族半导体材料族半导体材料 -硅硅Si，锗，锗Ge III-V族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe本征半导体本征半导体完全
3、纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：纯度：99.9999999%，“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4 本征半导体的原子结构和共价键本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为称为束缚电子束缚电子价带价带导带导带挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为称为自由电子自由电子价带中留下的空位价带中留下的空位称为称为空穴空穴禁带禁带EG外电场外电场E自由电子定向移动自由电子定向移动形成形成电子流电子流
4、束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成定向移动形成空穴流空穴流1.本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴它们是成对出现的它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同始终在价带内运动始终在价带内运动由此我们可以看出：由此我们可以看出：价带价带导带导带禁带禁带EG 能带结
5、构能带结构自由电子自由电子价电子与空穴价电子与空穴费米能级费米能级Ef费米能级费米能级Ef当当T=0K时，电子占据时，电子占据E Ef的状态的几率为零。的状态的几率为零。/)exp(11)(KTEEEff当当T0K时，电子占据时，电子占据Ef的状态的的状态的几率为几率为1/2。E Ef f本征半导体空穴空穴电子电子导带中的电子绝大多数导带中的电子绝大多数位于导带的底部；位于导带的底部；价带中的空穴绝大部分价带中的空穴绝大部分位于价带的顶部。位于价带的顶部。当当T=0K时，本征半导体的费米能级在禁带的中央；时，本征半导体的费米能级在禁带的中央；温度升高，费米能级略偏向导带一方。温度升高，费米能级
6、略偏向导带一方。温度对费米能级的影响温度对费米能级的影响)*ln(432epvcfmmkTEEEEc、E 导带低和价带顶的能级导带低和价带顶的能级mp、me导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺杂后半导体的导电率大为提高掺入的三价元素如掺入的三价元素如B、Al、In等，等，形成形成P型半导体，也称空穴型半导体型半导体，也称空穴型半导体掺入的五价元素如掺入的五价元素如P、Se等，等，形成形成N型半导体，也称电子型半导体型半导体，也称电子型半导体1.N型半导体型半导体+4
7、+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5价带价带导带导带+施主施主能级能级自由电子是多子自由电子是多子空穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子在本征半导体中掺入的在本征半导体中掺入的五价元素如五价元素如P+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半导体型半导体+N型半导体型半导体价带价带导带导带+施主施主能级能级EfEfEf)ln(22cDDcNfNNkTEEE32/3)*2(2
8、hkTmNceN型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3价带价带导带导带-受主受主能级能级自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空穴很容易俘获因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为电子，使杂质原子成为负负离子。离子。三价杂质三价杂质 因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。2.P型半导体型半导体在本征半导体中掺入的在本征半导体中掺入的三价元素如三价元素如B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半导体型半导体-P型半导体型半导体价带价带导带导带EfEfEf-受主受主能级能级)ln(22vAAvPfN
9、NkTEEE32/3)*2(2hkTmNpvP型半导体型半导体半导体的能带结构半导体的能带结构)*ln(432epvcfmmkTEEE 本征半导体本征半导体 N型半导体型半导体)ln(22cDDcNfNNkTEEE P型半导体型半导体)ln(22vAAvPfNNkTEEE电子电子空穴空穴导带导带价带导带价带价带施主受主本征半导体本征半导体P型半导体型半导体N型半导体型半导体半导体的能带结构半导体的能带结构EfEfEf能带中的载流子能带中的载流子 导带底的电子态密度：导带底的电子态密度：21)()(ceEEE 价带顶的空穴态密度：价带顶的空穴态密度：21)()(EEEvp由量子力学由量子力学理论
10、而来理论而来能带中的载流子能带中的载流子 导带中电子浓度：导带中电子浓度：价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度：ndEEEfe)()(cE)exp(kTEEfcPdEEEfp)()(1 vE)exp(kTEEvf直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体能带能带-波矢图波矢图直接带隙直接带隙间接带隙间接带隙直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！具有更高的跃迁几率（近具有更高的跃迁几率（近100%100%）！）！间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！跃迁选择定跃迁选择定则则:跃迁的跃迁的始始末态末
11、态应具有应具有相同的波矢相同的波矢主要半导体材料主要半导体材料 IV族半导体材料族半导体材料 -硅硅Si，锗，锗Ge III-V族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsP II-VI族化合物半导体材料族化合物半导体材料 -GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe-用于集成电路、光电检测用于集成电路、光电检测-用于集成电路、发光器件、光电检测用于集成电路、发光器件、光电检测-用于可见光和远红外光电子器件用于可见光和远红外光电子器件间接带隙间接带隙导带导带E2价带价带E1半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用自发辐射自发辐射h=E2-E1
12、Eg光子密度光子密度()随时间的变化率随时间的变化率:)(1)(|)(12EfEAftspon爱因斯坦系数，爱因斯坦系数，为能态电子的平均寿命为能态电子的平均寿命/1A半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用导带导带E2价带价带E1h 光子密度光子密度()随时间的变化率随时间的变化率:受激吸收受激吸收)(1)()(|)(2112EfEfBtabs33321128 hncBBB导带导带E2价带价带E1半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用受激辐射受激辐射h 光子密度光子密度()随时间的变化率随时间的变化率:h h)(1)()(|)(1221EfEfBtsti半导体内光与电子相互
13、作用半导体内光与电子相互作用导带价带导带价带导带价带自发辐射受激吸收受激辐射非平衡载流子与准费米能级非平衡载流子与准费米能级电流注入，电流注入，非平衡载流子的产生：非平衡载流子的产生：外场激发外场激发后果：半导体的后果：半导体的总平衡总平衡被打破。但导带和价带会很快形成被打破。但导带和价带会很快形成局部平衡局部平衡而形成自身的费米能级。而形成自身的费米能级。准费米能级准费米能级fcEfE导带：导带：fvEfE价带：价带：E Ef fE Ef fE EfvfvE EfcfcE EfcfcE EfcfcE EfvfvE EfvfvE Ef f非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子I I型
14、（本征）半导体型（本征）半导体N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体半导体中的光增益半导体中的光增益 产生光增益的条件产生光增益的条件受激辐射速率受激辐射速率受激吸收速率受激吸收速率)()(12EfEfvc粒子数反转：粒子数反转：gfvfcEhEEP区区N区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂
15、移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移我们一起作个总结我们一起作个总结PN结形成结形成扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散，多子从浓度大向浓度小的区域扩散，扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移，少子向对方漂移，漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流=漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=
16、0。PN PN 结结稳定稳定的空间电荷区，的空间电荷区，又称又称高阻区，高阻区，也称也称耗尽层。耗尽层。V VD D 内电场的建立，形成接触电势内电场的建立，形成接触电势差差V VD D，称为接触势垒，称为接触势垒 接触电位接触电位VD决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅：V VD D=0.7=0.7锗：锗：V VD D=0.2=0.2eEEVPfNfD 如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料的如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料的分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩散分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩散运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新的
17、运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新的热平衡态，热平衡态，达到平衡时，形成新的统一的费米能级达到平衡时，形成新的统一的费米能级。o 同质结：同质结：n组成组成P-NP-N结的结的P P型半导体和型半导体和N N型半导体的基质材料相同型半导体的基质材料相同o 异质结：异质结：n组成组成P-NP-N结的结的P P型半导体和型半导体和N N型半导体的基质材料不同型半导体的基质材料不同o 同型异质结：同型异质结：n由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成o 异型异质结：异型异质结：n由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构
18、成同型异质结同型异质结异型异质结异型异质结同质结与异质结同质结与异质结同质结中同质结中P区和区和N区区具有大致相等的禁带具有大致相等的禁带宽度宽度36半导体双异质结半导体双异质结(Double Hetero Structure)n 由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙层材料组成层材料组成n 通常包含一个同型异质结和异型异质结通常包含一个同型异质结和异型异质结双异质结双异质结37o 同质结与双异质结的能带特性比较同质结与双异质结的能带特性比较平衡状态下的能带图平衡状态下的能带图 加正向偏置时能带图加正向偏置时能带图辐射复合主要发生在辐射复合主要发生在窄
19、带隙层，有源层。窄带隙层，有源层。同质结同质结双异质结双异质结具有更高的载流子注入具有更高的载流子注入效率和光场限制作用，效率和光场限制作用，因此具有更高的出光效因此具有更高的出光效率，被广泛采用！率，被广泛采用！双异质结双异质结38处于反转状态，受激辐射处于反转状态，受激辐射可大于受激吸收！可大于受激吸收！o 通过在通过在P-N结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！o 正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部分在耗尽区复合，复合速率分在耗尽区复合，复合速率产生速率，产生速
20、率，可形成光增益！可形成光增益！电电致发光致发光o 反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但在外加光场作用下在外加光场作用下可形成较强光电流！可形成较强光电流！光电效应光电效应PNPN结的偏置结的偏置PNPN结光电效应结光电效应LightPNPN结光电效应结光电效应 当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在PN结的耗尽结的耗尽区、区、P区和区和N区都将产生光生的电子区都将产生光生的电子-空穴对。空穴对。在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子
21、迅速移向速移向N区，空穴迅速移向区，空穴迅速移向P区，从而在回路中产生光区，从而在回路中产生光电流。电流。在在P区和区和N区产生的光生载流子由于没有内电场的作用，区产生的光生载流子由于没有内电场的作用，只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的贡献很小。贡献很小。为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的半导体的半导体的PN结上加有适当的反向偏压。结上加有适当的反向偏压。PNPN结光电效应结光电效应PNPN结电致发光结电致发光在在PN结两端外加正向偏压结两端外加正向偏压结势垒降低为结势垒降低
22、为VD-V打破原来建立的平衡打破原来建立的平衡使得使得P区和区和N区的费米能区的费米能级重发生分离，形成准级重发生分离，形成准费米能级费米能级eVEEPfNf外电场外电场耗尽区内注入电子、空穴耗尽区内注入电子、空穴辐射复合辐射复合发光发光PNPN结电致发光结电致发光当外加电压满足当外加电压满足gPfNfEEEeV注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生光增益。光增益。发光二极管和激光器发光二极管和激光器第二节第二节 半导体激光器件半导体激光器件
23、p半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理p半导体激光器的特性半导体激光器的特性p几种典型的半导体激光器几种典型的半导体激光器3.2.1 3.2.1 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理一、半导体注入型激光器的工作原理一、半导体注入型激光器的工作原理1、半导体内电子辐射跃迁的主要特点、半导体内电子辐射跃迁的主要特点电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件:p 电子在能带间的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条电子在能带间的辐射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件。件。辐射跃迁的动量选择定则使得在间接带隙材料中导带辐射跃迁的动量选择定则使得在间接带隙
24、材料中导带底和价带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能进行，底和价带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能进行，这一要求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率这一要求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率p 发生辐射跃迁的始态之间，始态上必须存在电子发生辐射跃迁的始态之间，始态上必须存在电子,同时相同时相应的末态上必须存在空穴。应的末态上必须存在空穴。这一条件对受激吸收基本上没这一条件对受激吸收基本上没有影响，而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的。有影响，而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的。3.2.1 3.2.1 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理p 导带和价带内导带和价带内很高
25、的电子和空穴态密度很高的电子和空穴态密度使得使得半导体能带半导体能带中可以容纳很高浓度的电子和空穴中可以容纳很高浓度的电子和空穴，从而获得很大的自，从而获得很大的自发辐射和受激辐射几率，并提供较强的光增益作用。发辐射和受激辐射几率，并提供较强的光增益作用。p 处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时维持其能带内的局部平衡状态。维持其能带内的局部平衡状态。p 半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移。半导体材料的这种特性使得可以通过简单的直接电流注半导体材料的这种特性使得可以通过简单的
26、直接电流注入对半导体激光器进行泵浦，产生非平衡载流子，并使入对半导体激光器进行泵浦，产生非平衡载流子，并使材料处于粒子数反转分布状态。材料处于粒子数反转分布状态。p 半导体内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽半导体内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽了电子发生带间辐射跃迁的选择定则了电子发生带间辐射跃迁的选择定则。使得辐射跃迁可。使得辐射跃迁可以发生在导带内的大量电子和价带内的大量空穴之间。以发生在导带内的大量电子和价带内的大量空穴之间。2.与普通二能级系统的区别：与普通二能级系统的区别：二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件3.2.1
27、 3.2.1 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理o 最简单的半导体激光器的结构最简单的半导体激光器的结构n 一个薄有源层（厚度约一个薄有源层（厚度约0.1m）+P型型N型限制层型限制层n 属于宽面激光器属于宽面激光器o 注入型激光器，注入型激光器，Injection Laser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300m300m100m100m200m200m48LD产生激光输出的三个基本条件：产生激光输出的三个基本条件：o 泵浦源：电流注入实现泵浦源：电流注入实现o 光反馈：解理面构成谐振腔光反馈：解理面构成谐振腔o 谐振腔是在垂直于谐振腔是在垂直于
28、P-N结的两个端面上，按晶结的两个端面上，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的面构成的o 解理：晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方解理：晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂向破裂,并且能裂出光滑平面的性质称为解理并且能裂出光滑平面的性质称为解理,这些平面称为解理面这些平面称为解理面o 增益介质：增益介质：P-N结区结区阈值条件：阈值条件：o 光增益大于光损耗光增益大于光损耗3.2.1 3.2.1 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理产生激光的机理产生激光的机理3.2.1 3.2.1 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理
29、 半导体激光器的核心是半导体激光器的核心是PN结，它与一般的半导体结，它与一般的半导体PN结结的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即的主要差别是：半导体激光器是高掺杂的，即p型半导体中型半导体中的空穴极多，的空穴极多，n型半导体中的电子极多，因此，半导体激光型半导体中的电子极多，因此，半导体激光器器p-n结中的自建场很强，结两边产生的电位差结中的自建场很强，结两边产生的电位差VD（势垒）（势垒）很大。很大。无外加电场时：无外加电场时：p区的能级比区的能级比n区高区高eVD，并且，并且导带底能级比价带顶能级还要导带底能级比价带顶能级还要低，电子占据的可能性越大低，电子占据的可能性越大无外加电场
30、无外加电场有外加电场有外加电场 当外加正向电压时，当外加正向电压时，p-n结势垒降低。在电压较高、结势垒降低。在电压较高、电流足够大时，电流足够大时，p区空穴和区空穴和n区电子大量扩散并向结区注入，区电子大量扩散并向结区注入，并在并在p-n结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成粒子结的空间电荷层附近，导带与价带之间形成粒子数反转。数反转。激活区或有激活区或有源层源层二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件51LD的工作原理的工作原理A.向半导体向半导体P-N结注入电流，实现结注入电流，实现粒子数反转分布，粒子数反转分布，P-N结即为激结即为激活区活区
31、B.电子空穴对复合发光，初始的光电子空穴对复合发光，初始的光场来源于自发辐射场来源于自发辐射C.自发辐射光子进而引起受激辐射自发辐射光子进而引起受激辐射D.受激辐射光子通过反射镜往返反受激辐射光子通过反射镜往返反射，使受激辐射过程加剧，光得射，使受激辐射过程加剧，光得到放大到放大E.在反射系数小于在反射系数小于1的反射镜中输的反射镜中输出而产生激光出而产生激光半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件 只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能只有外加足够强的正电压，注入足够大的电流，才能产生激光：否则，
32、只能产生荧光。产生激光：否则，只能产生荧光。曲线的转折点对应于阈值电曲线的转折点对应于阈值电流，是自发辐射和激光产生的分流，是自发辐射和激光产生的分界点，也是从发光二极管状态到界点，也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点。一旦激光二极管工作的过渡点。一旦激光开始，曲线斜率就变陡。激光开始，曲线斜率就变陡。发光二极管产生的光功率峰值发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级；最多是数百毫瓦量级；激光二极管产生的光功率峰值激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦，国外可达千国内可达数百瓦，国外可达千瓦以上。瓦以上。3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性一、伏安特性一、伏安特性 激
33、光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导激光器的伏安特性与一般二极管相同，也具有单向导电性，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值电性，其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻，虽然阻值不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。不大，但因工作电流大，不能忽视它的影响。3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性二、阈值电流二、阈值电流 使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注使半导体激光器的增益等于损耗，开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度。入电流密度叫阈值电流密度。影响阈值的因素有：影响阈值的因素有：p晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；晶体的掺杂浓度越大，阈值越小；p谐振腔的损耗
34、越小，阈值越小。谐振腔的损耗越小，阈值越小。p在一定范围内，腔长越长，阈值在一定范围内，腔长越长，阈值越低；越低；p温度对阈值电流的影响很大，因温度对阈值电流的影响很大，因此，半导体激光器宜在低温或室此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。温下工作。3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性三、方向性三、方向性 由于半导体激光器的谐振由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特腔短小，激光方向性较差，特别是在结的别是在结的垂直平面内垂直平面内，发散，发散角很大，可达角很大，可达200 300，在结的在结的水平面水平面内，发散角约为内，发散角约为几度。几度。lp/l-结水平方向的尺寸结水
35、平方向的尺寸dv/2d-有源区的厚度有源区的厚度3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性四、光谱特性四、光谱特性荧光谱荧光谱激光谱激光谱几十几十nm几几nm3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性五、转换效率五、转换效率 注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。率效率量度。1.量子效率量子效率通常通常PPth实际上量子效率对应于输出功率于正向电流关系曲线中阈实际上量子效率对应于输出功率于正向电流关系曲线中阈值以上线性
36、范围内的斜率。值以上线性范围内的斜率。3.2.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性五、转换效率五、转换效率 2.功率效率功率效率V是是PN结上的电压降，结上的电压降，Rs是激光器串联电阻（包括是激光器串联电阻（包括材料电阻和接触电阻）。材料电阻和接触电阻）。由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。在室温下的功率效率只有百分之几。第三节第三节 典型的半导体激光器典型的半导体激光器 同质结激光器同质结激光器 异质结激光器异质结激光器 分布反馈（分布反馈（DFBDFB）激光器）激光器 垂直腔面发射半导体激光器垂直腔面
37、发射半导体激光器3.3.1 3.3.1 同貭结半导体激光器同貭结半导体激光器 p型半导体和型半导体和n型半导体材料都是型半导体材料都是GaAs,所形成的所形成的p-n结为同质结结为同质结(HOS)p 加上正向偏压时，电子向加上正向偏压时，电子向p-n结注入，结注入，并在偏向并在偏向p区一侧的激活区内复合辐区一侧的激活区内复合辐射射;p 当正向偏压较大时，考虑到空穴注当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽。入，激活区变宽。p 激活区的折射率略高于激活区的折射率略高于p区和区和n区，区，“光波导效应光波导效应”不明显，光波在激不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。活区内传播时，有严
38、重的衍射损失。同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达3x1045 104 A/cm2，这样高的电流密度，将使器件发热。，这样高的电流密度，将使器件发热。3.3.1 3.3.1 同貭结半导体激光器同貭结半导体激光器 同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率（几低重复率（几kHz几十几十kHz)脉冲工作。脉冲工作。同质结激光器几乎无法实用化，同质结激光器几乎无法实用化，结构需改进！结构需改进！3.3.2 3.3.2 异质结半导体激光器异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光器一、单异质结半导体激光
39、器(SHL(SHL）单异质结是由单异质结是由p-GaAs与与p-GaAlAs形成的。形成的。p 施加正向偏压时，电子由施加正向偏压时，电子由n区注区注入入p-GaAS,由于异质结高势垒的由于异质结高势垒的限制，激活区厚度限制，激活区厚度d 2 m；p 因因p-GaAlAs折射率小，折射率小，“光波导光波导效应效应”显著，将光波传输限制在显著，将光波传输限制在激活区内。阈值电流密度降低了激活区内。阈值电流密度降低了12个数量级，约个数量级，约8000A/cm2。窄带隙有源材料被窄带隙有源材料被夹在宽带隙的材料夹在宽带隙的材料之间形成之间形成3.3.2 3.3.2 异质结半导体激光器异质结半导体激
40、光器一、双异质结半导体激光器一、双异质结半导体激光器(DHL(DHL）p 施加正向偏压时施加正向偏压时,激活区内注入的激活区内注入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄，制，深度剧增，激活区厚度变窄，d=0.5 m。p 由于激活区两侧折射率差都很大，由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应作非常显著，使光波光波导效应作非常显著，使光波传输损耗大大减小。传输损耗大大减小。阈值电流密度阈值电流密度更低，可降到更低，可降到(102一一103)A/cm2。p当采用当采用GaAs和和GaAlAs量子阱材料量子阱材料制作激光器时，阈值电流密度下降制作激
41、光器时，阈值电流密度下降到到几几A/cm2。目前，这种激光器已成。目前，这种激光器已成为极为重要的、实用化的相干光源。为极为重要的、实用化的相干光源。正向偏置时双异质结与同质结载流子分布的对比64中间的窄带隙层对载流子形成了很好的限制作用正向偏置的同质结正向偏置的双异质结正向偏置的双异质结窄带隙层一般还具有比较高的折射率，光波导效应明显3.3.3 3.3.3 分布反馈（分布反馈（DFBDFB）激光器）激光器动态单纵模激光器：动态单纵模激光器：在高速调制下仍能单纵模工作的半导在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。体激光器。分布反馈半导体激光器：分布反馈半导体激光器：在异质结激光器具有光放大作
42、用在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。光栅结构制作在光栅结构制作在限制层中限制层中DFBDFB激光器与普通激光器的对比激光器与普通激光器的对比DFBDFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1/101/10左右左右色散的影响大为降低，可以实现速率为色散的影响大为降低，可以实现速率为10Gb/s10Gb/s的超高速传输的超高速传输3.3.4 3.3.4 垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔表面发射半导体激光器p垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical-cavity
43、 surface-emitting laser）p谐振腔的腔镜由折射率不同的物谐振腔的腔镜由折射率不同的物质层交错堆积而成质层交错堆积而成p从垂直于半导体薄片的方向发射从垂直于半导体薄片的方向发射激光，使激光，使激光束的截面成为圆形激光束的截面成为圆形，减小了减小了激光束的发散角激光束的发散角，克服了原，克服了原来从半导体侧面发光的缺点。来从半导体侧面发光的缺点。p能够在同一块板上集成一百万只能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅小激光器，其激发电流仅1mA。表面发射半导体激光器表面发射半导体激光器3.3.4 3.3.4 垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔表面发射半导体激光器与边缘发射半导体激光器阵的差别：与边缘发射半导体激光器阵的差别：制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小，最小可到小，最小可到1 m,而每一个边缘发射半导体激光器最小也而每一个边缘发射半导体激光器最小也有有50 m.边缘发射半导体激光器边缘发射半导体激光器表面发射半导体激光器表面发射半导体激光器
