c5.4半导体激光器

§5.4半导体激光器§5.3染料激光器§5.5其他激光器第五章典型激光器介绍§5.2气体激光器§5.1固体激光器1§5.4半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的；电子跃迁发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴态之间；在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成一个空穴，这相当于受激吸收过程；价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补而复合。在复合时，电子把多余能量以光子形式释放出来，这相当于自发辐射或受激辐射。5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件1.在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。见图(5-23)。图(5-23)固体的能带空穴一、半导体的能带由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带”，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带后留下一些“空穴”。“价带”和“导带”之间是“禁带”。导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，此时半导体是一个不导电的绝缘体。随着温度的升高，部分电子由于热运动激发到导带中，成为自由电子。同时价带中少了一个电子，产生一个空穴。在外电场的作用下，导带中的电子和价带中的空穴都可以运动而导电，二者称为载流子。一、半导体的能带空穴如在四价半导体中掺入五价元素，这种半导体称为电子型半导体或N型半导体。N型半导体中会在导带下方形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。若在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件1()1FnEEkTfEe一、半导体的能带2.电子和空穴的统计分布统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定，因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，下图给出了温度极低时的情况。费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系①在未掺杂质的本征型半导体中，费米能级居于禁带中央(图a)。②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b)；轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能级向上移动(图d);③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体(图c);5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，下图给出了温度极低时的情况。费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体(图e);⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。(图f);两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。4.在半导体中产生光放大的条件(图a—e)中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有自由电子，在它下面已经被电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。(图f)中的情况有两费米能级，导带有自由电子，价带中有空穴，如果外来光子的能量与上能带中电子和下能带中空穴之间的能量差相同，则会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子——受激辐射。5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足gFFEhνEE5.4.2PN结和粒子数反转1.PN结的双简并能带结构未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。图(5-26)PN能带(图a—e)表明用同一种材料，半导体都只有一个费米能级不能产生光放大。把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成P－N结。FEFE在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级和，称为准费米能级，如图(5-27)。图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的EF相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图(b)。P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移（a)P-N结内载流子运动；势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，行成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。结区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。2.粒子数反转5.4.2PN结和粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费米能级来计算221()1FNEEkTfEe价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算111()1FPEEkTfEe价带顶电子占据几率则为1111()1()1FNPEEkTfEfEe在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是gFFNNEEEEEEfEf1212)()(图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构其物理意义是：（1）工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。（2）P区和N区的准费米能级之差要大于禁带宽度Eg，因此结两边的P型和N型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带。在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是gFFNNEEEEEEfEf1212)()(5.4.2PN结和粒子数反转1.半导体激光器的基本结构和工作原理图(5-28)GaAs激光器的结构5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。核心部件是PN结，PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，该两表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成谐振腔。5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件2.半导体激光器工作的阈值条件激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件21ln21rrLaG内增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质νftνcnνfνAcnνG复合222222128833321218chBAhννfcnBG)(21211At复合结区电子的寿命3.半导体激光器的阈值电流5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件假设在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡的厚度：晶体的宽度和作用区复合复合dwνftνcnνGeItnLwd,8222当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。222218ln21cedrrLaJ内阈ννfrrLaGLwIJJedννfcνG1)(ln21821222内度为通过工作区的电流密5.4.4同质结和异质结半导体激光器1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性图(5-29)GaAs激光器的伏安特性伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。阈值电流密度:影响阈值的因素很多方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图(5-30)激光束的空间分布示意图因为半导体激光器的谐振腔短小，所以激光束的方向性较差。特别在垂直于结的方向，发散角很大，可达20o—30o。而在平行于结方向的光束发散角约为几度。光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几十纳米，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几纳米。图(5-31)GaAs激光器的发射光谱5.4.4同质结和异质结半导体激光器1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性2.异质结半导体激光器单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5－32)(c)所示。图(5-32)同质结、异质结结构示意图5.4.4同质结和异质结半导体激光器理论分析及实验研究表明，同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作。为此，在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器，提高功率和效率，降低阈值电流，从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值。对于GaAs类半导体激光器，由同种材料——GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs，而另一侧为GaAlAs所构成的结为“异质结”，若一个半导体激光器仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器，两个异质结构为双异质结(DH)激光器。作业：P126:12,14