半导体激光器结构及工作原理分析图（半导体激光器结构及工作原理分析）

半导体激光器的结构和工作原理分析

以砷化镓(GaAs)激光器为例，介绍了注入式同质结激光器的工作原理。

1.注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料具有特殊的晶体结构和电子结构，激光形成的机理有其特殊性。

半导体的能带结构。半导体材料多为晶体结构。当大量原子有规律地紧密结合成一个晶体时，晶体中的那些价电子都在晶体能带中。电子的价带称为价带(对应较低的能量)。最接近价带的最高能带称为导带，能带之间的空域称为禁带。当施加外部电场时，价带中的电子会跳到导带中，在那里它们可以自由移动并导电。同时，价带中失去一个电子，相当于出现了一个带正电的空穴，在外加电场的作用下，也可以导电。所以价带中的空穴和导带中的电子都是导电的，统称为载流子。

(2)掺杂半导体和pn结。没有杂质的纯半导体称为本征半导体。如果杂质原子掺杂到本征半导体中，在导带以下和价带以上形成杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

具有施主能级的半导体称为N型半导体；具有受主能级的半导体称为P型半导体。在室温下，N型半导体的大部分施主原子被热能电离，其中电子被激发到导带，成为自由电子。然而，P型半导体的大多数受主原子捕获价带中的电子，并在价带中形成空穴。因此，N型半导体主要由导带中的电子传导；p型半导体主要由价带中的空穴传导。

半导体激光器使用的半导体材料掺杂浓度较高，N型杂质原子数一般为(2-5)1018cm-1；p型为(1-3) 1019cm-1。

在一块半导体材料中，突然从P型区变为N型区的区域称为P-N结。将在界面处形成空间电荷区。N型半导体带中的电子将扩散到P区域，而P型半导体的价带中的空穴将扩散到N区域。这样，靠近结构的N型区带正电，因为它是施主，靠近结区的P型区带负电，因为它是受主。在界面处形成一个从N区到P区的电场，称为自建电场。该电场将阻止电子和空穴的进一步扩散。

(3)电注入pn结的激发机制。如果正向偏置电压施加到具有P-N结的半导体材料，则P区连接到正电极，N区连接到负电极。显然，直流电压的电场与P-N结的自建电场方向相反，削弱了自建电场对电子在晶体中扩散运动的阻挡作用，使N区的自由电子在直流电压的作用下不断通过P-N结向P区扩散。当大量导带电子和价带空穴同时存在于结区时，它们会在注入区复合，当导带电子跃迁到价带时，多余的能量就轻了。这就是半导体电致发光的机理，这种自发复合发光称为自发发射。

要使pn结产生激光，需要在结构中形成粒子的反转分布状态，使用重掺杂的半导体材料，要求注入pn结的电流足够大(例如30000 A/cm2)。这样，在pn结的局部区域，可以形成导带中电子多于价带中空穴的反转分布状态，从而产生受激复合辐射，发射激光。

2.半导体激光器结构。它的形状和尺寸与小功率半导体三极管相似，只是多了一个

一旦正向偏置电压被施加到半导体激光器，结区中的粒子数反转并发生复合。回顾黄浩宇