同质结和异质结半导体激光器
半导体激光器的一般构成
激光笔里边就是一个半导体激光器,属于 LED的一种.前边一般会加一个光学镜头用 来聚焦.激光笔发出的激光属于固体激光,而 激光笔里面的固体激光器也就是一个激光 二极管.目前的激光笔大多数是红色,可以指 示的长度比较远.
激光炫目器
激光眩目器采用人眼最为敏感的532nm绿 激光，不仅在低亮环境下照亮数英里之外 的物体，还能实现警示远距离之内的潜在 目标和控制大片人群的目的。照射眼睛时 能使眼睛短暂性失明和感到眩晕，从而快 速制敌而不伤害人身生命。强烈耀眼地绿 光光束能干扰敌方的的视觉传感器，使对 方瞬间地攻击或反抗归于无效。
半导体中激光产生的条件： 粒子数反转：产生大量的受激辐射 光学谐振腔：实现光放大 达到阈值电流密度：使得增益大于损耗
半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件
构成部分： 光波导 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导
什n结由同一种半导体材料构成 异质结：其pn结采用不同半导体材料构成 双异质结：在宽带隙的p型和N型半导体材料之间 插入一薄层窄带隙的材料 区别： 同质结LED：有源区对载流子和光子的限制 作用很弱； 异质结LED: (1)带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源 区复合发光 （2）折射率光场有效地限制在有源区
.同质结半导体激光器
1978年,半导体激光器开始应用于光纤通信 系统,半导体激光器可以作为光纤通信的光源 和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺 组成光电子系统。由于半导体激光器有着超 小型,高效率和高速工作的优异特点,所以这 类器件的发展,一开始就和光通信技术紧密结 合在一起,它在光通信,光变换,光互连,并行光 波系统,光信息处理和光存贮,光计算机外部 设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激 光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重 大影响,并加速了它的发展
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
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);
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);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
半导体激光器LD
半导体激光器LD半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器是以一定的半导体材料做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电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.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.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N 型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。
用半导体材料作为工作物质的激光器.它是利用受激辐射原理，使光在激发的工作物质中放大或发射（振荡）的器件.根据激发方法不同，半导体激光器可分为Ｐ－Ｎ结注入式、电子束激发式和光激发式三种。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
异质节在半导体激光器中的作用
异质结在半导体激光器中的作用电科学号：2013221105200182 姓名：施波半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。
半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。
半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。
半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。
同质结和异质结激光器20世纪60年代初期的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1"1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，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层。
如GaAs。
GaAIAs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器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP—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。
1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。
双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。
半导体光电子学 §4.3 同质结及异质结激光器11
n
n
p
g
同质结LD在垂直于pn结方向上的折射率分布， 增益分布，光强分布
二.同质结激光器 Jth 与温度T的关系 Jth 高且随T发生剧烈变化
1. T↑ ↑e p区电子扩散区lh↑
中和↑ 反转↓ 维持 ↑Jth 2. T↑ 光波导效应↓ 光场限制↓
J ↑th
3. T↑ 激射长波长↑（λ红移）↑ 光子在p区吸收增加 光子损耗↑ J ↑th q
⑤阈值电流密度下 降
N
p
P
n
I
§4.3.3 双异质结LD
❖ 单异质结中的一个np同
质结用一个异质结代替
+
❖ 优点：
①高效率向有源区注入 载流子
②有源区两边异质结分 别对e和h进行限制
-
p GaAlAs
p GaAs N GaAlAs
n GaAs
③还能利用异质结 产生光波导效应， 而且对称性好
④有源层无需重掺 杂就可以使非平 衡电子浓度比注 入源区（N）高 （超注入）
§4.3 同质结及异质结激光器
§4.3.1 同质结
一.同质结LD的有源区构成
有源区构成：
P
高浓度受主
杂质扩散
进n型GaAs
P
半导体中
扩散 n
- - ++ - - ++ n - - ++
有源区：
①空间电荷区 → 外加电场可忽略 ②p型材料中e的扩散区 → 外加电场时同质结 的有源区
③ n型材料中h的扩散区 → 外加电场时可忽 略
p
n
T1
T2
0
§4.3.2 单异质结LD
一.构成
+ p GaAlAs
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。
常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
半导体激光器的封装技术一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。
例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
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。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
(完整版)同质结和异质结半导体激光器
3.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，能
级E被电子占据的几率为
1 fn (E) EEF
e kT 1
半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.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，图(5-25)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
Gν
n c2 A21
8 2ν2
f ν
n c2
8 2ν2t复合
f ν
半导体激光器的工作原理和阈值条件
3.半导体激光器的阈值电流
➢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
nLwd I
t复合
e
Gν
n c2 A21 8 2ν2
f
ν
n c2 8 2ν2t复合
2.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
EF EF hν Eg
PN结和粒子数反转
1. P-N结的双简并能带结构 ➢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？ ➢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)。
PN能带
GaAs激光器的伏安特性
激光束的空间分布示意图
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 ➢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，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱 宽达几十埃。
GaAs激光器的发射光谱
➢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。