量子阱半导体激光器简述
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理引言概述：半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。
一、发光原理1.1 材料特性半导体激光器主要采用具有直接能隙的半导体材料，如GaAs、InP等。
这些材料具有较高的折射率和较小的能隙，能够实现电子和空穴的复合发光。
1.2 电子复合在半导体材料中，当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，产生光子。
这种电子和空穴的复合过程是半导体激光器发光的基本原理。
1.3 量子阱结构为了提高发光效率，半导体激光器通常采用量子阱结构。
量子阱是由不同能带的材料层交替堆叠而成，能够限制电子和空穴在空间上的运动，从而增加复合发光的几率。
二、工作原理2.1 注入电流半导体激光器通过注入电流来激发电子和空穴的复合发光。
当外加正向偏压时，电子从N型区域注入到P型区域，与空穴复合产生光子。
2.2 泵浦机制半导体激光器的泵浦机制主要有电泵浦和光泵浦两种方式。
电泵浦是通过注入电流来激发发光，而光泵浦则是利用外界光源来激发发光。
2.3 光放大在半导体激光器中，光子在材料中的传播会受到吸收和散射的影响。
为了保持激光的强度，需要在激光器内部设置光放大区域，使光子得到增强。
三、半导体激光器的类型3.1 可见光激光器可见光激光器主要用于显示、照明等领域。
常见的可见光激光器有红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器等。
3.2 红外激光器红外激光器主要用于通信、医疗和工业等领域。
常见的红外激光器有半导体激光二极管和半导体激光放大器等。
3.3 高功率激光器高功率激光器主要用于激光切割、激光焊接等工业应用。
它具有较高的输出功率和较高的光束质量。
四、半导体激光器的应用4.1 光通信半导体激光器在光通信中起着重要的作用，可以实现高速、远距离的数据传输。
4.2 医疗应用半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精确控制和无创的特点。
半导体材料中的量子阱技术研究
半导体材料中的量子阱技术研究量子阱技术是一项重要的半导体研究领域，它在电子学和光电学方面的应用十分广泛。
量子阱技术的主要思想是利用半导体材料的电子能级结构，在一个二维的空间中形成一个量子阱，从而利用量子效应来改善半导体元件的电学和光学性能。
本文将介绍半导体材料中的量子阱技术研究的基本原理，以及在不同领域中的应用。
一、量子阱技术的基本原理量子阱技术最关键的部分是量子阱的形成。
它通常利用两种不同能带的半导体材料，比如硒化镉和锌硒化镉，或者砷化镓和铝砷化镓等。
这些材料之间存在着很大的晶格不匹配，使得它们在堆叠时形成一个二维空间。
在这个空间中，电子的运动将受到强烈的限制，因此它们的能级结构将与体材料不同。
具体来说，如果将体材料所对应的三维空间称作量子阱的壳层，那么在这个壳层中的电子将被限制在两个维度上，每个维度的运动将采取离散的能量取值。
这些能量被称作量子态。
量子阱内能够产生的电子和空穴的量子态是离散的，带有能量的阶梯状能态分布，近似于连续的谱带。
这些态之间的距离十分接近，因此使它们之间的电子跃迁变得容易。
由于电子简并态数目有限，因此电子在这样的结构中具有良好的约束性和选通性，因此能够得到改进的电学和光学性能。
二、应用领域1、光电子设备量子阱技术在光电子设备中应用最广，被广泛应用于半导体激光器、探测器、太赫兹器件、等离子体激光和LED等领域。
在半导体激光器中，量子阱允许电子和空穴发生更多的跃迁，并且跃迁的能量比体材料更稳定。
这样可以在激光发射时获得更窄的频率谱。
在探测器中，量子阱通过增加信噪比和响应速度来提高灵敏度。
在等离子体激光器中，量子阱材料具有更高的吸收能力和低于平均窄的峰值发射能量。
在美国飞机和导弹的被动红外检测器和定位系统中，量子阱探测器被广泛应用。
2、电子学器件量子阱技术在电子学器件中也有许多应用。
在场效应晶体管中，量子阱具有高的晶格一致性和低的摩擦电阻，因此可以用作管道而不断地去做成细的亚微米尺寸的器件。
半导体技术中的量子阱技术
半导体技术中的量子阱技术随着信息技术的快速发展，半导体材料作为电子学领域的重要组成部分，也在不断地创新和完善。
其中，量子阱技术的出现，为半导体材料的性能提升和新应用的开发提供了新的可能。
一、量子阱技术的原理量子阱（quantum well）是指在两种不同材料之间形成的一种具有周期性势能的结构，在其中的电子表现出一些奇特的性质。
其原理可简单理解为，其“势垒”与“势峰”之间的能量差约为电子热运动时的能量，而电子在势峰处被限制在一个非常小的区域内，即量子点，形成了类似于能级的状态；这种状态又与周围材料的能带相接口，因此电子行为发生变化。
二、量子阱技术的优势相对于其他半导体材料，量子阱技术具有以下优势：1. 调节电子状态：量子阱在不同材料组合下，能够调节电子的状态，改变其带隙大小，从而改变半导体材料在不同波段的光学响应。
2. 减小电子束缚：与传统的材料不同，量子阱内的电子状态可以更容易地在纵向方向移动，有助于提高载流子的迁移率，减小电子束缚。
3. 更高的稳定性：量子阱技术制备的半导体材料具有更高的稳定性，能够在更长时间内保持特定的性能。
三、量子阱技术的应用随着量子阱技术的不断完善，其在以下领域中有着广泛的应用前景：1. 光电器件制造：量子阱技术可用于制备高效、小型化的光电器件，如激光器、LED等，为信息技术领域提供了更多可能。
2. 太阳能电池：利用量子阱技术制备的太阳能电池，可以提高其性能和效率，降低材料的成本和制备难度。
3. 生物医学：利用半导体材料制备的量子点和量子线，可用于生物医学成像技术中，实现高分辨率、低辐射的成像。
四、量子阱技术的研究进展目前，科学家们正在以各种方式继续研究量子阱技术的优势和应用。
例如：1. 使用先进的制备技术，如分子束外延、金属有机化学气相沉积等，制备更高质量、更精细的量子阱材料。
2. 引入新的导电材料、光学材料和化学键合技术，进一步优化量子阱结构和性能。
3. 应用量子场理论、量子力学等理论，实现量子阱结构的理论模拟和模拟计算，为精准设计和优化提供更多思路。
量子阱材料的原理与应用
量子阱材料的原理与应用1. 引言量子力学是描述微观世界行为的理论框架，而量子阱材料则是基于量子力学原理设计和制备的一种特殊材料。
量子阱材料具有特殊的能带结构和限制粒子运动的特性，使其在光电子器件、半导体激光器、光电传感器等领域具有重要应用。
本文将探讨量子阱材料的原理和应用。
2. 量子阱材料的原理量子阱材料的原理基于量子力学的波粒二象性和能带理论。
在晶体结构中，量子阱材料是通过在晶体结构中引入不同能级的禁带，从而形成一维结构，限制了电子和空穴在垂直方向上的运动。
具体来说，量子阱材料通常是由两种不同禁带宽度的材料构成，其中夹在中间的材料禁带宽度较窄。
量子阱材料的原理可以通过能带图来解释。
在晶体结构中，离散的能带能量分布决定了材料的导电性和光学性质。
对于量子阱材料而言，由于夹在中间的材料禁带宽度较窄，形成了一种“阱”的结构，限制了电子和空穴在垂直方向的能量。
3. 量子阱材料的应用3.1 光电子器件量子阱材料在光电子器件中的应用广泛。
由于量子阱材料的特殊结构，能带宽度的限制使得材料在光电转换中具有较高的效率。
例如，光电二极管和太阳能电池中的量子阱材料可以提高能量转换效率。
此外，量子阱材料还可用于制备高亮度发光二极管和激光二极管，应用于显示和光通信领域。
3.2 半导体激光器半导体激光器是利用正向偏压下的电流注入来产生激光辐射的器件。
量子阱材料的能带结构使得电子和空穴在垂直方向只能存在于特定的能级。
这种限制使得激光器在选择光子能量和频率时更加精确。
量子阱材料的应用使得激光器具有较低的阈值电流，高温稳定性和窄谱线宽等优点。
3.3 光电传感器量子阱材料在光电传感器中的应用也十分重要。
光电传感器是将光信号转换为电信号的器件。
量子阱材料的特殊能带结构和能带宽度调控的优势，使得光电传感器具有高灵敏度、快速响应和较低的功耗。
这使得光电传感器在光通信、光纤传感和生物医学等领域有广泛应用。
4. 总结量子阱材料是基于量子力学原理设计和制备的一种特殊材料，具有特殊的能带结构和限制粒子运动的特性。
量子阱激光器的工作原理
量子阱激光器的工作原理量子阱激光器的工作原理量子阱激光器(Quantum well lasers, QWLs)是一种高效率的激光光源，能够产生高功率、高稳定性、高峰值功率的激光脉冲，是光纤通信、光学测量、非线性光学等领域中广泛应用的重要激光器。
在它的发射原理上，有两种形式，一种是通过量子阱层的重卡尔曼激发来实现发射，另一种是基于量子阱阱层的重卡尔曼放大效应。
它们的工作原理各有不同，本文主要对量子阱激光器的工作原理及其应用进行详细的介绍。
1.量子阱激发发射原理量子阱激发发射是基于量子阱层的重卡尔曼激发特性实现的。
当一个量子阱材料的厚度与对称轴的平行，其特性和一个单独的量子系统相似，被看做由一组量子级由低能到高能依次排列的阶梯结构，即量子阱体系。
因此，如果激光输入至量子阱结构，会发生重卡尔曼激发，量子阱结构的准自由电子，从低能的量子级转移到高能的量子级，从而释放出能量并产生激光辐射。
2.量子阱放大发射原理量子阱放大是量子阱激发的一种改进形式。
它是指在量子阱结构中把一个或多个低阱量子级称作“放大”量子级，当重卡尔曼激发后，准自由电子从低能的阱内量子级跃迁至放大量子级时，将激发功率增强很多倍，从而产生的激光辐射功率也更大。
3.量子阱激光器的应用量子阱激光器可以用来实现高功率、高稳定性和高峰值功率的激光脉冲，在光纤通信、非线性光学、光学测量及分析领域都有广泛应用。
量子阱激光器可用于高速光纤通信、激光打印及数字影像系统中，也可用于光纤激光器及光频率多工系统中。
此外，量子阱激光器可用于激光投影显示、投影打印及激光雷达系统等多种高效率激光系统和应用中。
总之，量子阱激光器具有高功率、高稳定性、高峰值功率、小尺寸、低成本等优势，常用于多种高效率光源的应用，预计将会在新技术领域中发挥更大的作用。
量子阱激光器的特点
量子阱激光器的特点概述量子阱激光器是一种基于量子力学原理的半导体激光器，具有许多优良的特性和应用前景。
本文将介绍量子阱激光器的结构、工作原理和特点，以及其在通信、雷达和生命科学等领域的应用。
结构量子阱激光器的结构由多个“量子阱”层构成，每一层都是由几个纳米级别的半导体材料交替排列而成。
这些材料的能隙被设计在激光器的工作波长处，使得只有在这个波长下才能发生吸收和辐射等光学过程，从而实现激光输出。
工作原理当一个电子进入量子阱层时，它被限制在非常小的空间中，这使得其自由度受到限制，并且其能量分裂为高能级和低能级。
当外加电压或光子刺激时，电子会跃迁到高能级态，随后在低能级态与辐射场相互作用而发射光子，从而实现激光辐射。
特点高效率量子阱激光器的外部效率非常高，能够将电子的能量转化为光的能量。
在实际的应用中，量子阱激光器的效率比传统的激光器高出几倍甚至几十倍。
窄线宽量子阱激光器能够产生非常窄的激光线宽，这意味着它可以通过光纤传输更多的信息。
同时，在激光通信和激光雷达等领域，其高精度定位和测量作用也得到广泛应用。
快速调制量子阱激光器响应时间比传统的激光器要短很多，能够在纳秒级别内实现快速开关和调制。
这使得其在高速通信和数据处理领域具有广泛的应用前景。
温度稳定性量子阱激光器比传统的激光器更加稳定，在宽范围的温度和电压条件下工作。
这使得其在大气物理、天文学和生命科学等领域中得到广泛应用。
应用通信量子阱激光器已经成为光通信系统中的重要组成部分，其窄线宽和高效率也使得其在光纤通信和无线光通信等领域具有重要应用前景。
雷达量子阱激光器在激光雷达测距、测速和遥感等应用中也具有广泛的应用前景。
尤其是在领域气象、地球科学和环境监测等领域，其高精度测量和定位作用十分重要。
生命科学量子阱激光器在生命科学领域中也有广泛的应用，例如生物诊断、分子光谱学、荧光成像等等。
由于其快速开关和高精度测量的特性，已经成为研究细胞和分子行为中不可或缺的工具。
量子阱激光器
单量子阱结构
基本概念
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒 很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即 量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势 垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱， 即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
EcA EgA EcB EvB EvA
E2 E1
斜跃迁量子级联激光器能带结构 示意图及P-I特性
结 语
量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比， 具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出 功率大、动态特性好、寿命长、激射波长可以更短等等 优点。 目前，量子阱已成为人们公认的半导体激光器发展的 根本动力。
硕士研究生论文答辩
结构与特性
结构与特性
量子阱激光器具有以下特性：
1.改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长；
2.注入载流子能提供更高的增益，这使得Jth降低，而且Jth 随温度变化小，温度稳定性好；
3.注入的载流子大部分用来客服内部损耗，只要较少的注入 载流子就能有较高的效率，产生更大的功率，适用于制作大 功率激光器阵列； 4.量子阱激光器中，增益变化只引起较小的折射率改变，所 以光谱线窄，频率啁啾小； 5.由于价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此具有TE、 TM模式的选择控制性能； 6.微分增益系数高，能在更高的调制速率下工作，动态工作 特性好；
前景展望
量子级联激光器 （Quantum Cascade Laser）是一种新型半 导体激光器，它由数 报道
BELL LAB
J.Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994)
量子阱的原理及应用
量子阱的原理及应用1. 什么是量子阱？量子阱是一种半导体结构，它能够在三维空间中限制电子和空穴的运动。
具体来说，它通过在两个高能障垒中夹杂一个较低能障垒，形成一个能级阱，用于限制电子和空穴的运动。
量子阱通常是由不同禁带宽度的半导体材料组成的。
这种结构使得电子在一个维度上受限，从而限制了它们的能量和动量。
2. 量子阱的原理量子阱的原理可以通过量子力学的基本原理来解释。
根据量子力学的波粒二象性，电子和空穴在量子阱中被限制在一个较小的空间范围内，并且它们的能级是量子化的，也就是离散的。
这个空间范围由高能障垒和低能障垒的宽度决定。
当电子或空穴尺寸接近量子阱的尺寸时，它们只能处于量子态，而无法处于经典的连续态。
3. 量子阱的应用量子阱的限制特性使得它在许多领域有着广泛的应用。
3.1 光电子学量子阱在光电子学中有着重要的应用。
由于电子在量子阱中的能级是量子化的，因此可以通过控制量子阱的结构来调整电子能级的间距。
这样就可以实现电子在不同能级间的跃迁，从而实现光的发射和吸收。
这种特性使得量子阱被应用于激光器、光电探测器等光学器件中。
3.2 量子计算量子阱也在量子计算领域发挥重要作用。
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方法，可以在某些任务上比传统计算机更高效。
量子阱的量子特性使得它成为构建量子比特的理想平台之一。
通过在量子阱中控制电子的能级和自旋，可以实现量子比特的初始化、操作和读取，从而构建量子计算机的基本元件。
3.3 光子晶体量子阱还被应用于光子晶体的制备中。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以对光的传播进行控制。
量子阱的精确控制能使光子晶体具有特定的光学特性，例如禁带、光子带隙等。
这种特性使得光子晶体在光学通信、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
4. 总结量子阱是一种通过限制电子和空穴运动的半导体结构。
它的原理基于量子力学的波粒二象性，通过在空间中形成垒障来限制能量和动量。
量子阱在光电子学、量子计算和光子晶体等领域都有着重要的应用。
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上海大学2016 ～2017 学年秋季学期研究生课程考试（论文）课程名称：半导体材料(Semiconductor Materials) 课程编号：101101911论文题目: 量子阱及量子阱半导体激光器简述研究生姓名: 陈卓学号: 16722180论文评语:（选题文献综述实验方案结论合理性撰写规范性不足之处）任课教师: 张兆春评阅日期:课程考核成绩量子阱及量子阱半导体激光器简述陈卓（上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200444）摘要:本文接续课堂所讲的半导体激光二极管进行展开。
对量子阱结构及其特性以及量子阱激光器的结构特点进行阐释。
最后列举了近些年对量子阱激光器的相关研究，包括阱层设计优化、外部环境的影响（粒子辐射）、电子阻挡层的设计、生长工艺优化等。
关键词：量子阱量子尺寸效应量子阱激光器工艺优化一、引言半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用[1]，它具有许多突出的优点：转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。
随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也进一步得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。
20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。
[2]制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE）和原子束外延等。
[3]我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS）使用国产的MBE设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA，连续输出功率大于30mW，输出波长为1026nm。
[4]量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）的核心器件。
减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。
二、量子阱的结构与特性1、态密度、量子尺寸效应与能带量子阱由交替生长两种半导体材料薄层组成的半导体超晶格产生。
超晶格结构源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥提出超薄层晶体的量子尺寸效应。
当超薄有源层材料后小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，两侧的宽带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动出现量子化特点。
从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。
1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。
江崎(Esaki)等人把超晶格分为两类：成分超晶格和掺杂超晶格。
理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图１和图２。
图1.理想超晶格空间结构 图2.超晶格材料能带分布图要想弄清量子阱激光器的工作原理，必须对其结构、量子化能态、态密度分布等作深入的了解，从而弄清量子尺寸效应、粒子数反转等量子阱以及激光器工作的条件。
[5]半导体材料中，当其吸收光子产生电子-空穴对或其电子-空穴对复合发射出光子时，都会涉及载流子跃迁的能态及载流子浓度。
载流子的浓度是由半导体材料的态密度和费米能级所决定的，前者表征不同能态的数量的多少，后者表征载流子在具体能级上的占有几率。
在半导体的体材料中，导带中电子的态密度可以表达为， （1） 式中m e *为电子的有效质量，h 为普朗克常数，E 为电子的能量。
由此可见，体材料中的能态密度同能量呈抛物线的关系。
在量子阱中，设x 方向垂直势阱层，则势阱中的电子在y -z 平面上作自由运动(与体材料相同)，而在x 方向上要受两边势垒的限制。
假定势阱层的厚度为L x ，其热势垒高度为无穷大，则量子效应使得波矢k x 取分立数值：， （2）式中的 m =1，2，3 …，是不为零的正整数。
对应的能量本征值E m 只能取一系列的分立值，第m 个能级的能量E mc 为， （3）式中m em *为导带中第m 个能级上电子的有效质量。
m=1时，E 1c 为导带第一个能级的能量。
因此，电子能量小于E 1c 的能态不复存在，只有那些大于E 1c 的能态才会存在。
对应于E 1c 量子态的态密度为. （4）依此类推，对于其他量子态E mc 也有相应的态密度表达式，因此量子阱中导带的总体态密度为， （5）2/12/3c )2(4)(E h m E e *=πρx L m π=x k 2*22x *2)(2h k 2h E x em em mcL m m m π==)()()(1211c x e c E E H L h m E -=*πρ)(1d 12mc m em x E E H m L h E E -=∑∞=*πρ）（式中m em *为第m 个能级上电子的有效质量，H( E -E mc )为Heaviside 函数，其表达式为（6）从该式可以看出，导带中的电子的态密度呈阶梯状。
同样地，我们也可以用类似的方式表达价带中空穴的态密度。
由于价带通常是简并的，同时存在有重空穴带和轻空穴带，其有效质量分别以m hh *和m lh *表示。
[6]又有量子阱中电子的运动服从薛定谔方程。
如前文分析，在y -z 平面内，电子不受附加周期势的作用，与体材料中电子的运动规律相同，相应的能量表达式为， （7）其中k y 、k z 分别为电子在y 和z 方向上的波矢，m //*是电子y -z 平面上的有效质量。
在x 方向上，电子受到阱壁的限制，能量是量子化的，只能取一些分立的值，即2x x x n E E ∝=（n x ＝１,2,3,…）. （8）所以，电子的总能量Ｅ为：E=E x +E yz ，即由于E yz 的作用，相当于把能级E n展宽为能带，称为子能带。
即材料能带沿k x 方向分裂为许多子能带（图4（a ））。
而且态密度呈现阶梯状分布，同一子能带内态密度为常数，（图4（b ））。
由图4（b ）可以看出，尽管量子阱中的电子和空穴态密度为阶梯状，其包络线依然是抛物线。
在该图中还可以看到多个子带，对于第一个子带来说，其态密度都是一个常数。
正是载流子二维运动的这种特性有效地改变了其能态密度和载流子的分布，因而有效地改进了量子阱中载流子的辐射复合效率。
⎩⎨⎧=-01)mc E H(E ,,mc mc E E E E ≤≥)2/()(*//222y z m k k E z y +=（a ） （b ）图4.(a)量子阱导带和价带中子能带沿k //方向的分布：导带子能带仍是抛物线型分布，价带中子能带却与抛物线型相差很多，这是由于价带中轻重空穴带混合（mixing ）所致；（b ）体材料与量子阱有源材料态密度ρ（E ）对比图：量子阱中能带分裂为子能带（n ＝1，2，…），E g -b 与E g -q 为分裂前后禁带宽度，且E g -b <E g -q ，重空穴带与轻空穴带在带顶处简并解除，价带和导带间电子跃迁只能发生在n 相同的子能带间（直接跃迁的选择定则）能带的变化导致以下结果：(1)带电子与重空穴和轻空穴复合分别产生TE 模与TM 模，重空穴带与轻空穴带在带顶处简并解除加剧了TE 模与TM 模的非对称性。
(2)不像体材料抛物线能带中载流子必须从接近带底处开始填充那样，量子阱的阶梯状能带允许注入的载流子依子能带逐级填充。
因此注入载流子能量量子化，提高了注入有源层内载流子的利用率，明显增加了微分增益dg/dN 。
高微分增益带来一系列好处：降低了激光器的阈值电流；减少了载流子内部损耗，提高了效率；提高了激光器的调制带宽，减少了频率啁啾。
(3)由于E g -q >E g -b ，量子阱激光器的输出波长通常要小于同质的体材料激光器。
(4)在导带中子能带沿k //的分布仍是抛物线型，而在价带中却远非如此，这是由于重空穴带和轻空穴带混合（mixing ）并相互作用所致，这使得价带的能态密度分布并不像右图所示的那样呈现阶梯状，而是使价带的能态密度增大，加剧了价带和导带能态密度的不对称，提高了阈值电流，降低了微分增益，从而使激光器的性能，这种情况要靠后面要提的应变量子阱来改善。
2、粒子数反转半导体激光二极管是通过p -n 结注入载流子实现粒子数反转的。
将电流通过 p -n 结注入到有源区，使其导带底附近的电子浓度和价带顶附近的空穴浓度远远大于平衡态时的浓度，从而实现粒子数反转。
在平衡态时，我们通常用费米能级F 来描述电子和空穴的分布状态。
当外加电压注入电流时，可以采用n 区和p 区的准费米能级F n 和F p 来描述电子和空穴在能级E 上的占有情况，在能量为E 处的电子和空穴的占据几率分别为， （9）， （10） 有源区中总的自由载流子电子和空穴的浓度分别为， （11） . （12）事实上，总的自由载流子浓度应当等于平衡时载流子浓度同注入载流子浓度之和，即 n =n 0 +σn , p =p 0 +σp 。
注入载流子的浓度σn 和σp 大于平衡载流子浓度()[]1/ex p 1)(+-=KT F E E f n n ()[]1/ex p 11)(+--=KT F E E f n p ⎰∞∞-=E E E f n d ()(n n ）ρdEE E f p )()(p p ρ⎰∞∞-=才可能实现粒子数反转，即σn >n 0，σp > p 0。
注入的电流的密度决定准费米能级的位置，因而也决定了电子和空穴的准费米能级间距F n -F p 的大小。
在体材料中，要想实现粒子数反转，n 区和p 区的准费米能级差必须大于禁带宽度：. （13） 在量子阱中，带隙不再是原来体材料的带隙E g ，而应当以E g1代之，即 ， （14）则得到量子阱中粒子数反转的条件为. （15） 进一步推广至量子阱中各能级，可以得出量子阱结构受激发射必须满足的条件[7]为. （16）3、单量子阱（SQW ）和多量子阱（MQW ）对光子的限制在量子阱激光器中，由于有源层厚度很小，若不采取措施，会有很大一部分光渗出。
对SQW 采取的办法是采用如图5所示的分别限制（separated confinement heterojunction ）结构，在阱层两侧配备低折射率的光限制层（即波导层）。