第6章 半导体激光器讲解
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半导体物理_第六章
对于N型半导体材料，在小注入条件下，少数载 流子空穴的浓度将以时间常数τp0进行衰减。
τp0称为过剩少数载流子的寿命。此时多数载流 子电子和少数载流子空穴的复合率也完全相等， 即：
一般而言，过剩载流子产生率通常与电子或空 穴的浓度无关。
讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号
3. 产生与复合过程 （1）带与带之间的产生与复合过程：
2. 过剩载流子的产生与复合 当有外界激发条件（例如光照）存在时， 将会把价带中的一个电子激发至导带，从而产 生了一个电子－空穴对，这些额外产生出的电 子和空穴就称为过剩电子和过剩空穴。
过剩电子和过剩空穴一般是由外界激发条件 而产生的，其产生率通常记为gn'和gp'，对于 导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电 子和过剩空穴也是成对产生的，因此有：
当有过剩载流子产生时，电子的浓度和空穴 的浓度就会高出热平衡时的浓度，即：
其中n0和p0分别是热平衡状态下导带电子和价带 空穴的浓度，δn和δp分别是过剩电子和过剩空 穴的浓度。 右图所示 就是由光 激发所引 起的过剩 电子和过 剩空穴的 产生过程
当有过剩载流子产生时，外界的激发作用就 已经打破了热平衡状态，电子和空穴的浓度也 不再满足热平衡时的条件，即：
第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
本章学习要点： 1. 了解有关过剩载流子产生与复合的概念； 2. 掌握描述过剩载流子特性的连续性方程； 3. 学习双极输运方程，并掌握双极输运方程的 几个典型的应用实例； 4. 建立并深刻理解准费米能级的概念； 5. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响，并 掌握其定性分析的方法。
D’和μ’分别称为双极扩散系数和双极迁移率。 根据扩散系数和迁移率之间的爱因斯坦关系，
半导体激光器工作原理及基本结构PPT课件
• 一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
第5页/共15页
增益和阈值电流
• 增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。 • 损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺
陷散射及端面透射损耗等。 • 阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射 光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种 光辐射叫做受激光辐射。
第4页/共15页
法布里-珀罗谐振腔 (形成相干光)
• 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔 ，两个解理 面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提 高激射效率.
2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传 递而逸散，提高器件的散热性能；
3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
第10页/共15页
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射 率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
第3页/共15页
自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注 入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对， 将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和 方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。
• 受激光辐射（半导体激光器）
第13页/共15页
弱折射率波导条形激光器（脊形波导）
特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出一个脊（宽度大约 3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um, 腐蚀一部分上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向 形成一定的折射率台阶，对侧向光波有较弱的限制作用。
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增益和阈值电流
• 增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。 • 损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺
陷散射及端面透射损耗等。 • 阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射 光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种 光辐射叫做受激光辐射。
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法布里-珀罗谐振腔 (形成相干光)
• 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔 ，两个解理 面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提 高激射效率.
2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传 递而逸散，提高器件的散热性能；
3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
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条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射 率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
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自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注 入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对， 将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和 方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。
• 受激光辐射（半导体激光器）
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弱折射率波导条形激光器（脊形波导）
特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出一个脊（宽度大约 3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um, 腐蚀一部分上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向 形成一定的折射率台阶，对侧向光波有较弱的限制作用。
第六章 半导体技术
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 4、共价键中的价电子由于不能自由移动，不能参与 导电，价电子不是载流子。 5、价电子游离出来后，在共价键中 空穴 自由电子 留下一个空格，称该其为空穴。 空穴带一个单位正电荷（即空穴带正 +Si Si 电）。 Si Si 6、在电场的作用下，邻近共价键中 的价电子游离出来填补这个空穴， 价电子 从而在邻近形成新的空穴，这相当于 空穴在移动，空穴也是一种载流子。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）PN结的形成及导电特性 四）PN结的形成及导电特性 1、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 结？ 2、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 扩散、空间电荷区、内电场、漂移、扩散与漂移 达到的动态平衡。
Si Si Si
四）半导体中的载流子 1、载流子：半导体中的一种导电粒子， 它能参与导电。
Si
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 2、在0K（-273℃）时，本征半导体内没有可自由移 、在0K（ 273℃ 动的导电粒子，它是不能导电的。 3、如果本征半导体受到能量的激发（加热或光照 射），某些共价键中的价电子因获得能量，从而 脱离原子核的吸引，从共价键中游离出来成为自 由电子（这类自由电子能自由移动，能参与导电， 称为载流子），这时本征半导体就具备了导电的 能力（因为它内部有了载流子）。这时给本征半 导体加上电场，在电场的作用下，载流子作定向 运动就形成了电流，我们说半导体导电了。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
大功率半导体激光器及其应用 ppt课件
• 晶体中原子间相互作用，导
致能级分裂，由于原子数目
巨大，所以分裂的能级非常
密集，认为是准连续的，即 形成能带
在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带
• 半导体中电子的能级与金属
有本质的区别，在半导体中
原子和价电子间的相互作用
使价电子分成被禁带相隔的
价带和导带。
ppt课件 单晶Si的二维结构和能带图 20
• 波导的设计利用了折射 率n随禁带宽度变化这一 特点（禁带宽度增加折 射率降低）。
• QW被镶嵌在高折射率 材料的核心区，盖层的 折射率比核心区要低。
ppt课件
37
垂直波导结构的设计
• 对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个 不利因素的优化 。
• 对于TM模，限制因子Γ：
• 光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散 • 层结构影响串联电阻和热阻。 • 好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化
ppt课件
8
受激辐射
• 激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子 的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁 至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态 的光子。这一过程被称为受激辐射
E2
hv
E1
E2
hv
hv
E1
受激辐射示意图
ppt课件
9
2、产生激光的必要条件
• 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合， 使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。
ppt课件
3
1、激光的概念
• 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER）一词是受激辐射光放大。
半导体光电子学第6章 半导体发光二极管
用于光纤通信的发光二极管从材料到器件的异质结构 都与半导体激光器没有很大差别，因而前面1～3章的 一些基本理论对半导体发光二极管也是适用的。
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
半导体激光器与发光二极管在结构上的主要差别是前 者有光学谐振腔，使复合所产生的光子在腔内振荡和 放大；而后者则没有谐振腔。
正是由于它们在发光机理和上述这一基本结构上存在 差别，而使它们在主要性能上存在明显差别。
光谱宽度随有源层厚度的增 加而减小可归因于能为载流 子所填充的能带变窄。
面发光二极管的光谱宽度较宽。例如， 在高的注入电流下中心波长为1.3m 的面发光管，其Δ可达1300Å。但 它对温度不灵敏、高可靠性和低成本 等优点，却是光纤通信局部网(LAN) 中波分复用(WDM)光源所希望的。
然而，如此宽的谱宽限制了在保证邻 近信道之间有小的串音的前提下所能 供复用的波长数量。
防止发光管产生受激发射的另一种有效方法是将后端面弄斜， 以破坏由解理面形成的法布里-拍罗腔，如图6.2-2所示。其 基本结构与V沟衬底埋层异质结激光器相同，前端面镀增透 膜，后端面腐蚀成斜面。这种结构的特点是更能可靠地防止 受激发射，与前面采取非泵浦区结构的边发光管相比，更能 利用有源层的长度来产生自发辐射，获得较高输出功率。
1．不存在阈值特性，P-I线性好，因而有利于实现信 号无畸变的调制，这在高速模拟调制中是特别重要的；
2．虽然半导体发光二极管的光相干性很不好，但正因 为如此，避免了半导体激光器容易产生模分配噪声和 对来自于光纤传输线路中反射光较灵敏的缺点； 3．工作稳定，输出功率随温度的变化较小，不需要精 确的温度控制，因而驱动电源很简单；
三、发光二极管的发射谱
半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
半导体物理学第6章(pn结)
Ei Ev
Ec Ei
Silicon (n-type)
Ef
Ev
热平衡条件
内建电势
内建电势
PN结的内建电 势决定于掺杂 浓度ND、NA、 材料禁带宽度 以及工作温度
③接触电势差: ♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD ♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
kT nn 0 kT N D N A VD ln ln 2 e np0 e ni
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
准中性区载流子浓度
理想二极管方程
求解过程
准中性区少子扩
散方程 求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(-xp)
理想二极管方程(1)
新的坐标:
d pn pn 0 Dp 2 dx' p
2
-xp
xn
x
X’
边界条件:
0
pn ( x' ) 0 ni2 qVA / kT pn ( x' 0) e 1 ND
图629正向电流一开始就随正向电压的增加而迅速上升达到一个极大峰值电流i随后电压增加电流反而减少达到一个极小谷值电流i当电压大于谷值电压后电流又随电压而上升图6270点平衡pn结1点正向电流迅速上升2点电流达到峰值3点隧道电流减少出现负阻4点隧道电流等5点反向电流随反向电压的增加而迅速增适当波长的光照射到非均匀半导体上由于内建场的作用半导体内部可以产生电动势光生电压光生伏特效应是内建场引起的光电效应
光电子技术6. 第六章—分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器
15
DFB半导体激光器的应用前景
从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开 始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用。其应用领 域如下：
• 高速数据传输系统需要高速激光器，高速激光器是超长距离、 超大容量光纤通信系统的关键器件。
• 应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局 限 充 分 利 用 单 模 光 纤 的 带 宽 ， 可 采 用 波 分 复 用 (WDM) 和 时 分 复 用 (TDM)技术，而波长稳定、精度可控的光源是实现WDM的关键。可调 谐DFB激光器在WDM中作光源。
19
20
10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications
• Transmission length: 100 km • Feature: Low power penalty (<1.5 dB) & Wide bandwidth (~14 GHz)
上述方法中，引进/4相移和不对称端面反射率两种 方法较可行，并且有效。
31
设DFB激光器分左右两段。为简单起见，假定左右两段
的折射率相同，两端的反射率也相同，即R1=R2。两段 各在中心附近产生一个/4的相移：
=/2
左右区的折射率分别为：
n1 ( z)
n0
nm
cos(2
mz
)
n2 (z)
n0
nm
cos(2
0c
E(x, y, z,t)
t
1 c2
2E(x, y, z,t)
t 2
1
0c2
2P(x, y, z,t)
t 2
DFB半导体激光器的应用前景
从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开 始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用。其应用领 域如下：
• 高速数据传输系统需要高速激光器，高速激光器是超长距离、 超大容量光纤通信系统的关键器件。
• 应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局 限 充 分 利 用 单 模 光 纤 的 带 宽 ， 可 采 用 波 分 复 用 (WDM) 和 时 分 复 用 (TDM)技术，而波长稳定、精度可控的光源是实现WDM的关键。可调 谐DFB激光器在WDM中作光源。
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10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications
• Transmission length: 100 km • Feature: Low power penalty (<1.5 dB) & Wide bandwidth (~14 GHz)
上述方法中，引进/4相移和不对称端面反射率两种 方法较可行，并且有效。
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设DFB激光器分左右两段。为简单起见，假定左右两段
的折射率相同，两端的反射率也相同，即R1=R2。两段 各在中心附近产生一个/4的相移：
=/2
左右区的折射率分别为：
n1 ( z)
n0
nm
cos(2
mz
)
n2 (z)
n0
nm
cos(2
0c
E(x, y, z,t)
t
1 c2
2E(x, y, z,t)
t 2
1
0c2
2P(x, y, z,t)
t 2
半导体激光器基本结构PPT课件
发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所 不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐 射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结 (DH)结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不 同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管 有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发 光型LED，其结构示于图。和正面发光型LED相比，侧 面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于 光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光 功率比正面发光型LED大。
第9页/共48页
半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能
量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f=Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10－34 J·s为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，
测器称为光电二极管。光电二极管(PD)把光信号转换为 电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。
第22页/共48页
PIN光电二极管
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性 区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件 的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导 体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。
受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种
第3页/共48页
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光
通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激
活物质。N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布
相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。
半导体物理-第六章(教材PPT)-刘恩科
六、推导爱因斯坦关系式（5分）：
推导爱因斯坦关系式
Dn k0T
n q
证：热平衡时，漂移和扩散产生的电流相等，有：
n0 (x)n E
Dn
dn0 (x) dx
(1)
E dV (x) dx
（2）
又 所以：
n0 (x)
Nc
exp[
EF
qV (x) k0TEc]dn0 Nhomakorabeax) dx
证：因为
Dn
K0T q
n, Dp
k0T q
p ,np0
ni2 p p0
,
pn0
ni2 nno
i qni ( n p )
所以： J s
k 0Tni2 [
n Ln Pp0
p ] L p nn0
k
0
2 i
q
np [ 1 (n p )2 Ln p
1 ]
Lp n
k
0Tb
2 i
[
1
1]
q(1 b)2 Ln p Lp n
第六章 PN结
6.1 热平衡条件下的PN 结 6.2 PN结的伏安特性
本章重点：PN结的形成 PN结的性质
• PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界 • PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于
更好地理解器件
• 典型制造过程：合金法、扩散法
6.1 热平衡条件下的PN 结
突变结: 浅结、重掺杂（<1um）
q n0 (x) k0T
dV (x) dx
(3)
第六章激光器单元技术.ppt
第八页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第九页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第十页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第十一页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第十二页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第十三页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第十四页，编辑于星期二：二十三点 五十。
第四十九页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第五十页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第五十一页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第五十二页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第五十三页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第五十四页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第七十五页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十二页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十三页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十四页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十五页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十六页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第六十七页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第三十五页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第三十六页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第三十七页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第三十八页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第三十九页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
第四十页，编辑于星期二：二十三点 五十一分。
第四十一页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
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第五十六页，编辑于星期二：二十三点 五十一 分。
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当系统处于热平衡状态时，
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔
注入电流
解理面
有源区 L
解理面
R1
增益介质
z=0
法布里－珀罗腔
R2 z=L
激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗
只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振 荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的 注入电流称为阈值电流。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
E
(b)
能 量
n 折
(c) 射 率
空穴
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
复合 异质 势垒
～ 5%
P (d) 光
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
在热平衡状态下(a，) 能量为E的能级(b)被电子占据的概(c率) 为费米分
布
1
p(E)
1
E exp(
Ef
)
(3.3)
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。
(2)受激辐射
在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐 射，见图6－15(b)。 (3)受激吸收
在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6－15(c)。
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的 有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就 可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
产生激光的必要条件二：粒子数反转分布
产生粒子数反转的方法
• 注入载流子－半导体激光器 • 强光对激光物质进行照射－固体激光器 • 气体电离－气体激光器
2. PN
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。能量低的能带称为价带，能量高的能带称
增益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，见图3.3(c)。
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空 穴复合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的 非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。
产生粒子数反转分布的条件： V EFn EFp Eg
受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件， 即
E2-E1=hυ
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数， υ为吸收或辐射 的光子频率。
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别 为N1和N2。
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
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 3.3(b)。
P区
能量
p
E
c
P区
p
E
v
内部电场
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
n
E
c
（a) P-N结内载流子运动；
势垒
E
f
N区
n
E
v
图 3.3 PN
(b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
p
E
c
hf
p
Ef
p
Ev
n
E
c
n
hf
Ef
n
Ev
内部电场
外加电场
电子，
空穴
正向偏压下P-N结能带图
获得粒子数反转分布
增益区（作用区）的产生：
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，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物 质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
E2
初态
E1
E2
hυ=E2-E1
E1
终态
(a) 自发辐射 光子的特点：非相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
E2
E2
hυ
E1
终态
E1
初态
(b) 受激辐射
(c) 受激吸收
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
同质结、异质结结构示意图 为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。
这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。
结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构 成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为 工作模式，即在该频率上形成激光输出。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为
γth =α+
1 ln 1 2L R1R2
式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
激光稳定工作的条件1：合适的谐振腔
注入电流
解理面
有源区 L
解理面
R1
增益介质
z=0
法布里－珀罗腔
R2 z=L
激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗
只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振 荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的 注入电流称为阈值电流。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
E
(b)
能 量
n 折
(c) 射 率
空穴
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
复合 异质 势垒
～ 5%
P (d) 光
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
在热平衡状态下(a，) 能量为E的能级(b)被电子占据的概(c率) 为费米分
布
1
p(E)
1
E exp(
Ef
)
(3.3)
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。
(2)受激辐射
在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐 射，见图6－15(b)。 (3)受激吸收
在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会 吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6－15(c)。
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的 有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就 可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
产生激光的必要条件二：粒子数反转分布
产生粒子数反转的方法
• 注入载流子－半导体激光器 • 强光对激光物质进行照射－固体激光器 • 气体电离－气体激光器
2. PN
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。能量低的能带称为价带，能量高的能带称
增益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，见图3.3(c)。
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空 穴复合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的 非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。
产生粒子数反转分布的条件： V EFn EFp Eg
受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件， 即
E2-E1=hυ
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数， υ为吸收或辐射 的光子频率。
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别 为N1和N2。
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
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 3.3(b)。
P区
能量
p
E
c
P区
p
E
v
内部电场
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
n
E
c
（a) P-N结内载流子运动；
势垒
E
f
N区
n
E
v
图 3.3 PN
(b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
p
E
c
hf
p
Ef
p
Ev
n
E
c
n
hf
Ef
n
Ev
内部电场
外加电场
电子，
空穴
正向偏压下P-N结能带图
获得粒子数反转分布
增益区（作用区）的产生：
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，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物 质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
E2
初态
E1
E2
hυ=E2-E1
E1
终态
(a) 自发辐射 光子的特点：非相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
E2
E2
hυ
E1
终态
E1
初态
(b) 受激辐射
(c) 受激吸收
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
同质结、异质结结构示意图 为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。
这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。
结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构 成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为 工作模式，即在该频率上形成激光输出。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为
γth =α+
1 ln 1 2L R1R2
式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体