半导体激光器原理

半导体激光器工作原理

现以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍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。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。

（1）半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

（2）掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，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，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

（3）p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n 结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有较高的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。

一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。

理论推导：

1、 光增益

电子数、空穴数费米分布 )exp(11)(kT F E E f n c -+= )exp(11)(kT

F E E f p v -+= F n :导带中电子的准费米能级,F p:价带中空穴的准费米能级.

导带中能量为E 处的电子数为： )()()(E f E N E n c c ⋅= 相应地，价带中的能量为(E-h ν)处的空穴数为：

)](1)[()(νννh E f h E N h E P c v ---=- 式中N c (E)、 N v (E-h ν)分别为能量E 处的电子能级密度和能量(E-h ν)处空穴能级密度。

发射和吸收的光子数：

dt

h E f E f h E N E N B dt

h E P E n B dN v c v c cV cV e )](1)[()()()()()()(νννρννρ---=-⋅⋅= dt

E f E N h E f h E N B dt

E P h E n B dN c c v v vc vc a )](1)[()()()()()()(---=⋅-⋅=νννρννρ

B cv 和B vc 为受激发射的爱因斯坦系数，且 B cv =B vc 要想获得激光，必须： dNe>dNa 将和的表达式代入上式，可得： fc(E)>fv(E-h ν) 即：kT

F h E kT F E p n --+>-+)(exp 11exp 11ν 所以： kT

h kT F F p

n νexp exp >-

即： 设x 处的光强为I(x)，传输dz 之后，因增益引起的光强增加量为： 式中g 为增益系数。同样，因吸收引起的光强减少量为：

dz z I z dI )()(αα=

式中α为吸收系数。光强为的光沿向传播了距离dz 之后，其光强的总变化为： dz z I g dI dI dI g )()(αα-=-=

如果工作物质是均匀的，体内的g 和α处处一致，不随位置而变化，则有：

dz g z I z dI )()

()(α-= 对上式积分，则有：⎰⎰-=z z I I dz g z I z dI 0)

()0()()()(α 所以])exp[()0()(z g I z I α-=

2、阈值条件

设z 处的强度为I 0的光，在谐振腔中经过一个来回反射后，z 处的光强为：

]2)exp[()(210L g R R I z I ⋅-=α

如果来回反射一次后，光强还维持不变，即，这就是阀值条件：

1]2)exp[(21=⋅-L g R R α

上式可以改写为：

2

11ln 21R R L g +=α 该式表明，只有增益足以克服内部损耗和端面损耗时，才能受激发射，这一条件就为阈值条件。

g

v c p n E E E h F F =-=>-νdz

z gI z dI G )()(=