半导体激光器产生激光的条件,固体激光器工作原理

半导体激光器结构与工作原理分析

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的晶体结构和电子结构，形成激光的机理具有特殊性。

)半导体的能带结构。 半导体材料多为晶体结构。 当许多原子有序紧密结合成晶体时，晶体中它们的价电子都在结晶能带。 有价电子的能带称为价电子带，对应较低的能量。 离价带最近的高频带称为导带，带间的空域称为禁带。 施加外加电场后，价带中的电子向导带迁移，可以在导带中自由运动发挥导电作用。 同时，价带中失去一个电子，就相当于出现一个带正电的空穴，空穴在外部电场的作用下也起导电作用。 因此，价带中的空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

)掺杂半导体和p-n结。 没有杂质的纯半导体被称为本征半导体。 本征半导体中引入杂质原子后，在导带下方和价带上方形成杂质能级，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为该p型半导体。 常温下，热能离解n型半导体的大部分施主原子，其中电子在导带激发下成为自由电子。 另一方面，p型半导体的大部分受主原子捕获价带的电子，在价带中形成空穴。 因此，n型半导体主要由导带中电子导电； p型半导体主要通过价带中的空穴传导电。

半导体激光器中使用半导体材料的掺杂浓度大，n型杂质原子数一般为(2-5) 1018cm-1； p型为(1-3)1019cm-1。

在一个半导体材料中，从p型区域向n型区域突然变化的区域称为p-n结。 在其边界面上形成空间电荷区域。 n型半导体带中的电子将要向p区域扩散，而p型半导体价带中的空穴将要向n区域扩散。 于是，结构附近的n型区域因为是施主，所以带正电，结附近的p型区域因为是受主，所以带负电。 在边界面上形成从n区域向p区域的电场，称为自建立电场。 该电场阻止电子和空穴的持续扩散。

(3) p-n结电注入激励机制。 当对形成有p-n结的半导体材料施加正向偏压时，p区域连接到正极，n区域连接到负极。 显然，正向电压的电场与p-n结的自构筑电场相反，减弱了自构筑电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，n区域中的自由电子通过正向电压经由p-n结继续扩散到p区域，在结区域内同时存在多个导带中的电子和价带中的空穴的情况下， 它们在注入区复合，当导带中的电子跃迁到价带时，额外的能量这就是半导体场致发光的机制，这种自发复合的发光叫做自发辐射。

为了在p-n结中产生激光，需要在结构内形成粒子反转的分布状态，需要使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大(例如30000A/cm2 )。 这样，在p-n结的局部区域，形成导带中的电子比价带中的空穴数多的反转分布状态，产生激发复合辐射，发射激光。

2 .半导体激光器结构。 它的外形和大小与小功率半导体晶体管差不多，外壳上只有一个激光输出窗。 夹着接合部的p区和n区呈层状，接合部的厚度为几十微米，面积约小于1mm2。

半导体激光器的光谐振器由与p-n结平面垂直的自然解理面(110面)构成，具有35个反射率，足以引起激光振荡。 为了提高反射率，在结晶面镀上二氧化硅，再镀上金属银膜的话，可以得到95%以上的反射率。

对半导体激光施加正向偏压时，接合部粒子数反转并重新结合。