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半導體激光器的工作原理和結構

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2019-04-02 09:00:00 來源:光電資訊

半導體激光器的工作原理和結構是什麼樣的?我們以砷化镓(GaAs)激光器為例,介紹注入式同質結激光器的工作原理。

1.注入式同質結激光器的振蕩原理。由於半導體材料本身具有特殊晶體結構和電子結構,故形成激光的機理有其特殊性。

(1)半導體的能帶結構。半導體材料多是晶體結構。當大量原子規則而緊密地結合成晶體時,晶體中那些價電子都處在晶體能帶上。價電子所處的能帶稱價帶(對應較低能量)。

與價帶最近的高能帶稱導帶,能帶之間的空域稱為禁帶。當加外電場時,價帶中電子躍遷到導帶中去,在導帶中可以自由運動而起導電作用。同時,價帶中失掉一個電子,則相當於出現一個帶正電的空穴,這種空穴在外電場的作用下,也能起導電作用。因此,價帶中空穴和導帶中的電子都有導電作用,統稱為載流子。

(2)摻雜半導體與p-n結。沒有雜質的純淨半導體,稱為本征半導體。如果在本征半導體中摻入雜質原子,則在導帶之下和價帶之上形成了雜質能級,分別稱為施主能級和受主能級。

有施主能級的半導體稱為n型半導體;有受主能級的半導體稱這p型半導體。在常溫下,熱能使n型半導體的大部分施主原子被離化,其中電子被激發到導帶上,成為自由電子。

而p型半導體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子,在價帶中形成空穴。因此,n型半導體主要由導帶中的電子導電;p型半導體主要由價帶中的空穴導電。

半導體激光器中所用半導體材料,摻雜濃度較大,n型雜質原子數一般為(2-5)× 1018cm-1;p型為(1-3)×1019cm-1。

在一塊半導體材料中,從p型區到n型區突然變化的區域稱為p-n結。其交界面處將形成一空間電荷區。n型半導體帶中電子要向p區擴散,而p型半導體價帶中的空穴要向n區擴散。

這樣一來,結構附近的n型區由於是施主而帶正電,結區附近的p型區由於是受主而帶負電。在交界面處形成一個由n區指向p區的電場,稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續擴散。

(3)p-n結電注入激發機理。若在形成了p-n結的半導體材料上加上正向偏壓,p區接正極,n區接負極。顯然,正向電壓的電場與p-n結的自建電場方向相反,它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用,使n區中的自由電子在正向電壓的作用下,又源源不斷地通過p-n結向p區擴散,在結區內同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時,它們將在注入區產生複合,當導帶中的電子躍遷到價帶時,多餘的能量就以光的形式發射出來。這就是半導體場緻發光的機理,這種自發複合的發光稱為自發輻射。

要使p-n結產生激光,必須在結構內形成粒子反轉分布狀態,需使用重摻雜的半導體材料,要求注入p-n結的電流足夠大(如30000A/cm2)。這樣在p-n結的局部區域內,就能形成導帶中的電子多於價帶中空穴數的反轉分布狀態,從而產生受激複合輻射而發出激光。

2.半導體激光器結構。其外形及大小與小功率半導體三極管差不多,僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結區的p區與n區做成層狀,結區厚為幾十微米,面積約小於1mm2。

半導體激光器的光學諧振腔是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面(110面)構成,它有35的反射率,已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化矽,再鍍一層金屬銀膜,可獲得95%以上的反射率。

一旦半導體激光器上加上正向偏壓時,在結區就發生粒子數反轉而進行複合。


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