半导体激光器结构及工作原理分析(半导体激光器结构原理)

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半导体激光器结构及工作原理分析以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍了注入式同质结激光器的工作原理。1. 注入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，形成激光器的机理也有其特殊性。(1) 半导体的能带结构。

大多数半导体材料都具有晶体结构。当大量原子规则紧密地结合成晶体时，晶体中的价电子都在晶体能带中。

价电子所在的能带称为价带（对应于较低的能量）。离价带最近的高能带称为导带，能带之间的空间称为禁带。

当施加外部电场时，价带中的电子跳到导带，在那里它们可以自由移动并导电。同时，价带中失去一个电子就相当于出现了一个带正电的空穴，在外电场的作用下也能导电。

因此，价带中的空穴和导带中的电子都导电，统称为载流子。(2)掺杂半导体和p-n结。

没有杂质的纯半导体称为本征半导体。如果在本征半导体中掺杂杂质原子，则在导带以下和价带以上形成杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

具有施主能级的半导体称为n型半导体；具有受主能级的半导体称为p型半导体。在室温下，热能使n型半导体的大部分施主原子电离，电子被激发到导带，成为自由电子。

p型半导体的大部分受体原子在价带捕获电子，在价带形成空穴。因此，n型半导体主要靠导带中的电子导电； p型半导体主要通过价带中的空穴导电。

半导体激光器所用的半导体材料掺杂浓度大，n型杂质原子数一般为(2-5)1018cm-1； p型为(1-3)1019cm-1。在一块半导体材料中，由p型区突然变为n型区的区域称为p-n结。

界面处将形成空间电荷区。 n型半导体能带中的电子会扩散到p区，而p型半导体价带中的空穴会扩散到n区。

这样，结构附近的n型区因为是施主而带正电，结区附近的p型区因为是受主而带负电。在界面处形成从n区到p区的电场，称为自建电场。

该电场阻止电子和空穴的进一步扩散。(3) p-n结电注入的激发机理。

如果对形成p-n 结的半导体材料施加正向偏压，则p 区连接到正极，n 区连接到负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场相反，削弱了自建电场对电子在晶体中扩散的阻碍作用，使自由电子在晶体中扩散。

n区在正向电压的作用下，也不断通过p-n结向p区扩散。当结区导带中有大量电子，价带中有大量空穴时，它们会在注入区复合。

当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量以光的形式发射出去。这就是半导体电致发光的机理，这种发光的自发复合称为自发发射。

要使p-n结产生激光，需要在结构中形成粒子反转分布态，使用重掺杂的半导体材料，需要足够大的电流注入p-n结（如30000A/cm2）。这样，在pn结的局部区域，可以形成导带电子数多于价带空穴数的反转分布态，从而产生受激复合辐射和发射激光。

2. 半导体激光器结构。其外形尺寸与小功率半导体三极管相似，只是外壳上多了一个激光输出窗口。

夹着结区的p区和n区做成层状，结区厚度为几十微米，面积小于1平方毫米左右。半导体激光器的光学谐振腔由垂直于p-n结面的自然解理面（110面）组成。

它的反射率为35，足以引起激光振荡。如需提高反射率，可在晶体表面镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。

一旦将正向偏置电压施加到半导体激光器上，粒子的数量就会反转并在结区重新组合。审稿人黄昊宇。

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