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第四章半导体激光器
半导体的能带和产生受激辐射的条件
,每一个能级会分裂成为N个能级,因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带,称之为能带,见图(5-23)。
固体的能带
2. 纯净(本征)半导体材料,如单晶硅、锗等,在绝对温度为零的理想状态下,能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成,如图(5-24)。
本征半导体的能带
,电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布,而服从费米分布,能级E被电子占据的几率为
半导体的能带和产生受激辐射的条件
。为了说明问题,图(5-25)给出了温度极低时的情况。
,并且入射光的频率满足
费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
PN结和粒子数反转
1. P-N结的双简并能带结构
把P型和N型半导体制作在一起,是否可能在结区产生两个费米能级呢?
未加电场时,P区和N区的费米能级必然达到同一水平,如图(5-26)。
PN能带
在P-N结上加以正向电压V时,形成结区的两个费米能级和,称为准费米能级,如图(5-27)。
正向电压V时形成的双简并能带结构
2. 粒子数反转
PN结和粒子数反转
产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。
激光器在连续发光的动平衡状态,导带底电子的占据几率为
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算
价带顶电子占据几率则为
在结区导带底和价带顶实现粒子(电子)数反转的条件是
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理
GaAs激光器的结构
半导体激光器的工作原理和阈值条件
图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
2. 半导体激光器工作的阈值条件
激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件
增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质

半导体激光器的工作原理和阈值条件
在一定的时间间隔内,注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
GaAs激光器的伏安特性
伏安特性: 与二极管相同,也具有单向导电性,如图(5-29)所示。
阈值电流密度: 影响阈值的因素很多
方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
激光束的空间分布示意图
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱,谱宽一般为几百埃,图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱,谱宽达几十埃。
GaAs激光器的发射光谱
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
外微分量子效率:
功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比
2. 异质结半导体激光器
单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示
双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5-32)(c)所示。
同质结、异质结结构示意图