半導(dǎo)體激光器簡介解析

1、半導(dǎo)體激光器簡介解析1半導(dǎo)體根底知識(shí)2 半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造典型半導(dǎo)體激光器構(gòu)造圖GaAsP-GaAsn-GaAs激光1. 半導(dǎo)體的根底知識(shí)定義：在絕對零度時(shí)無任何導(dǎo)電才能，但其導(dǎo)電性隨溫度升高呈現(xiàn)總體上升趨勢，且對光照等外部條件和材料的純度與構(gòu)造完好性是否有缺陷等內(nèi)部條件非常敏感的物質(zhì)。1 當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電才能明顯變化。2 往純潔的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電才能明顯改變。3缺陷在半導(dǎo)體中往往會(huì)改變晶體的共價(jià)鍵環(huán)境，改變其導(dǎo)電才能1.1 能帶理論：對導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體本質(zhì)上科學(xué)區(qū)分的理論電阻率： 10e9晶體中的電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電子不再屬于某一個(gè)原子，而是屬于整個(gè)

2、晶體共有晶體中原子間互相作用，導(dǎo)致能級分裂，由于原子數(shù)目宏大，所以分裂的能級非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成能帶電子總是先填充低能級，0K時(shí)，價(jià)帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒有電子禁帶：在絕對零度時(shí)，半導(dǎo)體中的能帶以一條特征能隙分界，其下的能帶全部被電子占滿，其上的能帶全部空著，這條能隙就是禁帶價(jià)帶：緊鄰其下的滿電子因其中的電子全是價(jià)電子，稱為價(jià)帶導(dǎo)帶：緊鄰其上的空帶因?yàn)樵谠诜橇銣囟认鲁霈F(xiàn)少量與金屬中的自由電子相似的、可參與導(dǎo)電的電子，稱為導(dǎo)帶。滿帶電子不導(dǎo)電只有未被電子填滿的能帶中的電子才能參與導(dǎo)電，盡管絕對零度時(shí)的半導(dǎo)體和絕緣體中都存在為數(shù)眾多的電子，但因其皆處于滿帶之中，因此對材料的電導(dǎo)率還

3、沒有奉獻(xiàn)。金屬良導(dǎo)體在T=0K時(shí)，其全部價(jià)電子只能填滿能帶的下半部，上半部空著，上下之間沒有能量間隙，電子容易躍遷，易導(dǎo)電。而半導(dǎo)體和絕緣體相似，空帶間隔 能帶之間有一定禁帶，需要外界作用才能導(dǎo)電，因此不易導(dǎo)電。1.2 本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：在熱力學(xué)溫度T=0K和沒有外界影響的條件下，半導(dǎo)體的價(jià)電子均束縛在共價(jià)鍵中，不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子。但當(dāng)溫度升高或受到光線照射時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子從外界獲得足夠的能量，從而掙脫共價(jià)鍵的束縛，分開原子而成為自由電子，同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下了一樣數(shù)量的空位，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。其中自由電子和空位稱為載流子，半導(dǎo)體是依靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電

4、的物質(zhì)，把主要依靠本征激發(fā)獲得載流子的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴相等是本征半導(dǎo)體的主要特點(diǎn)+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子空穴束縛電子摻雜半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：往Si中摻入五價(jià)元素的雜質(zhì) 五價(jià)元素稱為施主雜質(zhì)P型半導(dǎo)體：摻入三價(jià)元素的雜質(zhì) 三價(jià)元素稱為受主雜質(zhì) 要在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，必須使其導(dǎo)帶保持高密度的電子，價(jià)帶保持高密度的空穴，這種反常分布需要由外界輸入能量來維持，靠外力將電子不斷激發(fā)并維持在高能級上的過程被稱為“泵浦。 半導(dǎo)體激光器一般采用pn結(jié)正向注入的方式“泵浦電子1.3 PN結(jié)的形成 兩種載流子：電子 空穴兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由載流子濃度差引起的運(yùn)動(dòng) 漂

5、移運(yùn)動(dòng)在電場作用下的載流子定向運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 濃度差異引起多子的擴(kuò)散 擴(kuò)散過程中電子和空穴不斷復(fù)合N區(qū)電子P區(qū)空穴空間電荷區(qū) E內(nèi) 隨著擴(kuò)散的進(jìn)展， 空間電荷區(qū)展寬，電場加強(qiáng) U 0E 內(nèi)J擴(kuò)散N區(qū)P區(qū)漂移運(yùn)動(dòng) 內(nèi)建電場E的出現(xiàn)阻礙了多子的運(yùn)動(dòng)，但促 進(jìn)了少子的漂移運(yùn)動(dòng) ，使內(nèi)建電場變窄，電場減弱 空間電荷區(qū)E 內(nèi)U 0N區(qū)空穴P區(qū)電子 J 漂移N區(qū)電子P區(qū)空穴 J 擴(kuò)散NE 內(nèi)E 內(nèi)當(dāng)多子擴(kuò)散和少子的漂移到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，J 漂移J 擴(kuò)散PPN結(jié)1.4 PN結(jié)的單向?qū)щ娦钥臻g電荷區(qū)U 0E 內(nèi)無外加電壓時(shí)空間電荷區(qū)E 內(nèi)U 0 UE 內(nèi)11). 外加正向電壓空間電荷區(qū)E 內(nèi)U 0 +UE 內(nèi)22

6、). 外加反向電壓+-+1.5 半導(dǎo)體器的3個(gè)必要條件驅(qū)動(dòng)電源工作物質(zhì)諧振腔注入式光子鼓勵(lì)電子束鼓勵(lì)PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)DH解理面布拉格反響分布反響式DFB分布布拉格反射式DBR2 半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造可見光： GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480490nm 藍(lán)綠光 InGaAlP/GaAs 630680nm AlGaAs/GaAs 720760nm近紅外長波長： GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760900nm InGaAs/GaAs 980nm InP襯底 最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層厚度約、P型和N型限制層構(gòu)成，如以以下圖所示。解理面金屬接觸電流有源層P型N型300m100m200m大面積半導(dǎo)體激光器1、同質(zhì)結(jié)PN結(jié)半導(dǎo)體激光器 PN能帶正向電壓V時(shí)形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)LD的特點(diǎn)：閾值電流高，常溫下不能連續(xù)工作所加的正向偏壓必須滿足1、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體