新激光ppt课件第三章 典型激光器.ppt

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1、3.5半导体激光器以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。它具有超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等特点。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。自1962年半导体砷化镓（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类

2、型。欲使半导体材料产生激光，就要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特性。构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。1．能带一、半导体的能带结构和电子状态量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成N个与原

3、来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目N非常大，新能级又与原原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围称为“能带”。固体的能带不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度Eg来衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应关系。电子轨道,能级,和能带在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为“满带”，

4、而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带”，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。本征半导体的能带纯净(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。在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如GaAs（III一V族化合物）中掺入碲（VI族元素），就会在导带下形成杂质能级ED，如图

5、（a）。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果我们在GaAs中掺入II族元素如Zn，则会在价带上方形成受主杂质能级，如图(b)。价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。2.半导体类型半导体的杂质能级一般低掺杂半导体中，杂质能级是一些位于禁带中的分立能级。但当掺入杂质的浓度很大时，杂质能级也将分裂成为“杂质能带”。杂质浓度愈高，杂质能带就愈宽，甚至出现杂质能带与导带或价带连

6、成一片而形成“带尾”。此时禁带宽度由于带尾而变窄。3．电子和空穴的统计分布统计物理学指出：满足泡里原理的电子集团，遵循费米一狄拉克统计规律，即在热平衡条件下，一个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杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。如图给出了温度极低时的情况。费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系二、PN结和粒子数反转1.P-N结的双简并能带结构费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系只有一个费米能级把P型和N型半导体制作在一起，是

7、否可能在结区产生两个费米能级呢？PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构在这种非平衡态下，结区的统一费米能级不再存在,形成结区的两个费米能级和，称为准费米能级，如图。未加电场时，电子和空穴的扩散运动漂移运动平衡时,P区和N区的费米能级必然达到同一水平。自建场在P-N结上加以正向电压V时，产生正向电流,即载流子注入.在作用区内，同时存在大量的导带电子和价带空穴于是形成双简并能带结构.2.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

8、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GaAs激光器的结构三、半导体激光器的工作原理和阈值条件核心:PN结解理面:构成谐振腔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结区电子的寿命3.半导体激光器的阈值电流低温下,在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间