現(xiàn)以砷化鎵(GaAs)激光器為例，介紹注入式同質結激光器的工作原理。 j6j4M,UI43
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1.注入式同質結激光器的振蕩原理 #$]8WSl
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由于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。 6J">@+
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(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(guī)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，則相當于出現(xiàn)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(tǒng)稱為載流子。 ~,Yd.?.TI
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(2)摻雜半導體與p-n結。沒有雜質的純凈半導體，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。 ~Orz<%k.
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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(fā)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。 LXZI|K[}k
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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(shù)一般為(2-5)x1018cm-1，p型為(1-3)x1019cm-1。 qJ .XI
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在一塊半導體材料中，從p型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結。其交界面處將形成一空間電荷區(qū)。n型半導體帶中電子要向p區(qū)擴散，而p型半導體價帶中的空穴要向n區(qū)擴散。這樣一來，結構附近的n型區(qū)由于是施主而帶正電，結區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負電。在交界面處形成一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散。 l%p, m [
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(3)p-n結電注入激發(fā)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(qū)接正極，n區(qū)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(qū)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(qū)擴散，在結區(qū)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?yún)^(qū)產生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導體場致發(fā)光的機理，這種自發(fā)復合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。 G_zK .N
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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(tài)，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(qū)域內，就能形成導帶中的電子多于價帶中空穴數(shù)的反轉分布狀態(tài)，從而產生受激復合輻射而發(fā)出激光。 c]i;0j? Dl
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2.半導體激光器結構 a8gOb6qF/H
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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(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。 eNO[ikm
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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硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95%以上的反射率。 4eF{Y^
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一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉而進行復合。
