一、
半導(dǎo)體激光器的特征
i21ybXA=Z 半導(dǎo)體
激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。
:]?y,e%xu, 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。
e_Cns & 半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。
rL+K Sb 二、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理
VlGg? 現(xiàn)以砷化鎵（GaAs）激光器為例，介紹注入式同質(zhì)結(jié)激光器的工作原理。
x,kZ>^]&b 1．注入式同質(zhì)結(jié)激光器的振蕩原理。由于半導(dǎo)體材料本身具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，故形成激光的機(jī)理有其特殊性。
^1d"Rqtv （1）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料多是晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)大量原子規(guī)則而緊密地結(jié)合成晶體時(shí)，晶體中那些價(jià)電子都處在晶體能帶上。價(jià)電子所處的能帶稱價(jià)帶（對(duì)應(yīng)較低能量）。與價(jià)帶最近的高能帶稱導(dǎo)帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當(dāng)加外電場(chǎng)時(shí)，價(jià)帶中電子躍遷到導(dǎo)帶中去，在導(dǎo)帶中可以自由運(yùn)動(dòng)而起導(dǎo)電作用。同時(shí)，價(jià)帶中失掉一個(gè)電子，則相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空穴，這種空穴在外電場(chǎng)的作用下，也能起導(dǎo)電作用。因此，價(jià)帶中空穴和導(dǎo)帶中的電子都有導(dǎo)電作用，統(tǒng)稱為載流子。
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1tU;G （2）摻雜半導(dǎo)體與
p-n結(jié)。沒(méi)有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價(jià)帶之上形成了雜質(zhì)能級(jí)，分別稱為施主能級(jí)和受主能級(jí)（見(jiàn)圖19－24）。
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]<3$Sx_{y jY.iQBhjEB 圖19－24
Bq}p]R3X 有施主能級(jí)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；有受主能級(jí)的半導(dǎo)體稱這p型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使n型半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而p型半導(dǎo)體的大部分受主原子則俘獲了價(jià)帶中的電子，在價(jià)帶中形成空穴。因此，n型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電；p型半導(dǎo)體主要由價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電。
Z4eu'.r-y~ 半導(dǎo)體激光器中所用半導(dǎo)體材料，摻雜濃度較大，n型雜質(zhì)原子數(shù)一般為（2－5）×1018cm-1；p型為（1－3）×1019cm-1。
gHU/yi!T 在一塊半導(dǎo)體材料中，從p型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結(jié)。其交界面處將形成一空間電荷區(qū)。n型半導(dǎo)體帶中電子要向p區(qū)擴(kuò)散，而p型半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴要向n區(qū)擴(kuò)散。這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)附近的n型區(qū)由于是施主而帶正電，結(jié)區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負(fù)電。在交界面處形成一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。此電場(chǎng)會(huì)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散（見(jiàn)圖19－25）。
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g[P.lpi{U 圖19－25
CuE>=y- "I �。�3）p-n結(jié)電注入激發(fā)機(jī)理。若在形成了p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。顯然，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過(guò)p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來(lái)。這就是半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光的機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。
t?[|oz:v 要使p-n結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入p-n結(jié)的電流足夠大（如30000A/cm2）。這樣在p-n結(jié)的局部區(qū)域內(nèi)，就能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。
JXR_klx 2．半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。如釁19－26為結(jié)構(gòu)圖，其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個(gè)激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。
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nxzdg5A(w xRZ9.Agv_ 圖19－26
y @&Cn 半導(dǎo)體激光器的
光學(xué)諧振腔是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面（110面）構(gòu)成，它有35的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95％以上的反射率。
O0?.$f9 s 一旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合。
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Y$*)( 三、半導(dǎo)體激光器的工作特性
& w{""' 1．閾值電流。當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素：
zE" ME*ou （1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。
zu6Y*{$>g �。�2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。
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