半導體雷射器的結構和工作原理分析

2020-12-04 OFweek維科網

半導體雷射器的結構和工作原理分析

現以砷化鎵（GaAs）雷射器為例，介紹注入式同質結雷射器的工作原理。

1．注入式同質結雷射器的振蕩原理。由於半導體材料本身具有特殊晶體結構和電子結構，故形成雷射的機理有其特殊性。

（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，則相當於出現一個帶正電的空穴，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，統稱為載流子。

（2）摻雜半導體與p－n結。沒有雜質的純淨半導體，稱為本徵半導體。如果在本徵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。

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。

半導體雷射器中所用半導體材料，摻雜濃度較大，n型雜質原子數一般為（2－5）× 1018cm－1；p型為（1－3）×1019cm－1。

在一塊半導體材料中，從p型區到n型區突然變化的區域稱為p－n結。其交界面處將形成一空間電荷區。n型半導體帶中電子要向p區擴散，而p型半導體價帶中的空穴要向n區擴散。這樣一來，結構附近的n型區由於是施主而帶正電，結區附近的p型區由於是受主而帶負電。在交界面處形成一個由n區指向p區的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續擴散。

（3）p－n結電注入激發機理。若在形成了p－n結的半導體材料上加上正向偏壓，p區接正極，n區接負極。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區擴散，在結區內同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入區產生複合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多餘的能量就以光的形式發射出來。這就是半導體場致發光的機理，這種自發複合的發光稱為自發輻射。

要使p－n結產生雷射，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態，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結的局部區域內，就能形成導帶中的電子多於價帶中空穴數的反轉分布狀態，從而產生受激複合輻射而發出雷射。

2．半導體雷射器結構。其外形及大小與小功率半導體三極體差不多，僅在外殼上多一個雷射輸出窗口。夾著結區的p區與n區做成層狀，結區厚為幾十微米，面積約小於1mm2。

半導體雷射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，已足以引起雷射振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化矽，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95％以上的反射率。

一旦半導體雷射器上加上正向偏壓時，在結區就發生粒子數反轉而進行複合。

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