PPT《第三章 半导体激光器件》

第二节 半导体激光器件 半导体激光器的工作原理半导体激光器的特性几种典型的半导体激光器 3.2.1 半导体激光器的工作原理

一、半导体注入型激光器的工作原理

1、半导体内电子辐射跃迁的主要特点 电子发生辐射跃迁需要具备几个基本的条件: 电子在能带间的射跃迁需要满足能量守恒和动量守恒条件.辐射跃迁的动量选择定则使得在间带隙材料中导带底和价带顶之间的辐射跃迁必须有声子的参与才能进行,这一求极大地降低了间接带隙材料中的辐射跃迁几率. 发生辐射跃迁的始态之间,始态上必须存在电子,同时相应的末态上必须存在空穴.这一条件对受激吸收基本上没有影响,而对自发辐射和受激辐射则是至关重要的・ 3.2.1 半导体激光器的工作原理 导带和价带内很高的电子和空穴态密度使得半导体能带中可以容纳很高浓度的电子和空穴,从而获得很大的自发辐射和受激辐射几率并提供较强的光增益作用.处于同一能带内不同能量状态上的载流子几乎可以随时维持其能带内的局部平衡状态.半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移.半导体材料的这种特性使得可以通过简单的直接电流注入对半导体激光器进行泵浦,产生非平衡载流子,并使材料处于粒子数反转分布状态.半导体内原子之间以及注入载流子之间的相互作用放宽了电子发生带间辐射跃迁的选择定则.使得辐射跃迁可以发生在导带内的大量电子和价带内的大量空穴之间. 2. 与普通的二能级系统的区别:

二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件 产生激光的条件:粒子数反转,使得受激辐射为主;

谐振腔,提供正反馈;

泵浦源--电注入 3.2.1 半导体激光器的工作原理 阈值条件:光增益大于光损耗 产生激光的机理 3.2.1 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的核心是PN结,它与一般的半导体PN结的主要差别是:半导体激光器是高掺杂的,即p型半导体中的空穴极多,n型半导体中的电子极多,因此,半导体激光器p-n结中的自建场很强,结两边产生的电位差VD(势垒)很大. 无外加电场时: p区的能级比n区高eVD,并且导带底能级比价带顶能级还要低,电子占据的可能性越大 无外加电场 有外加电场 当外加正向电压时,p-n结势垒降低.在电压较高、电流足够大时,p区空穴和n区电子大量扩散并向结区注入,并在p-n结的空间电荷层附近,导带与价带之间形成粒子束反转. 激活区或有源层

二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件

二、半导体注入型激光器的基本结构和阈值条件 只有外加足够强的正电压,注入足够大的电流,才能产生激光:否则,只能产生荧光. 曲线的转折点对应于阈值电流,是自发辐射和激光产生的分界点,也是从发光二极管状态到激光二极管工作的过渡点.一旦激光开始,曲线斜率就变陡. 发光二极管产生的光功率峰值最多是数百毫瓦量级;

激光二极管产生的光功率峰值国内可达数百瓦,国外可达千瓦以上. 3.2.2 半导体激光器的特性

一、伏安特性 激光器的伏安特性与一般二极管相同,也具有单向导电性,其电阻主要取决于晶体电阻和接触电阻,虽然阻值不大,但因工作电流大,不能忽视它的影响. 3.2.2 半导体激光器的特性

二、阈值电流 使半导体激光器的增益等于损耗,开始产生激光的注入电流密度叫阈值电流密度. 影响阈值的因素有:晶体的掺杂浓度越大,阈值越小;