半導體激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理分析

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。

1．注入式同質(zhì)結(jié)激光器的振蕩原理。由于半導體材料本身具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，故形成激光的機理有其特殊性。

（1）半導體的能帶結(jié)構(gòu)。半導體材料多是晶體結(jié)構(gòu)。當大量原子規(guī)則而緊密地結(jié)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。

（2）摻雜半導體與p－n結(jié)。沒有雜質(zhì)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(zhì)原子，則在導帶之下和價帶之上形成了雜質(zhì)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(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。

半導體激光器中所用半導體材料，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。

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(jié)。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(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。

（3）p－n結(jié)電注入激發(fā)機理。若在形成了p－n結(jié)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(jié)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(jié)向p區(qū)擴散，在結(jié)區(qū)內(nèi)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(chǎn)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。

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)，需使用重摻雜的半導體材料，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)，就能形成導帶中的電子多于價帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復合輻射而發(fā)出激光。

2．半導體激光器結(jié)構(gòu)。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(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。

半導體激光器的光學諧振腔是利用與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。

一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進行復合。

審核編輯 黃昊宇