一、
半導(dǎo)體激光器的特征
+tk{"s^r* 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。
{FIXc^m ' 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。
u#V5?i 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。
1}:bqI.<W 二、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理
nM-h&na{s 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。
Ju3*lk/j- 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。
PG_0\'X)/w （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。
-R% <.]fJ （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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T? 圖19－24
B,K>rCZ/ 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。
;z IP,PMM 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。
@Q^P{ 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）。
ZP;j9 T! p"FW&Q=PN 
E 2"q3_,, 圖19－25
FFH_d <q （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。
E7CH^]x 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。
Bnb#{tL 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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HE'2"t[a $`wMX{ 圖19－26
9$Xu,y 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。
mFSw@CC 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。
Yb /i{@AJ 三、半導(dǎo)體激光器的工作特性
C": o/;,1 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：
;Ww7"-=sw �。�1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。
l"!Ko G7 �。�2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。
)@L'wW （3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2�，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。
#ssN027 �。�4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。
A%^w^f 2．方向性。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右（見(jiàn)圖19－27）。
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7~S&z 圖19－27
aS pWsT 3．效率。量子效率
w^#L9i'v' η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)數(shù)
|6(ZD^w 77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達(dá)70％－80％；300K時(shí)，降到30％左右。
Fb4`| 功率效率η1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率
m <w "T7 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的η1最高10％，只有在低溫下才能達(dá)到30％－40％。
`8I&7c 4．光譜特性。由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見(jiàn)其單色性較差。輸出激光的峰值波長(zhǎng)：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。
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