第三章 半导体激光器件

第一节 半导体能带论基础

第二节 半导体激光器件

第一节 半导体能带论基础

半导体概念与分类半导体概念与分类 各类半导体的能带结构各类半导体的能带结构 半导体中光与电子相互作用机理半导体中光与电子相互作用机理 半导体光电器件基础—半导体光电器件基础— PNPN 结结

3.1.1 3.1.1 半导体概念与分类半导体概念与分类

何谓半导体物体分类 导体 — 导电率为 105s.cm-1 ，量级，如金属

绝缘体 — 导电率为 10-22-10-14 s.cm-1 量级，如：橡胶、云母、塑料等。— 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。

半导体

半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性 半导体器件

温度增加使导电率大为增加温度特性 热敏器件

光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性

光敏器件光电器件

主要半导体材料

★ IV 族半导体材料 ---- 硅 Si ，锗 Ge

★ III-V 族化合物半导体材料 ---GaAs, InP ， GaAlAs ， InGaAsP

★ II-VI 族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe

一、本征半导体一、本征半导体

本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度： 99.9999999% ，“九个 9”

它在物理结构上呈单晶体形态。

常用的本征半导体

Si +14 2 8 4 Ge +32 2 8 18 4

+4

本征半导体的原子结构和共价键

+4+4+4

+4 +4 +4

+4+4 +4

共价键内的电子称为束缚电子

价带

导带

挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位

称为空穴

禁带 EG

外电场 E自由电子定向移动

形成电子流

束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流

本征半导体本征半导体

1. 本征半导体中有两种载流子— 自由电子和空穴它们是成对出现的

2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流电子流 自由电子作定向运动形成的

与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动

空穴流 价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动

由此我们可以看出：

本征半导体本征半导体

价带

导带

禁带 EG

能带结构 能带结构

自由电子

价电子与空穴

费米能级 Ef

本征半导体本征半导体

费米能级 Ef

当 T=0K 时，电子占据 E>Ef 的状态的几率为零。

]/)exp[(1

1)(

KTEEEf

f

当 T>0K 时，电子占据 Ef 的状态的几率为 1/2 。

导带中的电子绝大多数位于导带的底部；价带中的空穴绝大部分位于价带的顶部。

本征半导体本征半导体 -- 能带结构能带结构

当 T=0K 时，本征半导体的费米能级在禁带的中央；温度升高，费米能级略偏向导带一方。

温度对费米能级的影响

)*

*ln(

4

3

2 e

pvcf m

mkTEEE

本征半导体本征半导体 -- 能带结构能带结构

Ec 、 E— 导带低和价带顶的能级mp 、 me— 导带底和价带顶的电子和空穴的有效质量

二、杂质半导体二、杂质半导体

杂质半导体掺入杂质的本征半导体。

掺杂后半导体的导电率大为提高

掺入的三价元素如 B 、 Al 、 In 等，形成 P 型半导体，也称空穴型半导体

掺入的五价元素如 P 、 Se 等，形成 N 型半导体，也称电子型半导体

1. N 型半导体1. N 型半导体

+4+4+4

+4 +4 +4

+4+4 +4+5

+5

价带

导带+ + + + + + +

施主能级

自由电子是多子 空穴是少子杂质原子提供 由热激发形成

由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子

在本征半导体中掺入的五价元素如 P

+4+4+4

+4 +4 +4

+4+4 +4+5

+5

N 型半导体

+ +

+

+

+

+

+

+

N 型半导体N 型半导体

价带

导带

+ + + + + + +施主能级

Ef

Ef

Ef

)ln(22 c

DDcNf N

NkTEEE

3

2/3)*2(2

h

kTmNc e

N 型半导体N 型半导体

+4+4+4

+4 +4 +4

+4+4 +4+3

+3

价带

导带

- - - - - - -受主能级

自由电子是少子空穴是多子

杂质原子提供由热激发形成

因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也

称为受主杂质。

2. P 型半导体2. P 型半导体在本征半导体中掺入

的三价元素如 B

+4+4+4

+4 +4 +4

+4+4 +4+3

+3

P 型半导体

- -

-

-

-

-

-

-

P 型半导体P 型半导体

杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体

价带

导带

Ef

Ef

Ef

- - - - - - -受主能级

)ln(22 v

AAvPf N

NkTEEE

3

2/3)*2(2

h

kTmN pv

P 型半导体P 型半导体

半导体的能带结构

)*

*ln(

4

3

2 e

pvcf m

mkTEEE

★ 本征半导体

★ N 型半导体

)ln(22 c

DDcNf N

NkTEEE

★ P 型半导体

)ln(22 v

AAvPf N

NkTEEE

电子空穴

导带 导带

价带

导带

价带价带

施主

受主

本征半导体 P 型半导体N 型半导体

半导体的能带结构

Ef

Ef

Ef

能带中的载流子

★ 导带底的电子态密度：

2

1

)()( ce EEE

★ 价带顶的空穴态密度：

2

1

)()( EEE vp

由量子力学理论而来

能带中的载流子

★ 导带中电子浓度：

★ 价带中的空穴浓度：

n dEEEf e )()(

cE

)exp(kT

EE fc

P dEEEf p )()](1[

vE

)exp(kT

EE vf

直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体

k

E

直接带隙材料，效率高k

E

间接带隙材料，效率低能带 --- 波矢图

跃迁选择定则 : 跃迁的始末态应具有相同的波矢

主要半导体材料

★ IV 族半导体材料 ---- 硅 Si ，锗 Ge

★ III-V 族化合物半导体材料 ---GaAs, InP ， GaAlAs ， InGaAsP

★ II-VI 族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe

---- 用于集成电路、光电检测

--- 用于集成电路、发光器件、光电检测

---- 用于可见光和远红外光电子器件

间接带隙

导带 E2

价带 E1

半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用

自发辐射h=E2-E1 >Eg

光子密度 ()随时间的变化率 :

)](1)[(|)(

12 EfEAft spon

半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用

导带 E2

价带 E1

h

光子密度 ()随时间的变化率 :

受激吸收

)](1)[()(|)(

2112 EfEfBt abs

导带 E2

价带 E1

半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用

受激辐射h

光子密度 ()随时间的变化率 :

h h

)](1)[()(|)(

1221 EfEfBt sti

半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用

导带

价带

导带

价带

导带

价带

自发辐射 受激吸收 受激辐射

半导体内光与电子相互作用半导体内光与电子相互作用

1

A

33

3

2112 8 hn

cBBB

为能态电子的平均寿命

非平衡载流子与准费米能级非平衡载流子与准费米能级

电流注入，★ 非平衡载流子的产生

外场激发后果：半导体的总平衡被打破。但导带和价带会很快

形成局部平衡而形成自身的费米能级。

★ 准费米能级

fcE fE导带：

fvE fE价带：

半导体中的光增益半导体中的光增益

★ 产生光增益的条件

受激辐射速率 > 受激吸收速率

)()( 12 EfEf vc 粒子数反转：

gfvfc EhEE

PNPN 结的形成结的形成

P区 N区 扩散运动

载流子从浓度大向浓度小的区域扩散 , 称扩散运动形成的电流成为扩散电流

内电场

内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动

扩散运动 =漂移运动时达到动态平衡

内电场阻止多子扩散

因浓度差

多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

我们一起作个总结

PN 结形成

基本概念基本概念

扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散，扩散运动产生扩散电流。

漂移运动 少子向对方漂移，漂移运动产生漂移电流。

动态平衡扩散电流 =漂移电流， PN 结内总电流 =0 。

PN 结 稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。

V

PNPN 结的接触电位结的接触电位PNPN 结的接触电位结的接触电位

内电场的建立，形成接触电势差VD ，称为接触势垒

接触电位 VD决定于材料及掺杂浓度硅： V=0.7锗： V=0.2

如果两种材料的费米能级不同，就会在两种材料的分界面上发生电荷的扩散而产生接触电势差，这种扩散运动使两种材料的费米能级逐渐趋于一致，建立起新的热平衡态，达到平衡时，形成新的统一的费米能级。

同质结 组成 P-N 结的 P 型半导体和 N 型半导体的基质材料是相同，该 P-N 结称为同质结。

异质结 组成 P-N 结的 P 型半导体和 N 型半导体的基质材料是不同，该 P-N 结称为异质结。

同质结中 P区和 N区具有大致相等的禁带宽度

电子空穴

导带 导带

价带

导带

价带价带

施主

受主

本征半导体 P型半导体N型半导体

半导体的能带结构

Ef

Ef

Ef

PN 结的能带结构PN 结的能带结构

P区 N区

耗尽区

PN 结的能带结构PN 结的能带结构

e

EEV

Pf

Nf

D

PN 结光电效应 Light

PN 结光电效应

当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在 PN 结的耗尽区、 P区和 N区都将产生光生的电子 - 空穴对。

在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅速移向 N区，空穴迅速移向 P区，从而在回路中产生光电流。

在 P区和 N区产生的光生载流子由于没有内电场的作用，只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的贡献很小。

为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的半导体的 PN 结上加有适当的反向偏压。

PN 结光电效应

PN 结电致发光

在 PN 结两端外加正向偏压 结势垒降低为 VD-V

打破原来建立的平衡使得 P区和 N区的费米能级重发生分离，形成

准费米能级

eVEE Pf

Nf

PN 结电致发光

－

－

－

－

+

+

+

+

P N+

外电场——耗尽区内注入电子、空穴——辐射复合——发光

_

Light

PN 结电致发光

当外加电压满足

gPf

Nf EEEeV

注入耗尽区的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体中产生光增益。

发光二极管和激光器

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；谐振腔的损耗越小，阈值越小。在一定范围内，腔长越长，阈值越低；

温度对阈值电流的影响很大，因此，半导体激光器宜在低温或室温下工作。

3.2.2 半导体激光器的特性

三、方向性

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角很大，可达 200 – 300 ，在结的水平面内，发散角约为几度。

lp / l- 结水平方向的尺寸

dv /2 d- 有源区的厚度

3.2.2 半导体激光器的特性

四、光谱特性

荧光谱 激光谱

几十nm 几 nm

3.2.2 半导体激光器的特性

五、转换效率 注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。 1. 量子效率

通常 P>>Pth

实际上量子效率对应于输出功率于正向电流关系曲线中阈值以上线性范围内的斜率。

3.2.2 半导体激光器的特性

五、转换效率 2.功率效率

V是 PN 结上的电压降， Rs 是激光器串联电阻（包括材料电阻和接触电阻）。

由于激光器的工作电流较大，电阻功耗很大，所以在室温下的功率效率只有百分之几。

第三节 典型的半导体激光器

同质结激光器 异质结激光器 分布反馈（DFB）激光器 垂直腔面发射半导体激光器

3.3.1 同貭结半导体激光器

p 型半导体和 n型半导体材料都是 GaAs, 所形成的 p-n结叫同质结(HOS) 加上正向偏压时，电子向 p-n结注入，并在偏向 p区一侧的激活区内复合辐射 ; 当正向偏压较大时，考虑到空穴注入，激活区变宽 .

激活区的折射率略高于 p区和n区，“光波导效应”不明显，光波在激活区内传播时，有严重的衍射损失。

同质结半导体激光器的阐值电流密度很高，达 3x104～ 5 104 A/cm2 ，这样高的电流密度，将使器件发热。

3.3.1 同貭结半导体激光器

同质结半导体激光器难于在室温下连续工作，而只能低重复率（几 kHz～几十 kHz)脉冲工作。

3.3.2 异质结半导体激光器

一、单异质结半导体激光器 (SHL） 单异质结是由 p-GaAs 与p-GaAlAs 形成的。

施加正向偏压时，电子由 n区注入 p-GaAS, 由于异质结高势垒的限制，激活区厚度 d2 m ；

因 p-GaAlAs 折射率小，“光波导效应”显著，将光波传输限制在激活区内。阈值电流密度降低了 1～ 2 个数量级，约 8000A/cm2 。

窄带隙有源材料被夹在宽带隙的材料

之间形成

3.3.2 异质结半导体激光器

一、双异质结半导体激光器 (DHL） 施加正向偏压时 , 激活区内注

入的电子和空穴，由于两侧高势垒的限制，深度剧增，激活区厚度变窄， d=0.5m 。

由于激活区两侧折射率差都很大，“光波导效应作非常显著，使光波传输损耗大大减小。阈值电流密度更低，可降到 (102 一 103) A/cm2 。当采用 GaAs 和 GaAlAs 量子阱材料制作激光器时，阈值电流密度下降到几 A/cm2 。目前，这种激光器已成为极为重要的、实用化的相干光源。

3.3.3 分布反馈（DFB）激光器动态单纵模激光器：在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。分布反馈半导体激光器：在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期光栅构成的。

3.3.4 垂直腔表面发射半导体激光器

垂直腔表面发射半导体激光器－－能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅 1mA。 重要特性之一是从垂直于半导体薄片的方向发射激光，这样就使激光束的截面成为圆形，并使激光束的发散角减小了，从而克服了原来从半导体侧面发射激光的缺点。

表面发射半导体激光器

3.3.4 垂直腔表面发射半导体激光器

边缘发射半导体激光器阵的差别：制造方法、临界大小以及光束发射方向和形状。用集成电路技术，每一个表面发射半导体激光器可以做得很小，最小可到 1m,而每一个边缘发射半导体激光器最小也有 50m.

边缘发射半导体激光器表面发射半导体激光器