半導(dǎo)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(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。

（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。

（2）摻雜半導(dǎo)體與p－n結(jié)。沒有雜質(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)。

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。

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。

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，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，稱為自建電場。此電場會(huì)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散。

（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，正向電壓的電場與p－n結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對(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。這就是半導(dǎo)體場致發(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。

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。

2．半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。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。

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。

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。

審核編輯 黃昊宇