【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為反射鏡構(gòu)成諧振腔 。 光從有源層沿垂直于 PN結(jié)的方向射出 。 半導(dǎo)體激光器 以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器。其特點(diǎn)為超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長(zhǎng)范圍寬等。它是激光光纖通信的重要光源。目前在光存儲(chǔ)、激光高速印刷、全息照相、激光準(zhǔn)直、測(cè)距及醫(yī)療等許多方面廣泛應(yīng)用。而在光信息處理、光計(jì)算機(jī)和固體激光器泵浦等方面卻正是方興未艾。 自 1962年半導(dǎo)體砷化嫁（ GaAs）同質(zhì)結(jié)激光器問(wèn)世后，半導(dǎo)體從同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙 異質(zhì)結(jié)到半導(dǎo)體激光器陣列，波長(zhǎng)范圍履蓋了可見(jiàn)光到長(zhǎng)波紅外，逐漸地成為現(xiàn)代激光器件中的應(yīng)用面最廣、發(fā)展最為迅速的一種重要器件類(lèi)型。 同以氣體或固體作為工作物質(zhì)的激光器一樣，欲使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生激光，同樣要使 半導(dǎo)體材料中電子能態(tài)發(fā)生變化，以形成一定的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且要有一個(gè)合適的光學(xué)共 振腔。但是，由于半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)的特殊性半導(dǎo)體激光器又有著許多不同于氣體和 固體激光器的特性。因此，要深入了解半導(dǎo)體激光器的特性和原理，我們必須先了解有關(guān)半導(dǎo)體材料的一些理論基礎(chǔ)。 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件 一、有關(guān)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1．能帶 構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體晶體。在半導(dǎo)體晶體中，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和單個(gè)原子時(shí)的情況大不相同，尤其是其外層電子有了明顯的變化，即所謂的 “ 共有化運(yùn)動(dòng) ” 。 量子力學(xué)證明：當(dāng) N個(gè)原子相接近形成晶體時(shí)，由于共有化運(yùn)動(dòng)，原來(lái)單個(gè)原子中每一個(gè)允許能級(jí)要分裂成 N個(gè)與原來(lái)能級(jí)很接近的新能級(jí)。在實(shí)際的晶體中，由于原子數(shù)目N非常大，新能級(jí)又與原來(lái)能級(jí)非常接近，所以?xún)蓚€(gè)新能級(jí)間距離很小 （相互間的能級(jí)差為 1022） ，幾乎可把這一段能級(jí)看作是連續(xù)的。我們便把這 N個(gè)能級(jí)所具有的能量范圍稱(chēng)為 “ 能帶 ” 。不同的能帶之間可以有一定的能量間隔，在這個(gè)間隔范圍內(nèi)電子不能處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際上形成一個(gè)能級(jí)禁區(qū)，稱(chēng)為 “ 禁帶 ” 。此間距用禁帶寬度 Ev來(lái)衡量。下圖說(shuō)明了原子中子軌道、能級(jí)及能帶之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 圖 (523) 固體的能帶 圖 (523) 固體的能帶 圖 (524) 本征半導(dǎo)體的能帶 在晶體中，由價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶叫做 “ 價(jià)帶 ” ，如某一能帶被電子填滿(mǎn)，則稱(chēng)之為 “ 滿(mǎn)帶 ” ，而在未激發(fā)情況下無(wú)電子填入的能帶叫做 “ 空帶 ’ ，若價(jià)帶中的電子受激而進(jìn)入空帶，則此空帶稱(chēng)為 “ 導(dǎo)帶 ” ，同時(shí)，價(jià)帶上由于價(jià)電 子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下一些空著的能級(jí)稱(chēng)為 “ 空穴 ” 。 “ 價(jià)帶 ” 和 “ 導(dǎo)帶 ” 之間是 “ 禁帶 ” 。 在純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，由于熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)量很少。這時(shí)，半導(dǎo)體是一個(gè)不導(dǎo)電的絕緣體。但如果半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，情況就不同了。如四價(jià)半導(dǎo)體中摻入五價(jià)半導(dǎo)體，就會(huì)在導(dǎo)帶下形成雜質(zhì)能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)上電子很容易轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶上去，這種雜質(zhì)稱(chēng)為施主。摻 施 主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體或 N型半導(dǎo)體。而如果我們?cè)谒膬r(jià)半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素，則會(huì)在價(jià)帶上方形成受主雜質(zhì)能級(jí)，價(jià)帶上的電子可跑到受主能級(jí)上去，從而在價(jià)帶上產(chǎn)生許多空穴。這種半導(dǎo)體稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體。 2．電子和空穴的統(tǒng)計(jì)分布 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出： 熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布， 一個(gè)電子占據(jù)能量為 E的能級(jí)的幾率為 1()1Fn EEkTfEe??? 由上式可見(jiàn)，對(duì)于某一溫度 T，能級(jí) E上的電子占據(jù)率唯一地由費(fèi)米能級(jí) EF所確定，因此可以把 EF視作電子填充能級(jí)水平的一把 “ 尺子 ” 。 。為了說(shuō)明問(wèn)題，圖 (525)給出了溫度極低時(shí)的情況。 圖 (525) 費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類(lèi)型及摻雜濃度關(guān)系 圖 (525) 費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類(lèi)型及摻雜濃度關(guān)系 ①在未摻雜質(zhì)的本征型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)居于禁帶中央，導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴是非簡(jiǎn)并化分布 (圖 a)。 ②在輕摻雜 P型半導(dǎo)體中，受主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng) (圖 b)。輕摻雜 N型半導(dǎo)體中，施主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng) (圖 d)。 ③在重?fù)诫s P型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)向下移到價(jià)帶中，低于 費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿(mǎn)，高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中出現(xiàn)空穴 —— P型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 (圖 c)。 ④在重?fù)诫s N型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)向上移到導(dǎo)帶中，低于 費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿(mǎn)，高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的，導(dǎo)帶中也有自由電子 —— N型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 (圖 e)。 ⑤雙簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 —— 半導(dǎo)體中存在兩個(gè) 費(fèi)米能級(jí)。 (圖 f )。 兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)使得導(dǎo)帶中有自由電子；價(jià)帶中有空穴。 (圖 a—e )中的情況都只有一個(gè) 費(fèi)米能級(jí)，在它上面沒(méi)有有自由電子，在它下面已經(jīng)被電子充滿(mǎn)，不可能發(fā)生電子躍遷，只能將外來(lái)光子吸收。 (圖 f )中的情況都只有兩 費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)帶有自由電子，價(jià)帶中有空穴， 當(dāng)入射光的頻率滿(mǎn)足 gFF Eh νEE ??? ?? 時(shí)，外來(lái)光子會(huì)誘導(dǎo) 導(dǎo)帶中的自由電子向價(jià)帶空穴躍遷而發(fā)出一個(gè)同樣的光子。 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在熱平衡系統(tǒng)中 (圖 a—e )中的情況都只有一個(gè) 費(fèi)米能級(jí) 不能產(chǎn)生光放大。 把 P型和 N型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)呢？ 一、 PN結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶