固體激光器ppt課件(參考版)
2025-05-09 22:05本頁面
【正文】 (3)為了獲得高勢壘 ,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。 圖 (532) 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 從提高半導(dǎo)體激光器的性能要求出發(fā) ,對異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料有如下技術(shù)要求 : (1)要求兩種材料的晶格常數(shù)盡可能相等 ,若在結(jié)合的界面處有缺陷 ,載流子將在界面 處復(fù)合掉 ,不能起到有效的注入、放大和發(fā)光的作用 。 如圖（ 532）所示 ,對于 GaAs類半導(dǎo)體激光器 ,由同種材料 —— GaAs構(gòu)成的 pn結(jié)即為同質(zhì)結(jié)。 二、 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 理論分析及實驗研究表明，同質(zhì)結(jié)激光器難以得到低閾值電流和實現(xiàn)室溫連續(xù)工作。 P—— 輸出功率 Pth —— 閾值發(fā)射光功率 hv——發(fā)射光子能量 i——正向電流 ith —— 正向閾值電流 e——電子電量 V——正向偏壓 RS—— 激光器串聯(lián)內(nèi)阻 一般同質(zhì)結(jié)激光器在室溫下的功率效率僅有百分之幾。對 GaAs同質(zhì)結(jié)器件 ,峰值波長在77K時為 ,300K時為 。同時 ,半導(dǎo)體激光器的光譜隨溫度而變化。由于增益譜線寬 ,其發(fā)射光譜的單色性就要差一些。這是因為半導(dǎo)體產(chǎn)生激光時 ,粒子反轉(zhuǎn)分布并不是在兩個分立的能級之間 ,而是在導(dǎo)帶和價帶之內(nèi)。 而且由于有源區(qū)厚度很薄 ,有源區(qū)的條寬比厚度大很多倍 ,所以在垂直于結(jié)的方向和平行于結(jié)均方向的光束發(fā)散角是不對稱的 ,前者要大數(shù)倍。其中圖 (a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖 (b)是注入電流達到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達幾十埃。 : 圖 (530)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。 一、 同質(zhì)結(jié)砷化鎵 (GaAs)激光器的特性 圖 (529) GaAs激光器的伏安特性 : 影響閾值的因素很多 ? ? 22221 8]ln2 1[ c vedvrrLaJ ??? ??內(nèi)閾 顯然，降低 J閾 的值是提高半導(dǎo)體水平的關(guān)鍵，經(jīng)研究人們發(fā)現(xiàn) J閾 與以下因素有關(guān)： （ 1）與激光器的具體結(jié)構(gòu)及制備工藝有密切關(guān)系，不同器件 a總 值差異很大； （ 2） J閾 ∝ 1/L，即閾值電流密度與腔長 L成反比； （ 3） J閾 與工作溫度的關(guān)系十分密切； （ 4） J閾 與反射率 r1r2有關(guān)，通常兩個反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =。 ? ? ? ? ? ?νftν νfνAνG復(fù)合2222221288 ??????????t復(fù)合 —— 結(jié)區(qū)電子壽命 t復(fù)合 =1/A21 △ n—— 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值 增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì) 三、 半導(dǎo)體激光器的閾值電流 三、 半導(dǎo)體激光器的閾值電流 在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達到平衡 ? ? ? ? ? ?? ?? ?? ?2222121222222222128ln21 )(ln21888cedrrLaJννfrrLaGJedννfcνGνftννfνAνGeItn L w d??????????????????????????????????????????????????內(nèi)閾內(nèi)復(fù)合復(fù)合 當(dāng)正向電流密度 J達到閾值 J閾 后形成激光。只有在增益恰等于損耗時才能滿足振蕩的閾值要求。為了提高輸出功率和降低工作電流，一般使其中一個反射面鍍金反膜。 圖 (528b)是 臺面形管芯 激光器的外形結(jié)構(gòu)， 管芯的形狀有長方形，臺面形 ,電極條形等多種， 圖 (528a) 的 管芯形狀是長方形， P－ N 結(jié)的厚度僅幾十微米，一般是在 N型 GaAs襯底上生長一薄層 P型 GaAs 而形成 P－ N 結(jié)。 （ 2）因為發(fā)射的光子能量基本等于禁帶寬度 Eg，因而要求 (EF) 一 (E+F) Eg，而 P－ N 結(jié)兩邊的 PP型和 NN型半導(dǎo)體都必須高摻雜，從而使電子和空穴的準(zhǔn)費米能級分別進入導(dǎo)帶和價帶。 考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率可以用 N 區(qū)的 費米能級來計算 221()1FN EEkTfEe????價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用 P區(qū)的準(zhǔn)費米能級來計算 111()1FP EEkTfEe? ???價帶頂電子占據(jù)幾率則為 1111( ) 1 ( )1FNP EEkTf E f Ee??? ? ??在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子 （ 電子 ） 數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是 gFFNN EEEEEEfEf ?????? ?? 1212 )()(此式便是同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的載流子反轉(zhuǎn)分布條件。如果電子從導(dǎo)帶中向價帶中躍遷，則將釋放光子，并在諧振腔的反饋作用下，產(chǎn)生受激輻射。如果我們能利用光或電注入的辦法，便在 P－ N 附近夠成大量的非平衡載流子，在此其
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