固體激光器ppt課件-閱讀頁
2025-05-21 22:05本頁面
【正文】 ” 和 “ 導帶 ” 之間是 “ 禁帶 ” 。這時，半導體是一個不導電的絕緣體。如四價半導體中摻入五價半導體，就會在導帶下形成雜質(zhì)能級。摻 施 主雜質(zhì)的半導體稱為電子型半導體或 N型半導體。這種半導體稱為空穴型半導體或 P型半導體。 。 圖 (525) 費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系 圖 (525) 費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系 ①在未摻雜質(zhì)的本征型半導體中，費米能級居于禁帶中央，導帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴是非簡并化分布 (圖 a)。輕摻雜 N型半導體中，施主能級使費米能級向上移動 (圖 d)。 ④在重摻雜 N型半導體中，費米能級向上移到導帶中，低于 費米能級的能帶被電子填滿，高于費米能級的能態(tài)都是空的，導帶中也有自由電子 —— N型簡并半導體 (圖 e)。 (圖 f )。 (圖 a—e )中的情況都只有一個 費米能級，在它上面沒有有自由電子，在它下面已經(jīng)被電子充滿，不可能發(fā)生電子躍遷，只能將外來光子吸收。 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 費米能級 不能產(chǎn)生光放大。 未加電場時，由于電子和空穴的擴散作用，在 P－ N 結(jié)的交界面兩側(cè)形成空間電荷區(qū)，生產(chǎn)自建場，其電場方向自 N區(qū) 指向 P區(qū)。 這時，在 P區(qū)和 N區(qū)分別出現(xiàn) P型簡并區(qū) 和 N型簡并 區(qū)， P區(qū)的價帶頂充滿了 空穴， N區(qū)的導帶底 充滿了電子。 自建場的作用，形成了接觸電位差 VD叫做 P－ N 結(jié)的勢壘高度。這種現(xiàn)象叫做 “ 載流子注入 ” 。它們分別描述 空穴和 電子的分布。 圖 (527) 正向電壓 V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu) 二、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 二、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) —— 產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。正常情況下，電子總是從低能態(tài)的價帶填充起，填滿價帶后才填充導帶。 對于重摻雜的 GaAs P－ N 結(jié)，在 P－ N 結(jié)的附近，導帶中有電子而價帶中有空穴，這一小段區(qū)域稱為 “ 作用區(qū) ” 。當然，價帶中的電子也可能在光子的激發(fā)下躍遷到導帶中，即所謂受激吸收，而要產(chǎn)生激光輸出自然要求受激發(fā)射光子的速率大于受激吸收光子的速率。其物理意義是： （ 1）工作區(qū)中導帶能級的電子占有幾率大于價帶能級中的電子占有幾率。 （ 3）所加的正向偏壓必須滿足 eEeEEV gFF ??? ??圖 (528) GaAs激光器的結(jié)構(gòu) 半導體激光器的工作原理和閾值條件 一、 半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ?圖 (528)示出了 GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。 激光器的諧振腔一般是直接利用垂直于 P－ N 結(jié)的兩個端面，由于 GaAs的折射率n＝ ，所以對于垂直于端面的光的反射率為 32%。 二、 半導體激光器工作的閾值條件 激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件 ? ?21ln21 rrLaG ?? 內(nèi) 工作物質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，光在諧振腔內(nèi)傳播時便有增益，但能否有效地形成激光振蕩，還與腔內(nèi)損耗有關(guān)。 這說明半導體激光器的增益不僅要大于零，還必須達到某一數(shù)值才能形成激光。 數(shù)值例： GaAs P－ N 結(jié)激光器 21216A / cm1 5 0 m2 cm40ln21 M H z103???????? ?閾總JdrrLav?? 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導體激光器 : 與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖 (5－ 29)所示。當腔長轉(zhuǎn)短時，若 1／ 2L比 a總 小或接近，一個端面鍍金反膜會使 J閾 明顯降低，但當腔長 L較長時， J閾 的降低就不很明顯了。 圖 (530) 激光束的空間分布示意圖 :圖 (531)是 GaAs激光器的發(fā)射光譜。 因為半導體激光器的諧振腔短小 ,所以激光束的方向性較之其他典型的激光器要差很多。 GaAs的激射光譜線寬比固體和氣體激光器要寬。每個能帶都包含了許多級 ,這就使復合發(fā)光的光子能量有一個較寬的能量范圍。 實際的激光器發(fā)射光譜的結(jié)構(gòu)是很復雜的 ,光譜寬度隨注入電流增加而變寬 ,一般可從零點幾納米到幾納米范圍內(nèi)變化。當溫度升高時 ,激光的峰值波長向長波方向移動。 外微分量子效率 ηD : ViiPeiih νPeiih νPPththDththD )()()( )( ???????? ??功率效率 ηP :功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比 2P SPiV i R? ? ? 5．轉(zhuǎn)換效率 半導體激光器所用的轉(zhuǎn)換效率常用 “ 功率效率 ” 和 “ 量子效率 ” 來度量。為了提高功率效率應盡可能減小內(nèi)阻。為此 ,在同質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展了異質(zhì)結(jié)半導體激光器 ,從而大大提高了半導體激光器的實際應用價值。若一側(cè)為 GaAs,而另一側(cè)為 GaAlAs所構(gòu)成的結(jié)為 異質(zhì)結(jié) , 若個半導體激光器僅有一個異質(zhì)結(jié)則稱為單異質(zhì)結(jié) (SH)激光器 ,兩個異質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙異質(zhì)結(jié) (DH)激光器。 (2)為了獲得較高的發(fā)光效率 ,要求 GaAlAs材料是豎直躍遷型的 。 Thank you for your attention
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