第5章-典型激光器(半导体激光器)

第五章典型激光器——半导体激光器1、半导体基础知识1.1晶体

晶体：原子的周期性规则排列所造成的由外平面包围的多面体固体晶胞：周期性结构中的最小重复单元晶面：晶体中的任一平面晶向：晶面的法向方向晶面的定义OYXZacbOYXZacbOYXZacb[110][111][120]OYXZacb[100]OYXZacb[010]OYXZacb[001]1.2半导体的能带介电子：受原子团束缚的电子，无法参与导电导电电子：介电子脱离原子团的束缚，可自由传递参与导电根据量子力学理论导电电子和介电子的能量为其中：L为晶体长度禁带能带图导带介带Eg>2eV,绝缘体Eg≈0,导体0<Eg<2eV,半导体直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体：高发光效率GaAs,InP,AlAs,GaAlAs,InGaAsP间接带隙半导体：低发光效率Ge,Si1.3费米-狄拉克分布电子处于能量为E的能级几率为：空穴处于能量为E的能级的几率为：空穴是指介电子激发跃迁以后在介带留下的空位。公式中EF称为费米能级费米-狄拉克分布；p型、n型和I型半导体施主杂质：掺杂到半导体中提供多余电子的元素，如P、S、As等受主杂质：掺杂到半导体中提供多余空穴的元素，如B、Be、Zn、In等n型半导体：掺杂施主杂质，形成电子导电型半导体P型半导体：掺杂受主杂质，形成空穴导电型半导体I型半导体（本征型半导体）：没有杂质的半导体掺杂对费米能级的影响EFEFEFI型n型P型EiEi施主受主ND,NA,Ni施主、受主、本征载流子浓度EFEFEFI型n型P型简并n型半导体简并p型半导体掺杂对费米能级的影响当掺杂浓度增加时，费米能级有可能进入导带或介带图5.442、LED原理特性介绍

2.1LED发光机理1.载流子的复合电子从介带跃迁到导带而产生电子空穴对时，需要吸收能量。当电子和空穴复合时会放出能量，能量以辐射或非辐射形式释放。从电子来看，我们可以把受激产生电子空穴对以及电子空穴对的复合看成是电子的能级跃迁。pn结VD称为势垒高度P型半导体和n型半导体之间的接触界面，由于载流子的扩散，在界面附近形成空间电荷区。耗尽层2.pn结的能带图当pn结加正向电压时，导致p、n处费米能级不一致，在pn结附近产生了粒子数反转。电子和空穴的复合几率增加，产生光子发射。FEN、EFP称为准费米能级3.LED内的复合种类1.带间复合：导带中电子和介带中空穴的复合，产生的光子能量接近禁带宽度,即2.D-A对复合：在轻掺杂的半导体中，施主俘获的电子和受主俘获的空穴之间的复合。3.等电子陷阱的激子复合：等电子杂质是指掺杂在半导体中的同一族原子，它的介电子数相等。由这些原子构成俘获电子和空穴的陷阱。形成高效率的发光2.2LED的内量子效率LED的内部量子效率

其中为电荷注入效率,q为辐射效率，一般pn结是电子注入到p区复合发光，因此Dn、Dp---电子和空穴的扩散系数Ln、Lp电子和空穴的扩散长度nn0和Pp0---n区的电子浓度和p区的空穴浓度即辐射复合和非辐射复合数之比。其中Rr，Rnr为辐射复合和非辐射复合几率，r，nr为辐射复合和非辐射复合载流子寿命为提高注入效率，一般nn0>>pp0，此时n标为n+辐射效率：LED的外部量子效率LED的外部量子效率定义为总的光输出功率和总的电功率输入之比影响LED外部量子效率的三个因素为：半导体对光子的吸收半导体介质的界面反射光折射中的临界角一些半导体材料的外部量子效率2.3LED的性能1.LED的带宽由于电子和空穴在导带和介带内具有既定的能级分布。其中电子在离导带1/2kT处具有最大的几率。同样情况出现在空穴在介带中的分布。因此当电子从导带跃迁到介带时，产生一定的辐射带宽。典型的带宽一个红光LED的发光光谱不同的材料其带宽不同2.LED的电光特性LED的电流发光特性LED的电压、电流曲线LED的发光强度和电流成较线形关系。而LED的伏安特性和二极管类似，有一个较明显的阈值电压。6.2.4LED的结构如何提高外量子效率1．P层在最外，n层在内部，以减少半导体对光子的吸收2.采用球形的光学材料封装，增大光从半导体到外部的全反射临界角GaSe的折射率为3.66也可采用侧面出光的方法异质结发光二极管宽禁带半导体和窄禁带半导体的结合。由于势垒较低，电子注入效率高。宽禁带阻止了电子和空穴的复合，复合在窄禁带半导体内进行。由于光子能量和宽禁带能量不相同，光不被宽禁带材料吸收。因此异质结发光二级管有较高的发光效率。3、LD的原理3.1粒子数反转条件粒子数反转条件：电子在导带的占有几率大于在介带的占有几率根据费米能级公式3.1粒子数反转得到粒子数反转满足：即电子和空穴的准费米能级分别进入导带和介带进一步可以得到：即外加电压要足够大3.2谐振腔晶体的端面采用110面，抛光成光学平面，形成反射镜。构成谐振腔LD的增益系数N为导带底和介带底的电子数之差wt3.3阈值电流密度当光波模式的限制距离d>t时，激光器的平均增益为定义内量子效率（光子数除注入的电子空穴对数）：令如果激光频率和中心频率重合，则激光振荡时，G=，因此阈值电流密度为影响阈值电流的因素：阈值电流密度和激光器的材料、结构、制作工艺有关阈值电流密度和模的限制距离成正比，与pn结长度成反比。阈值电流密度和工作温度有关。随着温度的上升而上升。阈值电流密度和反射率有关，提高反射率可以降低阈值电流一般同质半导体激光器阈值电流密度较大3.4LD的输出特性1、输出功率特性pn结内部的量子效率为i，每秒钟产生的光子数在阈值电流下，损耗的光子数和产生的光子数相等，因此损耗的光子数为因此实际产生的光子功率为LD输出功率为微分外量子效率：输出光子的增长率/注入载流子对增长率Po代入半导体激光器的功率效率LD的模式特性横模：LD有源层的厚度<0.15um，LD有源层宽度<10um，单侧向模，单横向模目前的LD均为单模方式纵模：有单纵模LD和多纵模LD横向侧向LD的远场特性由于LD内光学腔为矩形，导致出射光在垂直厚度方向发散角大，而水平方向发散较小。有源层厚度d较大时(>2um)水平方向发散角W为横向宽度。典型的LD发散角：水平5度，垂直30度LD的热稳定性1.LD的阈值电流随温度的升高而上升Troom为室温，T0称为特征温度,一般用T0表示LD的热稳定性2.阈值电流的增大会导致输出功率的降低，影响效率3.温度的变化会引起输出模频的漂移。主要是由于有源层的折射率变化和禁带宽度的变化造成的。右图：输出功率和温度关系下图：输出波长随温度的变化异质结半导体激光器双异质结激光器（ＤＨ）DH基本结构是将有源层夹在同时具有带宽隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子与光子。4、半导体激光器的基本结构条形激光器针对有源区的载流子和光子在结平面方向（测向）的限制而采用条形结构，使激光器的阈值电流大幅度降低，改善了近场与远场、纵模与横模特性，提高了材料的可靠性等。量子阱半导体激光器单量子阱多量子阱量子阱是指窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间的状态垂直腔表面发射激光器（VCSEL）垂直腔是指激光腔的方向（光子振荡方向）垂直于半导体芯片的衬底，有源层的厚度即为谐振腔长度。大功率激光二极管阵列阻碍激光二极管大功率化的一个原因是端面激光区的高光功率密度引起的突发性光学损伤。解决的方法是扩大器件的发光区面积，另一个就是采用阵列技术。分布反馈式半导体激光器DFB原理：根据布拉格衍射原理，入射平面波在界面B、C点反射后，光程差是波长的整数倍时，发射波加强。这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔反射镜的作用。它所发射的激光频率完全由光栅的周期T决定。优点：1.灵活调整波长2.激励功率较小，效率高（20%）3.调制性能好（直接调制，调制深度可控，调制速度快，ps水平）4.体积小缺点：1.单色性差~1A2.远场特性差3.输出功率小4.热稳定性差LD与其它激光器相比优缺点其他激光器一、自由电子激光器自由电子激光器的特点：发光介质：自由电子可以高的输出功率能量转换效率高工作物质不会衰变自由电子激光器的构成：1、加速器2、摆动器3、谐振腔图6.4图6.5电子在磁