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同质结和异质结半导体激光器

  第四章 半导体激光器 半导体的能带和产生受激辐射的条件 1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中,每一个能级会分裂成为N个能级,因此 这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带,称之为能带,见图(5-23)。 固体的能带 本征半导体的能带 2. 纯净(本征)半导体材料,如单晶硅、锗等,在绝对温度为零的理想状态下,能 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成,如图(5-24)。 3.热平衡时,电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布,而服从费米分布,能 级E被电子占据的几率为 1 f n ( E ) ? E ? EF e kT ? 1 半导体的能带和产生受激辐射的条件 1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题,图(5-25)给出了温度极低时的情况。 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系 2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带,并且入射光的频 率满足 ? ? EF ? EF ? hν ? Eg PN结和粒子数反转 1. P-N结的双简并能带结构 ?把P型和N型半导体制作在一起,是否可能在结区产生两个费米能级呢? ?未加电场时,P区和N区的费米能级必然达到同一水平,如图(5-26)。 PN能带 ? ? ?在P-N结上加以正向电压V时,形成结区的两个费米能级E F 和E F ,称为准费米能 级,如图(5-27)。 正向电压V时形成的双简并能带结构 PN结和粒子数反转 2. 粒子数反转 ?产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。 ?激光器在连续发光的动平衡状态,导带底电子的占据几率为 1 f N ( E2 ) ? E ? E ? e ?1 ?价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 ) ? kT 2 F 1 e ? EF ? E1 kT ?价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) ? 1 ? f P ( E1 ) ? 1 ? E1 ? EF kT ?1 e ?1 ?在结区导带底和价带顶实现粒子(电子)数反转的条件是 ? ? f N (E2 ) ? f N (E1) ? EF ? EF ? E2 ? E1 ? Eg 半导体激光器的工作原理和阈值条件 1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 ?图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。 GaAs激光器的结构 2. 半导体激光器工作的阈值条件 ?激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 1 G ? a内 ? ln?r1 r2 ? 2L ?增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 ?n ? c2 A21 ?n ? c2 G?ν ? ? f ?ν ? ? f ?ν ? 2 2 2 2 8?? ν 8?? ν t复合 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3.半导体激光器的阈值电流 ?在一定的时间间隔内,注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴 复合数相等而达到平衡 ? c 2 f ?ν ? ? ? Gν ? J? 2 2 ?nLwd I ? 8 ?? ν ed ? ? ? t复合 e ? 1 ? ? ? ? G ? a ? ln r r ? 1 2 ?? 内 2 2 2 L ?n ? c A21 ?n ? c ? ? ? G ?ν ? ? f ν ? f ?ν ?? 2 2 2 2 f (ν) ? ?ν ? ? 8?? ν 8?? ν t复合 ? ? ? 2 2 1 ? ? 8?? ? ed?? J阈 ? ? a内 ? ln r1r2 ? 2L c2 ? ? 同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ?伏安特性: 与二极管相同,也具有单向导电性,如图(5-29)所示。 ?阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 ?方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间 分布示意图。 GaAs激光器的伏安特性 激光束的空间分布示意图 同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ?光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光 光谱,谱宽一般为几百埃,图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱,谱 宽达几十埃。 GaAs激光器的发射光谱 同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ( P ? Pth ) hν P hν P ? ?D ? ? ?外微分量子效率: ?D ? (i ? ith ) e (i ? ith ) e (i ? ith )V ?功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 P ?P ? iV ? i 2 RS 2. 异质结半导体激光器 ?单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示 ?双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5-32)(c)所示。 同质结、异质结结构示意图 准分子激光器 1.准分子激光器的特点 ?能级结构有明显的特点。如图(5-33)所示,A表示较高激发态,B表示激光上能 级,C表示基态。 ?由于基态寿命很短,即使是超短脉冲情况下,基态也可 认为是空的,因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。 ?激光下能级是基态,基本上没有无辐射损耗。因此量子 效率很高,这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。 ?由于激光下能级的离子迅速离解,因而拉长脉宽和高重 复率工作都没有困难。 ?由于准分子的荧光光谱为一连续带,故可做成频率可调 谐器件。 2.准分子激光器的泵浦方式 ?电子束泵浦:①横向泵浦 ②纵向泵浦 ③同轴电子束泵浦 ?快速放电泵浦: 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路 准分子的能级结构 自由电子激光器 1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束,它和普通激光器的根本区别在于: 辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。 2.自由电子激光的特点 3.目前,自由电子激光器仍处于试验阶段,离实际应用尚有相当一段距离。 化学激光器 1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。 化学激光器的工作物质可以是气体或液体,但目前大多数是用气体。 2.化学激光器具有如下三方面的特点 ?将化学能直接转换成激光。 ?输出的激光波长丰富。 ?高功率、高能量激光输出。

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