第八讲 半导体激光器（一）
主要内容
? 半导体激光器的工作原理
? 半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体 PN结
注入电流，实现粒子数反转分布，
产生受激辐射，并利用光学谐振腔
的正反馈实现光放大而产生激光。
半导体激光器工作原理
? 光与物质相互作用的三种基本方式
? 粒子数反转分布
? 激光振荡和光学谐振腔
光与物质相互作用的三种基本方式
? 自发辐射 —— 无外界激励而高能级电子
自发跃迁到低能级, 同时释放出光子 。
? 受激辐射 —— 高能级电子受到外来光作
用, 被迫跃迁到低能级, 同时释放出光
子, 且产生的新光子与外来激励光子同
频同方向, 为相干光 。
? 受激吸收 —— 低能级电子在外来光作用
下吸收光能量而跃迁到高能级。
E2
E1
E2
E1
hf12 hf12
hf12 hf12
初态
终态
(b)自发辐射 (c)受激辐射 (a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能
级电子数分别为 N1和 N2物质在正常状态下
N1＞ N2,受激吸收与受激辐射的速率分别
比例于 N1和 N2且比例系数相等, 此时光通
过该物质时, 光强会衰减, 物质为吸收
物质 。 若 N2＞ N1,受激吸收小于受激辐射,
光通过该物质时, 光强会放大, 该物质
成为激活物质 。 N2＞ N1的分布与正常状态
相反, 故称为粒子数反转分布 。
半导体 的能带和电子分布
能量
价带
价带
Eg Ef Ef/2
Ef/2 Eg
Ef
Ee
Ev Ev
Ee
Eg Ef
Ee
Ev
(a)本征半导体 (b)N型半导体 (c)P型半导体
空穴 电子
? 能带 —— 电子所处的能态扩展成的连续分布的能级 。
? 价带 —— 能量低的能带 。
? 导带 —— 能量高的能带 。
? 禁带 Eg—— 导带底的能量 Ee 和价带顶能量 Ev间的能量差
? 在热平衡状态下, 能量为 E的能级被电子占据的概率为费米分布
? 费米能级 —— 用于描述半导体中各能级被电子占据的状态, 在
费米能级, 被电子占据和空穴占据的概率相同 。 在本征半导体中,
? 位于禁带中央； N型半导体中 增大；在 P型半导体中 减小 。
]e x p [1
1)(
KT
EEEP f???
fE fEfE
PN结的 能带和电子分布
PN
结空
间电
场区
P
区
N
区
+
+
+
+
+ +
Ef
能量
EeP
EVP
EeN
EVN
P区
N区
EVP
EeP EeN
EVN
EfN E
fP
hf
hf
PN结界面上由于多数载流子扩散运动
形成内部空间电场区, 该电场导致载流
子的漂移运动, 无外加电压时, 两种运
动处于平衡状态, 能带发生倾斜 。 当外
加正向电压时, 内部电场被削弱, 扩散
运动加强, 能带倾斜减小, 在 PN结形成
一个增益区 （ 粒子数反转分布区 ） 可产
生自发辐射 。
光学谐振腔
光学谐振腔 —— 由两个反射率分别为 R1和 R2的
平行反射镜构成 。 腔内物质具备粒子数反转分
布, 可用其产生的自发辐射光作入射光, 经反
射镜反射沿轴线方向传播的光被放大, 沿非轴
线方向传播的光被减弱, 反射光经反射镜多次
反射不断被放大, 方向性不断改善, 使增益大
幅度提高 。
激光振荡
? 激活物质在被置于光学谐振腔后, 能对光的频率和方
向进行选择, 可获得连续的光放大和激光振荡输出激
光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳
定的激光振荡, 阈值条件为,
? 是 阈值增益系数；
? 是谐振腔内激活物质的损耗系数；
? 为谐振腔长度
? 激光振荡的相位条件为,
? 或
n
qL 2?? ?nLL 2?
L
RR
ht 2
)1l n (
21?? ??
ht?
?
L
半导体激光器的基本结构
?同质结
?单异质结（ LH）
?双异质结（ DH）
双异质结（ DH)LD的结构
限制层 GayAl1-yAs
有源层 GaAs
限制层 GaXAl1-XAs
GaAs衬底
光辐射
金属接触
双异质结（ DH)LD的工作原理示意图
P GayAl1-yAs P GaAs N GaXAl1-XAs
E
能
量
N
折
射
率
P
光
功
率
电子
复合
异质势垒 空穴
＜ 5%
－ +
(b)
(a)
(d)
(c)
双异质结（ DH)LD的工作原理
双异质结 （ DH)LD由三层不同类型的半导体
材料构成, 不同材料发不同的波长 。 结
构中间一层窄带隙 P型半导体为有源层,
两侧分别为宽带隙的 P型和 N型半导体是
限制层, 三层半导体置于基片上, 前后
两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔 。
光从有源层沿垂直于 PN结的方向射出 。