半導體光源3——半導體激光器的結構、工作原理和工作特性

半導體激光器的結構、工作原理和工作特性

• 半導體的基本概念

（1） 本徵半導體的能帶分布

本徵半導體就是指沒有任何外來雜質的理想半導體。

由於半導體本身是固體，原子排列緊密，使得電子軌道相互重疊，從而使半導體的分立能級形成了能帶。

本證半導體的能帶分布從上到下依次為導帶、（禁帶）、價帶、滿帶。

滿帶：電子填充能帶時，總是從能量最低的能帶向上填充，能量最低的滿帶被電子佔滿不能移動，電子移動形成電流，故滿帶中的電子不起導電作用。

價帶：可能被電子佔滿，也可能被佔據一部分。

禁帶Eg：禁止電子在此區域停留，但可以穿越此區域。由於本徵半導體是一個統一的熱平衡系統，我們知道，對一個物質來說，如果是一個統一的熱平衡系統的話，它就有一個費米能級Ef。對本徵半導體這種材料，它的費米能級處於導帶和價帶之間的禁帶區域中。

導帶：其中的電子具有導電作用（空間大，電子可以自由移動）。

（2） P型半導體和N型半導體的形成

如果向本徵半導體內摻入不同雜質元素，則相當於給半導體材料提供導電的電子或空穴。

將向本徵半導體材料摻入提供電子的雜質元素後而形成的半導體材料稱為N型半導體，它屬於電子導電型；

將向本徵半導體材料摻入提供空穴的雜質元素後而形成的半導體材料稱為P型半導體，它屬於空穴導電型。

（3） P-N結的形成

當P型半導體和N型半導體結合在一起時，即形成P-N結。由於相互間的擴散作用，使得靠近界面的地方，N區剩下帶正電的離子，P區剩下帶負電的離子，在結區形成空間電荷區。

由於空間電荷區的存在，出現了一個由N指向P的電場，稱為內建電場。

在內建電場的作用下，由於電子向P區移動，在結區內，使得P區的電子電位能相對於N區提高。（電子點位能越高，實際指的是越負）

作為半導體材料，我們說其有三個能帶，導帶、（禁帶）、價帶、滿帶。按上圖所示，粉色線以上是導帶，綠色線以下是價帶，再往下是滿帶，綠色線和粉色線之間的區域是禁帶。

由於內建電場的作用下， P區的電子電位高於N區，此時的P-N結是一個熱平衡系統，會有一個統一的費米能級，就是圖中所示的虛線，在N型半導體中，費米能級在粉色線以上，在P型半導體中，費米能級在價帶中。

根據費米能級的意義，其指的是物質中粒子分布情況的一個參量，比費米能級高的導帶中粒子數少，而比費米能級低的導帶中粒子數多，禁帶中不存在電子。由此形成了P-N結的能帶分布。

但是，此時P-N結的能帶分布仍然是一個正常的物質分布狀態，並沒有被激活使之處於粒子數的反轉分布狀態，所以還不能發激光。

激活：當給P-N結外加正向偏壓（即P接正、N接負）後，抵消了一部分內建電場的作用，P區的空穴和N區的電子不斷注入P-N結，破壞了原來的熱平衡狀態，在P-N結出現了兩個費米能級。此時，N型半導體中的費米能級還是在導帶里，而P型半導體的費米能級還是在價帶以下。

此時，在P-N結中（即中間區域），導帶中低於費米能級的粒子數多，而價帶中高於費米能級的粒子數少。如果把P-N結作為一個統一的整體，對P-N結來說，高能級的電子數反而多，低能級的電子數反而少，處於粒子數的反轉分布狀態。此時的P-N結就被激活了，這時候，如果外來的光子一激發，就會出現受激輻射的過程大於受激吸收的過程，從而實現光的放大。

• 半導體激光器的工作原理

當P-N結外加正向偏壓足夠大時，將使得結區處於粒子數的反轉分布狀態，在外來光子的激發下，即出現受激輻射＞受激吸收→產生光的放大

被放大的光在由P-N結構成的光學諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡是由半導體材料的天然解理面形成）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件（不斷放大的光要能抵消損耗，才有多餘的光輸出形成激光，G=α）後可發出激光。

• 半導體激光器的結構

用半導體材料作為激活物質的激光器，稱為半導體激光器。

在半導體激光器中，從光振蕩的形式上來看，主要有兩種方式構成的激光器：

（1） 用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀羅諧振腔），稱為F-P腔激光器；

F-P腔激光器從結構上又可分為：

1、 同質結半導體激光器

是一種結構最簡單的半導體激光器，其核心部分是一個P-N結，由結區發出激光。它不能在室溫下連續工作，只有異質結半導體激光器才能進入實用。

註：「結」是由不同的半導體材料製成的。

2、 單異質結半導體激光器

3、 雙異質結半導體激光器

（2） 分布反饋型（DFB）激光器。

• 半導體激光器的工作特性

1、 閾值特性

對於半導體激光器來說，當外加正向電流達到某一值時，輸出光功率將急劇增加，這時將產生激光振蕩，這個電流值稱為閾值電流，用It表示。

閾值特性可以用輸入輸出特性曲線進行表示。我們知道，激光器是將電信號變為光信號的器件，因此它的輸入我們可以用工作電流來表示，輸出可以用輸出光功率來表示。

在轉換過程中，當我們給半導體激光器加入電流時，這時候是可以發光的，但是這時候的光比較弱。如果我們繼續增大工作電流，當增加到某一個值的時候，輸出光功率會突然增加，也就是說，它有一個拐點，從發出比較弱的光到發出比較強的光中間有一個拐點，這個拐點，我們就稱為閾值電流。這個閾值電流是用來衡量激光器什麼時候發激光的一個電流值，如果外加正向電流小於閾值電流，這時候激光器也會發光，但是發出來的光很弱，屬於熒光，只有當外加正向電流超過閾值電流，這時候激光器發出來的光才屬於激光。

為了使光纖通信系統穩定可靠地工作，It越小越好。

2、 光譜特性

當I＜It，熒光，光譜寬，光強弱

當I＞It，激光，光譜窄（光譜窄，所包含的頻率成分少，把這樣的光注入到光纖中傳輸時，產生的色散就會減小，色散小了信號的失真也小，更有利於提高傳輸特性），光強強（信號傳輸可以更遠）

單模激光器

發出的激光是單縱模，它所對應的的譜線只有一根譜線。

多模激光器

發出的集光是多縱模，對應的是多譜線。

根據諧振頻率的公式 ，q取一個值的時候對應的頻率稱為單縱模，而多縱模是會同時發出多個q對應的頻率，很顯然單模激光器的特性會比多模好。

一般，在觀測激光器光譜特性時，光譜曲線最高點所對應的波長為中心波長，而比最高點功率低3dB時曲線上的寬度為譜線寬度。

3、 溫度特性

激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。

當溫度增加時，閾值電流增加，輸出光功率下降

當溫度降低時，閾值電流下降，輸出光功率上升

為了使光纖通信系統穩定、可靠地工作，一般都要採用各種自動溫度控制電路來穩定激光器的閾值電流和輸出光功率。

同時，隨著使用時間的增加，閾值電流也會逐漸增大。

4、 轉換效率

半導體激光器是把電功率直接轉換成光功率的器件。

衡量轉換效率的高低常用功率轉換效率來表示：

功率轉換效率 定義為：輸出光功率與消耗的電功率之比。

其中，R——是與激光器的內部量子效率、激光波長和模式損耗有關的常數

V——是工作電壓

——是閾值電流

I——是工作電流

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