半导体激光器是利用半导体晶体产生激光的器件。主要激励方式有:PN结注入电流激励、电子束激励,光激励、碰撞电离激励等。目前研究和应用最多的是PN结注入电流激励。11.2半导体激光器原理
半导体的能带结构
构成半导体激光器的核心是半导体晶体,其由于能级分裂会形成导带、禁带和价带。导带和价带间的禁带宽度用Eg表示。当价带中的电子受到外界作用激发,跃迁到导带时,价带同时会产生一个空穴(可视为正电荷),电子和空穴皆可导电,统称为“载流子”。
当P型半导体和N型半导体接触时,就会形成PN结,此时由于PN半导体之间内建电场形成,阻止载流子进一步扩散
半导体中的光发射
半导体中的光发射通常由于载流子复合。当半导体PN结外加正向电压使得PN结势垒下降,电子注入N区,空穴注入P区,将会发生复合而发射某种波长的光子。复合发出光子的波长由半导体禁带宽度Eg确定:
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当然,并非所有材料在电子和空穴的复合时都发出光波,有的材料会有一部分能量转化为热耗散而不产生光,这就会导致发光效率的降低。通常直接带隙半导体作为发光材料是很好的选择,例如砷化镓(GaAs)等。
上述这种半导体中电子和空穴自发复合产生的光发生称为自发辐射。当这种自发辐射产生的光子通过半导体内已激发的电子-空穴对附近时,就能激励二者复合再产生一个新的光子,这个过程被称为受激辐射。这样如果注入电流足够强,再加上谐振腔的反射反馈足够克服吸收、散射等损耗,就能通过受激辐射加速光子的产生,从而产生激光。