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半导体激光器原理知乎 半导体激光器原理

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半导体发光二极管LED和半导体激光器LD的结构和工作原理是什么？他们的特点有什么不同？他们的结构简单来说就是三明治的夹层结构，中间的夹层就是活动区 。
两者结构相似，只是LED没有谐振腔，LD有谐振腔 。
LD的工作原理是基于受激辐射，LED是基于自发辐射 。
LD发射功率更高，光谱更窄，直接调制带宽更宽，LED发射功率更低，光谱更宽，直接调制 。
窄带宽 。
激光的工作不同于普通光源的工作 。它同时需要一个激光工作物质(即半导体激光二极管LD中的半导体材料)、一个泵浦(即外部能源)和一个谐振腔 。
LD和LED工作时，其结构中都有半导体工质和泵浦源 。唯一不同的是LD通过自然解理在其外层形成了双谐振腔，并且这个谐振腔有一定的发光阈值条件(即阈值条件) 。当达到这一条件时，激光器开始反转激发光 。当LD的驱动没有达到阈值条件时，其发光机理与LED没有明显区别 。
半导体激光器的结构是怎样的？半导体激光器工作原理介绍【详解】半导体激光器的结构和工作原理分析
以砷化镓(GaAs)激光器为例，介绍了注入式同质结激光器的工作原理 。
【半导体激光器原理知乎 半导体激光器原理】1.注入式同质结激光器的振荡原理 。由于半导体材料本身具有特殊的晶体结构和电子结构，形成激光的机理有其特殊性 。
(1)半导体的能带结构 。半导体材料多为晶体结构 。当大量原子有规律地紧密结合成一个晶体时，晶体中的那些价电子都在晶体能带中 。价电子所在的能带称为价带(对应较低的能量) 。最靠近价带的高能带称为导带，能带之间的空畴称为禁带 。当施加外部电场时，价带中的电子跳到导带中，在导带中它们可以自由移动以导电 。同时，价带失去一个电子，相当于带正电的空空空穴，在外加电场的作用下，也可以导电 。所以价带中的空空空穴和导带中的电子都是导电的，统称为载流子 。
(2)掺杂半导体和pn结 。没有杂质的纯半导体称为本征半导体 。如果杂质原子掺杂到本征半导体中，在导带以下和价带以上形成杂质能级，分别称为施主能级和受主能级 。
具有施主能级的半导体称为N型半导体；具有受主能级的半导体称为p型半导体 。在室温下，N型半导体的大部分施主原子被热能电离，其中电子被激发到导带，成为自由电子 。而P型半导体的大部分受主原子在价带俘获电子，在价带形成空空空穴 。因此，n型半导体主要由导带中的电子传导；p型半导体主要由价带中的空空空穴传导 。
半导体激光器所用半导体材料的掺杂浓度比较高，N型杂质原子数一般为(2-5)×1018cm-1；p型为(1-3)×1019cm-1 。
在一块半导体材料中，突然从P型区变为N型区的区域称为p-n结 。将在界面处形成空之间的电荷区 。N型半导体带中的电子将扩散到P区，而P型半导体的价带中的空空空穴将扩散到N区 。这样，靠近结构的N型区带正电，因为它是施主，靠近结区的P型区带负电，因为它是受主 。在界面处形成一个从N区到P区的电场，称为自建电场 。这个电场会阻止电子和空空空穴进一步扩散 。
(3)电注入pn结的激发机制 。如果对具有pn结的半导体材料施加正向偏压，则P区连接到正电极，N区连接到负电极 。显然，DC电压的电场与p-n结的自建电场相反，削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍，使N区的自由电子在DC电压的作用下通过p-n结扩散到P区 。当结区导带中有大量电子，价带中有空空空穴时，它们会在注入区复合 。当导带中的电子发生跳跃时，这就是半导体电致发光的机理，这种自发复合发光称为自发发射 。
为了使pn结产生激光，需要在结构中形成粒子反转分布态，使用重掺杂的半导体材料，并且要求注入pn结的电流足够大(例如30000 A/cm2) 。这样，在pn结的局域区域，导带中的电子数大于价带中的空空空穴数，从而产生受激复合辐射，发射激光 。
2.半导体激光器结构 。它的形状和大小与小功率半导体三极管相似，只是外壳上有一个激光输出窗口 。夹在结区之间的P区和N区是分层的，结区厚度几十微米，面积小于1mm2 。
半导体激光器的光学谐振腔由垂直于pn结面的自然解理面(110面)组成，其反射率为35，足以引起激光振荡 。如果需要增加反射率，可以在晶体表面镀一层二氧化硅和一层金属银膜，反射率可以达到95%以上 。


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